Synteza struktur metaloorganicznych na bazie triazolu i tetrazolu na bazie Zr poprzez postsyntetyczną wymianę ligandów
June 23rd, 2023
Postsyntetyczna wymiana ligandów (PSE) jest wszechstronnym i potężnym narzędziem do instalowania grup funkcyjnych w strukturach metaloorganicznych (MOF). Wystawienie MOF na działanie roztworów zawierających ligandy funkcjonalizowane triazolami i tetrazolami może włączyć te heterocykliczne ugrupowania do Zr-MOF poprzez procesy PSE.
Naszym głównym tematem badawczym jest funkcjonalizacja porowatych struktur metaloorganicznych, MOF-ów, z interesującymi grupami funkcyjnymi za pomocą różnych technik. Badanie koncentruje się na instalacji heterocyklicznej w MOF-ach. PSE, czyli postsyntetyczna wymiana ligandów, jest główną techniką w tej pracy.
Ligand z docelową grupą funkcyjną może być instalowany we wstępnie zsyntetyzowanych MOF w procesie wymiany ciało stałe-roztwór. W szczególności niektóre niestabilne ligandy i ligandy z grupami koordynującymi mogą być skutecznie włączone do MOF za pomocą technik PSE. Zarówno grupy funkcyjne triazolu, jak i tetrazolu mają wiele koordynujących grup azotowych.
W związku z tym istnieje konkurencja o koordynację między karboksylanem metalu a triazolanem metalu lub tetrazolanem. Stosunek inkorporacji docelowych ligandów jest łatwo kontrolowany w procesie PSE, a dzięki temu podejściu można zainstalować wiele celów w jednym MOF. Rozpocznij od odmierzenia 23,3 miligrama triazolu H2BDC i umieść go w fiolce scyntylacyjnej.
Aby rozpuścić ligand H2BDC w roztworze wodnym, przenieść 1,0 mililitra 4% roztworu wodorotlenku potasu do fiolki za pomocą szklanej pipety. Następnie poddaj mieszaninę sonikacji, aż wszystkie ciała stałe całkowicie się rozpuszczą. Dodać 1 molowy roztwór kwasu solnego do fiolki zawierającej dikarboksylan i mieszać aż do osiągnięcia pH 7.
Dodać 33 miligramy UiO-66 MOF do fiolki scyntylacyjnej. Następnie inkubować fiolkę z MOF i ligandem w temperaturze pokojowej i 120 obr./min w wytrząsarce przez 24 godziny. Następnie wyizolować stały MOF z mieszaniny przez odwirowanie w stężeniu 1,166 g przez pięć minut w temperaturze pokojowej.
Dodać 10 mililitrów świeżego metanolu do otrzymanego stałego MOF i wstrząsnąć fiolką, tworząc niejednorodną mieszaninę w celu rozpuszczenia pozostałych niewymienionych ligandów BDC. Ponownie wyizolować ciało stałe, odwirowując mieszaninę o stężeniu 1,166 g przez pięć minut w temperaturze pokojowej i wysuszyć. Przenieść około 10 miligramów ciała stałego MOF wymienionego z UiO-66-triazolem do uchwytu na proszkową próbkę dyfrakcji rentgenowskiej.
Umieścić uchwyt na próbkę w dyfraktometrze i zebrać wzór dyfrakcji rentgenowskiej w proszku. Aby rozpocząć charakterystykę NMR, przenieś około 30 miligramów wymienionego ciała stałego MOF do świeżej czteromililitrowej fiolki. Następnie przenieś 400 mikrolitrów DMSO-d6 do próbki MOF za pomocą mikropipety.
Przenieś 200 mikrolitrów 4,14-molowego roztworu tlenku deuteru z fluorku amonu do zawiesiny DMSO-d6 proszku MOF za pomocą mikropipety. Sonikować niejednorodną mieszaninę przez 30 minut, aż MOF rozpuści się w mieszaninie rozpuszczalnika z tlenku deuteru dimetylosulfotlenku deuteru po roztrawieniu. Po zakończeniu usuń wszelkie pozostałe nierozpuszczalne ciała stałe, filtrując roztwór przez filtr strzykawkowy z polifluorku winylidenu, przenosząc go z czteromililitrowej fiolki do probówki magnetycznego rezonansu jądrowego.
Aby określić powodzenie wymiany, zmierzono wzorce dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego w proszku i porównano je z nieskazitelnym UiO-66 MOF pod kątem krystaliczności. Położenie pików odbicia, względna intensywność i szerokość we wzorcach dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego w proszku wymienianych UiO-66-triazolu i UiO-66-tetrazolu pasowało do nieskazitelnych MOF UiO-66, co wskazuje, że wymiana ligandów nie wpłynęła na strukturę szkieletu. Współczynniki wymiany określono przez porównanie integracji niefunkcjonalizowanego BDC i BDC-triazolu lub BDC-tetrazolu.
Stwierdzono, że współczynniki wymiany triazolu i tetrazolu wynoszą odpowiednio 33% i 30% z postsyntetycznej analizy wymiany ligandów.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Niniejsze badanie koncentruje się na funkcjonalizacji metaloorganicznych struktur (MOFs) za pomocą post-syntetycznej wymiany ligandów (PSE). W szczególności skupia się na włączeniu grup funkcyjnych triazolu i tetrazolu do Zr-MOFs za pomocą tej wszechstronnej techniki.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Nauki o materiałach
- Chemia
Tło
- Metaloorganiczne struktury (MOFs) to porowate materiały z potencjalnymi zastosowaniami w różnych dziedzinach.
- Funkcjonalizacja MOFs może poprawić ich właściwości i rozszerzyć ich użyteczność.
- Post-syntetyczna wymiana ligandów (PSE) to metoda stosowana do modyfikacji składu chemicznego MOFs.
- Heterocykle takie jak triazol i tetrazol są znane ze swoich zdolności koordynacyjnych.
Cel badania
- Zbadanie włączenia grup funkcyjnych do MOFs.
- Wykazanie skuteczności PSE w modyfikacji Zr-MOFs.
- Zbadanie potencjału ligandów triazolu i tetrazolu w tym kontekście.
Zastosowane metody
- Technika post-syntetycznej wymiany ligandów (PSE).
- Ekspozycja Zr-MOFs na roztwory zawierające funkcjonalizowane ligandy.
- Proces wymiany stały-roztwór dla instalacji ligandów.
- Charakteryzacja zmodyfikowanych MOFs w celu oceny sukcesu funkcjonalizacji.
Główne wyniki
- Udane włączenie grup funkcyjnych triazolu i tetrazolu do Zr-MOFs.
- Wykazanie PSE jako skutecznej metody wymiany ligandów.
- Poprawione właściwości MOFs dzięki obecności koordynujących grup azotowych.
- Potencjalne zastosowania funkcjonalizowane MOFs w różnych dziedzinach nauki.
Wnioski
- PSE jest potężnym narzędziem do modyfikacji MOFs z grupami funkcyjnymi.
- Ligandy triazolu i tetrazolu mogą być wydajnie włączone do Zr-MOFs.
- To badanie kładzie podwaliny pod dalsze badania funkcjonalizowane MOFs w zakresie badań i zastosowań.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Post-synthetic ligand exchange (PSE) enables rapid functionalization of Zr-based metal-organic frameworks (MOFs) with triazole and tetrazole groups, supporting modular design of advanced materials for pharmaceutical R&D. This approach allows precise control over ligand incorporation, facilitating the creation of MOFs with tailored chemical properties for screening and analytical workflows. The ability to introduce thermally unstable or sensitive ligands at room temperature expands the toolkit for developing next-generation materials relevant to drug discovery and analytical sciences.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Facilitates the generation of MOFs with specific functional groups for mechanistic studies and target engagement assays.
- Enables biological de-risking by allowing controlled installation of diverse ligands for pathway interrogation.
- Supports predictive confidence in material performance through quantitative ligand exchange ratios.
Screening & Assay Development
- Provides a platform for preparing MOFs with reproducible and tunable surface chemistries for assay development.
- Ensures assay standardization by maintaining framework crystallinity post-exchange, as confirmed by X-ray diffraction.
- Delivers quantitative outputs on ligand incorporation, supporting reliable compound evaluation and screening readiness.
Translational & Preclinical Research
- Enables the design of MOFs with functional tags for potential use in analytical or diagnostic workflows.
- Supports continuity from material synthesis to preclinical evaluation by preserving framework integrity after modification.
- Provides mechanistic de-risking through robust characterization of ligand exchange and framework stability.
Pipeline & Workflow Integration
PSE-functionalized MOFs fit within the discovery-to-preclinical continuum by enabling rapid prototyping of materials for screening, analytics, and mechanistic studies.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling installation of diverse functional groups.
- Screening: Delivers assay-ready materials with reproducible and quantifiable ligand incorporation.
- Analytics: Provides robust readouts via NMR and X-ray diffraction for comparing material modifications.
- Translational Research: Maintains framework stability, supporting downstream analytical or diagnostic applications.
- Enterprise Reuse: Offers a modular, reusable platform for functionalizing MOFs with a range of ligands.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in material design.
- Operational Value: Enables standardized, reproducible, and scalable functionalization workflows.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital efficiency by providing quantitative modification data.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of material candidates for further development.
Implementation Considerations
- Requires expertise in MOF synthesis, ligand chemistry, and analytical characterization.
- Needs access to instrumentation such as powder X-ray diffraction and NMR spectroscopy.
- Demands cross-team standardization for reproducible ligand exchange and quantification.
- Adaptable to various ligand types, but exchange ratios and framework stability must be validated for each system.
- Practical limitations include competition between ligand types and the need for robust analytical confirmation.
