Szkielety metalo-organiczne (MOFs) to trójwymiarowe materiały porowate, które powstają w wyniku tworzenia wiązań koordynacyjnych między klastrami metali a wielofunkcyjnymi ligandami organicznymi. MOFs wzbudziły znaczne zainteresowanie ze względu na swoją trwałą porowatość, niską gęstość oraz zdolność do łączenia komponentów organicznych i nieorganicznych, co umożliwia różnorodne zastosowania1,2. Ponadto szeroki zakres węzłów metalicznych i organicznych łączników oferuje teoretycznie nieograniczone kombinacje strukturalne MOFs. Nawet przy identycznej strukturze szkieletu, właściwości fizyczne i chemiczne MOFs mogą być modyfikowane poprzez funkcjonalizację ligandów za pomocą znaczników chemicznych. Proces ten stanowi obiecującą drogę do dostosowania właściwości MOFs do konkretnych zastosowań3,4,5,6,7,8,9.
Zarówno prefunkcjonalizacja ligandów przed syntezą MOF, jak i modyfikacja postsyntetyczna (PSM) MOF były stosowane w celu wprowadzenia i/lub modyfikacji grup funkcyjnych w ligandach MOF10,11. W szczególności kowalencyjne PSM były szeroko badane w celu wprowadzenia nowych grup funkcyjnych i wytworzenia szeregu MOF o zróżnicowanych funkcjonalnościach12,13,14. Na przykład UiO-66-NH2 można przekształcić w funkcjonalizowane amidowo UiO-66-AM o różnych długościach łańcuchów (od najkrótszego acetamidu po najdłuższy amid n-heksylowy) poprzez reakcje acylowania odpowiednimi halogenkami acylowymi (takimi jak chlorek acetylu lub chlorek n-heksanoylu)15,16. Podejście to wykazuje wszechstronność kowalencyjnych PSM w wprowadzaniu specyficznych grup funkcyjnych do ligandów MOF, co otwiera drogę do szerokiego zakresu zastosowań.
Oprócz kowalencyjnych PSM, obróbka polegająca na postsyntetycznej wymianie ligandów (PSE) jest obiecującą strategią modyfikacji MOF (Rycina 1). Ponieważ MOF składają się z wiązań koordynacyjnych między metalami a ligandami (takimi jak karboksylany), wiązania koordynacyjne te mogą zostać zastąpione ligandami zewnętrznymi z roztworu. Poddanie MOF działaniu roztworu zawierającego pożądany ligand z znacznikami chemicznymi pozwala na ich wbudowanie w strukturę MOF poprzez PSE17,18,19,20,21,22. Ponieważ proces PSE jest przyspieszany przez obecność rozpuszczalników koordynujących, zjawisko to nazywa się również wymianą ligandów wspomaganą rozpuszczalnikiem (SALE)23,24. Podejście to oferuje elastyczną i łatwą metodę funkcjonalizacji MOF szeroką gamą ligandów zewnętrznych, co umożliwia szerokie spektrum zastosowań25,26,27,28,29.

Rysunek 1: Synteza ligandów H2BDC funkcjonalizowanych triazolem i tetrazolem oraz otrzymywanie MOF UiO-66 funkcjonalizowanego triazolem i tetrazolem za pomocą PSE. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Postęp procesu PSE można kontrolować poprzez regulację stosunku ligandów, temperatury wymiany oraz czasu. Warto zauważyć, że PSE w temperaturze pokojowej może być stosowane do otrzymywania funkcjonalizowanych MOF poprzez wymianę ligandów z roztworu w ciałach stałych MOF20. Strategia PSE jest szczególnie użyteczna przy wprowadzaniu do struktur MOF zarówno grup funkcyjnych niestabilnych termicznie (takich jak grupy azydowe), jak i grup funkcyjnych koordynacyjnych (takich jak grupy fenolowe)18. Ponadto strategia PSE została zastosowana w przypadku różnych MOF o zróżnicowanych metalach i wiązaniach koordynacyjnych. Wymiana ta jest procesem uniwersalnym w chemii MOF30,31,32. W niniejszym badaniu przedstawiamy szczegółowy protokół PSE służący do otrzymywania funkcjonalizowanych MOF z pierwotnych, niefunkcjonalizowanych MOF, a także proponujemy strategię charakteryzacji w celu potwierdzenia pomyślnej funkcjonalizacji MOF. Metoda ta demonstruje wszechstronność i wygodę PSE w modyfikowaniu MOF różnorodnymi grupami funkcyjnymi.
Kwas benzeno-1,4-dikarboksylowy zawierający tetrazol (H2BDC-Tetrazole)33 oraz kwas benzeno-1,4-dikarboksylowy zawierający triazol (H2BDC-Triazole) zostały zsyntetyzowane jako ligandy docelowe i wykorzystane w PSE struktur MOF typu UiO-66 w celu otrzymania nowych, wolnych od koordynacji, zawierających triazol struktur MOF. Zarówno triazole, jak i tetrazole posiadają kwasowe protony N-H w pierścieniach heterocyklicznych i mogą koordynować z kationami metali, co umożliwia ich wykorzystanie w budowie struktur MOF34,35. Istnieje jednak ograniczona liczba badań nad włączaniem wolnych od koordynacji tetrazoli i triazoli do struktur MOF i powiązanych układów. W przypadku Zr-MOF funkcjonalizowanych triazolem, badano właściwości fotofizyczne struktur MOF typu UiO-68 otrzymanych poprzez bezpośrednią syntezę solvotermalną z funkcjonalnościami benzotriazolowymi36. W przypadku Zr-MOF funkcjonalizowanych tetrazolem zastosowano mieszaną syntezę bezpośrednią33. Te funkcjonalizowane heterocyklami struktury MOF mogą zapewniać potencjalne miejsca koordynacyjne w porach MOF do celów katalizy, selektywnego poboru cząsteczek poprzez powinowactwo wiązania oraz zastosowań związanych z energią, takich jak przewodnictwo protonowe w ogniwach paliwowych.