通过合成后配体交换法合成三唑和四唑功能化锆基金属有机框架材料
2023年6月23日
合成后配体交换（PSE）是一种将功能基团引入金属-有机框架（MOFs）的多功能且强大的工具。将MOFs暴露于含有三唑和四唑功能化配体的溶液中，可通过PSE过程将这些杂环基团引入Zr-MOFs中。
我们的主要研究课题是通过多种技术在多孔金属有机框架材料（MOFs）中引入具有特定功能的官能团。本研究聚焦于在MOFs中引入杂环结构。配体后合成交换（PSE）是本工作中的主要技术手段。
通过固溶体交换过程，可将带有目标官能团的配体引入预先合成的金属有机框架（MOFs）中。特别是，一些不稳定的配体以及含有配位基团的配体，可通过PSE技术高效地引入MOFs。三唑和四唑官能团均含有多个配位氮原子。
因此，金属羧酸盐与金属三唑盐或四唑盐之间存在配位竞争。在PSE过程中，目标配体的掺入比例易于控制，且可通过该方法将多种目标配体引入单一MOF中。首先称取23.3毫克H2BDC-triazole，置于闪烁瓶中。
使用玻璃移液管将1.0毫升4%氢氧化钾溶液转移至小瓶中，以溶解水溶液中的H2BDC配体。接着，超声处理混合物，直至所有固体完全溶解。向含有二羧酸盐的小瓶中加入1摩尔盐酸溶液，并搅拌至pH达到7。
向闪烁瓶中加入33毫克UiO-66 MOF。然后将含有MOF和配体的瓶子在室温下置于摇床中，以120 RPM振荡孵育24小时。接着，在室温下以1,166 g离心5分钟，从混合物中分离出固态MOF。
向所得的固体MOF中加入10毫升新鲜甲醇，振荡小瓶，形成非均相混合物，以溶解任何残留的未交换BDC配体。将混合物在室温下以1,166 g离心5分钟，再次分离固体，并进行干燥。取约10毫克经UiO-66-三唑交换的MOF固体，转移至粉末X射线衍射样品 holder 中。
将样品架放入衍射仪中，采集粉末X射线衍射图谱。开始核磁共振表征时，将约30毫克离子交换后的MOF固体转移至一个新的4毫升小瓶中。然后用微量移液器将400微升DMSO-d6转移至MOF样品中。
使用微量移液器将200微升4.14摩尔的氟化铵氘代氧化物溶液转移至MOF粉末的DMSO-d6悬浮液中。将该非均相混合物超声处理30分钟，直至MOF在消化后的二甲基亚砜-氘代氧化物混合溶剂中完全溶解。完成后，在将溶液从4毫升小瓶转移至核磁共振管的过程中，通过聚偏二氟乙烯注射器滤膜过滤，以除去任何残留的不溶性固体。
为了确定交换反应的成功程度，通过测量粉末X射线衍射图谱并与原始UiO-66金属有机框架（MOF）的结晶性进行比较。在发生配体交换的UiO-66-三唑和UiO-66-四唑样品中，其粉末X射线衍射图谱的衍射峰位置、相对强度及峰宽均与原始UiO-66 MOF一致，表明配体交换未对框架结构造成影响。交换比例通过比较非功能化BDC与BDC-三唑或BDC-四唑的积分面积来确定。
通过合成后配体交换分析，发现三唑和四唑的交换率分别为33%和30%。
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概述
本研究重点探讨利用合成后配体交换（PSE）技术对金属-有机框架材料（MOFs）进行功能化修饰。具体而言，该研究通过这一多功能技术将三唑和四唑功能基团引入Zr-MOFs中。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 材料科学
- 化学
背景
- 金属有机框架材料（MOFs）是一类具有多孔结构的材料，在多个领域具有潜在应用价值。
- 对MOFs进行功能化修饰可增强其性能并拓展其应用范围。
- 后合成配体交换（PSE）是一种用于改变化学组成的MOFs修饰方法。
- 三唑和四唑等杂环化合物因其配位能力而著称。
研究目的
- 研究官能团在金属有机框架材料（MOFs）中的引入。
- 展示PSE在修饰锆基金属有机框架材料（Zr-MOFs）中的有效性。
- 探讨在此背景下三唑和四唑配体的潜在应用。
使用的方法
- 合成后配体交换（PSE）技术。
- 将Zr-MOFs暴露于含有功能化配体的溶液中。
- 通过固-液相交换过程实现配体安装。
- 对修饰后的MOFs进行表征，以评估功能化的成功程度。
主要结果
- 成功将三唑和四唑官能团引入Zr-MOFs中。
- 证明PSE是一种有效的配体交换方法。
- 由于存在配位氮基团，MOFs的性能得到增强。
- 功能化MOFs在多个科学领域具有潜在应用前景。
结论
- PSE 是一种用于将功能基团引入 MOF 的强大工具。
- 三唑和四唑配体可高效地整合到 Zr-MOFs 中。
- 本研究为功能化 MOF 在科研与应用中的进一步探索奠定了基础。
常见问题
行业应用价值
合成后配体交换（PSE）可实现含三唑和四唑基团的锆基金属有机框架材料（MOFs）的快速功能化，支持面向药物研发的先进材料的模块化设计。该方法能够精确控制配体的引入，有助于构建具有定制化学特性的MOFs，用于筛选和分析工作流程。在室温下引入热不稳定或敏感配体的能力，拓展了用于药物发现和分析科学等新一代材料开发的工具箱。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 通过引入特定官能团，促进金属有机框架材料（MOFs）的制备，用于机理研究和靶点结合实验。
- 通过可控地引入多种配体以探究信号通路，实现生物学风险的降低。
- 通过定量的配体交换比例，提升对材料性能的预测可靠性。
筛选与检测方法开发
- 为开发检测方法提供了一个可重复且可调控表面化学性质的金属有机框架（MOF）制备平台。
- 通过交换后保持框架结晶性（经X射线衍射证实），确保检测方法的标准化。
- 提供配体掺入的定量输出结果，支持可靠的化合物评估和高通量筛选准备。
转化与临床前研究
- 能够设计带有功能标签的金属有机框架材料（MOFs），有望应用于分析或诊断工作流程。
- 在材料修饰后仍保持框架完整性，支持从材料合成到临床前评价的连续性研究。
- 通过系统表征配体交换过程及框架稳定性，提供机制层面的风险评估依据。
流程与工作流整合
经过PSE功能化的MOFs可通过实现材料在筛选、分析和机理研究中的快速原型构建，契合从发现到临床前研究的连续过程。
- 发现生物学：通过引入多种功能基团，支持假设验证和通路阐明。
- 筛选：提供适用于检测的材料，实现可重复且可量化的配体整合。
- 分析：通过核磁共振（NMR）和X射线衍射提供可靠的检测结果，用于比较材料的修饰效果。
- 转化研究：保持框架稳定性，支持后续的分析或诊断应用。
- 企业级复用：提供模块化、可重复使用的平台，用于将多种配体功能化至金属有机框架（MOFs）上。
运营与企业影响
- 科学价值：提高材料设计的预测置信度，降低机理上的模糊性。
- 操作价值：实现标准化、可重复且可放大的功能化工作流程。
- 战略价值：通过提供定量修饰数据，优化决策流程，提升资本使用效率。
- 组合影响：支持基于风险调整的材料候选物优先排序，推动后续开发。
实施注意事项
- 需要具备金属有机框架（MOF）合成、配体化学和分析表征方面的专业知识。
- 需要使用粉末X射线衍射和核磁共振波谱等仪器设备。
- 要求跨团队在配体交换和定量方法上实现标准化，以确保可重复性。
- 可适用于多种类型的配体，但每种体系的交换比例和框架稳定性均需经过验证。
- 实际应用中的限制因素包括不同类型配体之间的竞争，以及需要可靠的分析手段进行确认。
