功能化的合成与表征金属 - 有机骨架
2014年9月5日
合成的有意设计的金属 - 有机骨架材料，激活和表征是具有挑战性的，尤其是当构建块是不相容的或不需要的多晶型物都在期望的形式热力学上有利的。我们描述了如何通过超临界CO 2的干燥溶剂辅助的接头交换，粉末X射线衍射中的毛细血管和激活的应用程序，可以解决这些挑战。
以下实验的总体目标是合成使用溶剂辅助连接子交换或 sail 难以从头获得的柱状桨轮金属有机框架或飞蛾，并通过超临界二氧化碳干燥激活它。这是通过齐射热合成母体 mo 来实现的，它很容易从硝酸锌六水合物 NN prime D 四个吵萘、四羧基二胺和一个四个 DI 溴 2 3 5 6 Tera 四个羧基苯在酸性 DMF 溶液中从头获得，以便将其用作销售模板。作为第二步，母蛾的晶体与所选接头的 DMF 溶液进行销售反应，从而产生所需的子蛾产品 Salem five。
接下来，通过与乙醇进行溶剂交换和用超临界二氧化碳活化来去除 Salem 5 孔隙中的 DMF 溶剂，以使材料适用于涉及气体吸收的应用。结果表明，基于旋转毛细管质子核磁共振波谱中的粉末 X 射线衍射，将子接头整合到 Salem five 框架中，并防止激活时框架坍塌，并分别观察活化的 mth 和氮等温线集合的晶体图像。我们希望该视频可以深入了解合成和激活具有挑战性的飞蛾的替代途径，并警惕在处理脆弱的飞蛾结构时犯下的平息陷阱。
此外，溶剂辅助接头交换可应用于除本视频重点介绍的支柱桨轮系统之外的各种小鼠结构。与现有方法相比，溶剂辅助连接子交换的主要优点是其多功能性和缺陷，并结合其基础实施销售。改善与接头可溶性相关的问题，通常会导致子 Moff Powder 的几乎定量合成。
X 射线衍射是一种确认 SAIL 反应已发生的强大技术。这里介绍的方法将晶体保存在其母液中，从而确保 MTH 框架保持完整。演示该程序的是我们实验室的博士后 Rachel Clit 博士。
首先称出 50 毫克硝酸锌六水合物、37.8 毫克 DPNI 和 64.5 毫克 B-R-T-C-P-B。将所有固体成分混合在一个 4 克小瓶中。将 10 毫升 DMF 添加到含有固体成分的小瓶中。
然后使用 9 英寸粘贴移液器，在彻底盖紧小瓶后加入一滴浓盐酸。使用超声波浴混合成分约 15 分钟，观察样品瓶中的内容物形成悬浮液。接下来，将小瓶放入 80 摄氏度的烘箱中两天。
第一天，检查样品瓶以确保其内容物已完全溶解。在第二天形成黄色透明溶液，观察样品瓶壁和底部的黄色泪状晶体。将样品瓶从烘箱中取出并冷却至室温后，用刮刀轻轻地将晶体从样品瓶壁上推开，使它们全部聚集在样品瓶的底部。
让晶体沉淀在样品瓶的底部后，使用 9 英寸外的搅拌移液管轻轻地从样品瓶中取出反应溶液，不要将晶体吸入移液器中。在装有晶体的小瓶中加入约 5 毫升新鲜 DMF，使其浸泡至少一天，以去除酸性反应溶液和孔隙中滞留的任何未反应性成分。此时，准备 0.7 毫米的直径。
小心地切掉封闭端，借用硅酸盐玻璃毛细管，以便保留带有漏斗顶部的毛细管的顶部三厘米。将毛细管的窄切端浸入融化的蜂蜡中。让蜡凝固为毛细管底部的塞子后，用少量造型粘土支撑它。使用过去的空气移液管，在溶液中吸取几毫升晶体。
小心地将晶体和溶液通过漏斗开口转移到毛细管中。使用纸巾或纸巾吸走多余的溶剂。接下来，让晶体沉淀到蜂蜡的小塞子中。
使用非常小的造型粘土密封毛细管的顶端。为了准备粉末 X 射线衍射分析，请从测角仪头上取下所有安装装置，并将由建模粘土支撑的毛细管放在其顶部。将毛细管置于 X 射线束的中心，以确保晶体塞在旋转时不会发生。
粉末X 射线衍射分析后，取出 21 毫克 DPED 并将其转移到一个 2 克的小瓶中。向样品瓶中加入 5 mL DMF 后，用超声超声溶解 DPED。使用 6 英寸的空气移液管，收集晶体上的兄弟并在 NER 漏斗上过滤它们。
然后将约 30 毫克晶体分散在先前制备的 DPED 溶液中。将所得的帆混合物放入 100 摄氏度的烤箱中 24 小时。接下来，用质子 NMR 和 6 英寸 PE 移液器检查 sail 反应的进度。
从冷却的反应溶液中去除大约 2 到 5 毫克的 MOF 晶体。将这些晶体浸入 1.5 g 样品瓶中的少量清洁溶剂（如 DMF）中，以冲洗这些晶体。然后，将约 1 毫升氘代二甲基亚砜加入单独的 1.5 克小瓶中。
从清洁溶液中过滤晶体后，将它们分散在氘代二甲基亚砜中。然后在混合物中加入三滴氘代硫酸。彻底超声处理固定样品瓶以获得均匀的溶液。
完成后，用粘贴移液器将所得样品转移到 NMR 管中。然后收集 NMR 波谱进行 64 次扫描，因为由于 MOF 晶体的溶解度低，溶液相对稀。与乙醇交换溶剂后，使用 6 英寸 PE 移液器将 MOF 晶体转移到活化皿中。
然后用 9 英寸 peor 移液器去除尽可能多的乙醇，不要将晶体吸入移液器中。拧下三个螺栓，取下激活室的盖子，并检查激活室是否有残留的飞蛾碎片。使用一对镊子，将带有飞蛾的激活皿插入腔室，然后将盖子拧回原位。
接下来，打开烘干机并打开二氧化碳罐。调整温度旋钮以达到 0 到 10 摄氏度之间的温度。一旦温度处于正确的范围内，请向上转动填充旋钮。慢慢。
观察液态二氧化碳通过腔室盖上的玻璃窗倒入活化皿中。要执行第一次清除，请将填充旋钮向上旋转至显示 15 的标记。然后慢慢调高吹扫旋钮，直到溶剂射出从仪器侧面的试管中射出。
让清除持续约 5 分钟后，关闭清除旋钮并将填充旋钮向下旋转至读数为 5 的标记。经过 8 小时的超临界干燥后，关闭所有旋钮并打开加热开关。一旦温度和压力超过超临界点，将流量计连接到仪表侧面的管道上，然后打开放气旋钮。
将流量调整为每分钟 1 立方厘米。然后取量计，让二氧化碳在第二天慢慢从样品中排出。检查压力是否已降至零 PSI。
如果压力没有下降到这个水平，请调高放气旋钮，直到达到所需的压降。关闭放气旋钮后，关闭仪器上的加热和电源开关，这里显示的是 Broome 关闭晶体，同一晶体变成了 Salem。此处显示 5。
与单晶对单晶反应的情况相同。晶体大小和形态不会改变。然而，由于销售的严酷性质，表面会出现裂纹，这使得 Salem five 晶体不适合单晶 X 射线衍射数据收集。
当 BROMIUM OV 合成应用于 Salem 5 合成时，质子 NMR 显示不存在 DPED。为了停止，功能化链接器交互 Sale 用于访问 Salem five。涉及 DPNI 作为离开支柱的典型销售需要不到 24 小时，并且更换了超过 99% 的支柱。
由于许多柱状桨轮飞蛾在玻璃上使用安装材料的干燥 PXRD 产生可能不包含所有峰的图案时会失去结晶度，在这种情况下，与氮供体柱所在的 C 轴方向的反射相对应的峰是第一个峰。较低齿 θ 角的第一个峰值位置表示在 C 轴方向上存在较大的晶胞。这里显示了 NU 100 在常规加热和真空激活以及超临界二氧化碳干燥下的晶体图像。
前者导致框架坍塌和孔隙破坏，而超临界二氧化碳干燥导致 A BET 表面积约为每克 6， 140 平方米。按照此程序，可以获得其他难以合成的飞蛾，同时防止其脆弱的框架在研究过程中降解并允许进入其抽真空的孔隙。观看此视频后，您应该对如何针对气体吸收应用执行一些有用的 MOF 合成、表征和活化方法有很好的了解。
通过制备粉末 X 射线衍射样品和安装在差压反射仪上的毛细管，可以分析任何类型的溶剂敏感晶体，而不必担心样品降解。
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概述
本文讨论了使用溶剂辅助链接交换和超临界CO2干燥法合成和活化柱支撑桨轮金属有机框架（MOF）的方法。该研究突出了获得所需MOF结构的挑战，并提出了克服这些障碍的方法。
关键研究组成部分
科学领域
- 材料科学
- 金属有机框架
- 化学工程
背景
- MOF的合成可能因不兼容的构建模块而变得复杂。
- 不受欢迎的多晶型物可能在热力学上比所需形态更受青睐。
- 溶剂辅助链接交换是一种用于修改MOF结构的技术。
- 超临界CO2干燥用于活化过程。
研究目的
- 使用溶剂辅助链接交换合成具有挑战性的MOF。
- 活化合成的MOF以用于气体吸收应用。
- 提供对脆弱MOF的替代合成路线的见解。
使用的方法
- 从硝酸锌和其他前体物质进行母体MOF的热合成。
- 使用DMF溶液进行溶剂辅助链接交换。
- 使用乙醇进行溶剂交换以从孔隙中去除DMF。
- 使用超临界CO2干燥进行活化。
主要结果
- 成功保留了活化MOF中的框架拓扑结构。
- 将子链接器掺入MOF框架中。
- 防止了活化过程中框架坍塌。
- 通过粉末X射线衍射和氮气等温吸附进行表征。
结论
- 该研究提供了一种合成和活化复杂MOF的可行方法。
- 它突出了处理脆弱MOF结构的潜在陷阱。
- 结果有助于理解MOF的合成和应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Functionalized metal-organic frameworks (MOFs) offer unique opportunities for biopharma R&D, particularly in applications requiring high surface area and tunable porosity. Overcoming synthetic and activation challenges is critical for enabling reliable MOF-based platforms in screening, separation, and analytical workflows. Robust synthesis and characterization protocols directly impact the predictive confidence and reproducibility of MOF-enabled assays and analytical systems.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables construction of MOFs with tailored chemical functionality for selective molecular recognition.
- Supports mechanistic de-risking by providing stable, well-characterized frameworks for target interaction studies.
- Facilitates hypothesis-driven exploration of MOF-hosted catalytic or binding sites.
Screening & Assay Development
- Delivers reproducible, high-porosity materials suitable for integration into compound screening platforms.
- Ensures assay standardization through robust framework activation and solvent removal protocols.
- Provides quantitative surface area measurements critical for assay normalization and comparability.
Translational & Preclinical Research
- Enables development of MOF-based systems for controlled release or selective adsorption relevant to preclinical models.
- Supports continuity from material synthesis to functional evaluation in disease-relevant systems when aligned with translational goals.
- Reduces risk of framework collapse, preserving material integrity for downstream translational studies.
Pipeline & Workflow Integration
These synthesis and activation methods position MOFs as reliable components from early discovery through preclinical evaluation, supporting both screening and analytical workflows.
- Discovery Biology: Provides stable, functionalized MOFs for hypothesis testing and mechanistic studies.
- Screening: Ensures reproducible material properties for high-throughput assay integration.
- Analytics: Enables accurate surface area and porosity measurements for comparative analysis.
- Translational Research: Maintains framework integrity for application in preclinical and disease-relevant systems.
- Enterprise Reuse: Establishes standardized protocols for MOF synthesis and activation, supporting cross-project material reuse.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces ambiguity in MOF-enabled assays.
- Operational Value: Standardizes synthesis and activation, improving reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Enhances go/no-go decision-making by ensuring material reliability and performance.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of MOF-based platforms across discovery and development pipelines.
Implementation Considerations
- Requires expertise in MOF chemistry, crystallography, and analytical characterization.
- Demands access to specialized instrumentation such as powder X-ray diffraction and supercritical CO2 drying systems.
- Necessitates cross-team standardization of activation and measurement protocols.
- Adaptation may be needed for different MOF structures or application-specific requirements.
- Careful handling is essential to prevent framework collapse and ensure accurate characterization.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
2:39
Synthesis of the Parent Metal-organic Framework, Br-YOMOF
4:11
Characterization by Power X-ray Diffraction
5:20
Performing Solvent-assisted Linker Exchange on Br-YOMOF Crystals
6:59
Activating SALEM-5 Crystals with Supercritical CO2 Drying
8:53
Results: Synthesis and Characterization of Intentionally Designed Metal-organic Frameworks
10:33
Conclusion
