Summary
De gerichte synthese van nieuwe metaal-organische raamwerken (MOF's) is moeilijk en hun ontdekking hangt af van de kennis en creativiteit van de chemicus. Met methoden met hoge doorvoer kunnen complexe synthetische parametervelden snel en efficiënt worden verkend, waardoor het proces van het vinden van kristallijne verbindingen en het identificeren van synthetische en structurele trends wordt versneld.
Abstract
High-throughput (HT) methoden zijn een belangrijk hulpmiddel voor de snelle en efficiënte screening van syntheseparameters en de ontdekking van nieuwe materialen. Dit manuscript beschrijft de synthese van metaal-organische raamwerken (MOFs) uit oplossing met behulp van een HT-reactorsysteem, resulterend in de ontdekking van verschillende op fosfonaat gebaseerde MOFs van de samenstelling [Al2 H 12-x(PMP)3]Cl x∙6H2O (H 4 PMP = N,N '-piperazine bis(methyleenfosfonzuur)) voorx =4, 6, aangeduid als Al-CAU-60-xHCl, met driewaardige aluminiumionen. Dit werd bereikt onder solvotherme reactieomstandigheden door systematisch de impact van de molaire verhouding van de linker tot het metaal en de pH van het reactiemengsel op de productvorming te screenen. Het protocol voor het HT-onderzoek omvat zes stappen: a) syntheseplanning (DOE = ontwerp van experiment) binnen de HT-methodologie, b) dosering en werken met in eigen huis ontwikkelde HT-reactoren, c) solvotherme synthese, d) synthese-workup met behulp van in-house ontwikkelde filtratieblokken, e) karakterisering door HT-poeder röntgendiffractie en f) evaluatie van de gegevens. De HT-methodologie werd voor het eerst gebruikt om de invloed van de zuurgraad op de productvorming te bestuderen, wat leidde tot de ontdekking van Al-CAU-60∙xHCl (x = 4 of 6).
Introduction
Metaal-organische raamwerken (MOF's) zijn poreuze, kristallijne verbindingen waarvan de structuren bestaan uit metaalhoudende knopen, zoals metaalionen of metaal-zuurstofclusters, die verbonden zijn door organische moleculen (linkers)1. Door zowel de metaalhoudende knopen als de linker te variëren, kan een verscheidenheid aan verbindingen worden verkregen die een breed scala aan eigenschappen vertonen en daarom potentiële toepassingen hebben op verschillende gebieden1.
De stabiliteit van een materiaal is belangrijk voor de toepassingervan 1,2,3. Daarom zijn MOFs die tri- of tetravalente metaalionen bevatten, zoals Al 3+, Cr3+, Ti 4+, of Zr4+, met carboxylaat2 of fosfonaat4 linker moleculen de focus geweest van vele onderzoeken5,6,7. Naast de directe synthese van stabiele MOF's, is de verbetering van de stabiliteit door postsynthetische modificaties en de vorming van composieten een aandachtsgebied2. Op fosfonaat gebaseerde MOFs zijn minder vaak gemeld in vergelijking met op carboxylaat gebaseerde MOFs8. Een van de redenen is de hogere coördinatieflexibiliteit van de CPO3 2-groep in vergelijking met de -CO 2-groep, wat vaak leidt tot de vorming van dichte structuren en een grotere structurele diversiteit 8,9,10,11. Bovendien moeten fosfonzuren vaak worden gesynthetiseerd, omdat ze zelden op de markt verkrijgbaar zijn. Hoewel sommige metaalfosfonaten een uitzonderlijke chemische stabiliteit vertonen10, is systematische toegang tot isoretulaire metaalfosfonaat-MOF's, die de afstemming van eigenschappen mogelijk maakt, nog steeds een onderwerp van hoge relevantie12,13. Verschillende strategieën voor de synthese van poreuze metaalfosfonaten zijn onderzocht, zoals het opnemen van defecten in anders dichte lagen, bijvoorbeeld door fosfonaat gedeeltelijk te vervangen door fosfaatliganden 4,14. Omdat defecte structuren echter slecht reproduceerbaar zijn en de poriën niet uniform zijn, zijn er andere strategieën ontwikkeld. In de afgelopen jaren is het gebruik van sterisch veeleisende of orthogonale fosfonzuren als linkermoleculen naar voren gekomen als een geschikte strategie voor de bereiding van poreuze metaalfosfonaten 4,8,10,11,13,15,16,17,18 . Een universele syntheseroute voor poreuze metaalfosfonaten is echter nog niet ontdekt. Als gevolg hiervan is de synthese van metaalfosfonaten vaak een proces van vallen en opstaan, waarvoor het onderzoek van vele syntheseparameters vereist is.
De parameterruimte van een reactiesysteem omvat chemische en procesparameters en kan enorm zijn19. Het bestaat uit parameters zoals het type uitgangsmateriaal (metaalzout), molaire verhoudingen van grondstoffen, additieven voor pH-aanpassing, modulatoren, type oplosmiddel, oplosmiddelmengsels, volumes, reactietemperaturen, tijden, enz.19,20. Een matig aantal parametervariaties kan gemakkelijk resulteren in enkele honderden individuele reacties, waardoor een zorgvuldig overwogen syntheseplan en goed gekozen parameterruimte noodzakelijk zijn. Bijvoorbeeld een eenvoudige studie met behulp van zes molaire verhoudingen van de linker tot het metaal (bijv. M: L = 1: 1, 1: 2, ... tot 1:6) en vier verschillende concentraties van een additief en het constant houden van de andere parameter, leidt al tot 6 x 4 = 24 experimenten. Met behulp van vier concentraties, vijf oplosmiddelen en drie reactietemperaturen zouden de 24 experimenten 60 keer moeten worden uitgevoerd, wat resulteert in 1.440 individuele reacties.
High-throughput (HT) methoden zijn gebaseerd op de concepten van miniaturisatie, parallellisatie en automatisering, in verschillende mate, afhankelijk van de wetenschappelijke vraag die wordt behandeld19,20. Als zodanig kunnen ze worden gebruikt om het onderzoek van multiparametersystemen te versnellen en zijn ze een ideaal hulpmiddel voor de ontdekking van nieuwe verbindingen, evenals synthese-optimalisatie19,20. HT-methoden zijn met succes gebruikt op verschillende gebieden, variërend van medicijnontdekking tot materiaalkunde20. Ze zijn ook gebruikt voor het onderzoek van poreuze materialen zoals zeolieten en MOFs in solvotherme reacties, zoals onlangs samengevat20. Een typische HT-workflow voor solvotherme synthese bestaat uit zes stappen (figuur 1)19,20,21: a) selectie van de parameterruimte van belang (d.w.z. het ontwerp van experiment [DOE]), die handmatig of met behulp van software kan worden uitgevoerd; b) dosering van de reagentia in de vaten; c) solvotherme synthese; d) isolatie en work-up; e) karakterisering, die meestal wordt gedaan met poeder röntgendiffractie (PXRD); en f) gegevensevaluatie, die opnieuw wordt gevolgd door stap één.
Parallellisatie en miniaturisatie worden bereikt in solvotherme reacties door het gebruik van multiclaven, vaak gebaseerd op het gevestigde 96-well plaatformaatdat het meest wordt gebruikt in de biochemie en farmacie 19,20,22,23. Verschillende reactorontwerpen zijn gemeld en verschillende groepen hebben hun eigen reactoren gebouwd19,20. De reactorkeuze hangt af van het chemische systeem van belang, met name de reactietemperatuur, (autogene) druk en reactorstabiliteit19,20. Bijvoorbeeld, in een systematische studie van zeolitische imidazolaatkaders (ZIF's), Banerjee et al.25 gebruikte het 96-well glasplaatformaat om meer dan 9600 reacties uit te voeren24. Voor reacties onder solvotherme omstandigheden zijn aangepaste polytetrafluorethyleen (PTFE) blokken, of multiclaven met 24 of 48 individuele PTFE-inserts, onder andere beschreven door de Stockgroep19,20. Ze worden routinematig gebruikt, bijvoorbeeld bij de synthese van metaalcarboxylaten en fosfonaten. Als zodanig hebben Reinsch et al.25 rapporteerde de voordelen van de methodologie op het gebied van poreuze aluminium MOFs25. De in eigen huis gemaakte HT-reactorsystemen (figuur 2), waarmee 24 of 48 reacties tegelijkertijd kunnen worden bestudeerd, bevatten PTFE-inserts met een totaal volume van respectievelijk 2,655 ml en 0,404 ml (figuur 2A,B). Meestal wordt niet meer dan respectievelijk 1 ml of 0,1 ml gebruikt. Hoewel deze reactoren worden gebruikt in conventionele ovens, is microgolfondersteunde verwarming met behulp van SiC-blokken en kleine glazen vaten ook gemeld26.
De automatisering van studies leidt tot tijdsbesparing en verbeterde reproduceerbaarheid, omdat de invloed van de menselijke factor wordt geminimaliseerd20. De mate waarin automatisering is toegepast varieert sterk19,20. Volledig geautomatiseerde commerciële systemen, waaronder pipetteren 20 of wegingsmogelijkheden20, zijn bekend. Een recent voorbeeld is het gebruik van een vloeistofbehandelingsrobot om ZrMOFs te bestuderen, gerapporteerd door de groep Rosseinsky27. Geautomatiseerde analyse kan worden uitgevoerd door PXRD met behulp van een diffractometer uitgerust met een xy-trap. In een ander voorbeeld werd een plaatlezer gebruikt om solid-state katalysatoren, voornamelijk MOFs, te screenen op HT-screening van zenuwgasafbraak28. Monsters kunnen in één keer worden gekarakteriseerd zonder dat handmatige monster- of positiewijzigingen nodig zijn. Automatisering elimineert menselijke fouten niet, maar het vermindert de kans dat het optreedt 19,20.
Idealiter moeten alle stappen in een HT-workflow worden aangepast in termen van parallellisatie, miniaturisatie en automatisering om mogelijke knelpunten te elimineren en de efficiëntie te maximaliseren. Als het echter niet mogelijk is om een HT-workflow in zijn geheel op te zetten, kan het nuttig zijn om geselecteerde stappen / hulpmiddelen voor eigen onderzoek te gebruiken. Het gebruik van multiclaven voor 24 reacties is hier bijzonder nuttig. De technische tekeningen van de in eigen beheer gemaakte apparatuur die in deze studie (en andere) wordt gebruikt, worden voor het eerst gepubliceerd en zijn te vinden in Aanvullend Dossier 1, Aanvullend Dossier 2, Aanvullend Dossier 3 en Aanvullend Dossier 4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
In dit protocol wordt het HT-onderzoek van chemische systemen om nieuwe kristallijne materialen te ontdekken, met Al-CAU-6029 als voorbeeld, beschreven.
1. Ontwerp van experiment (DOE)
OPMERKING: De eerste stap is het opstellen van een syntheseplan, waarvoor kennis van de reactoropstelling (figuur 2), reactanten en gebruikte oplosmiddelen vereist is. Deze syntheseplanningsprocedure is aangepast aan het uitvoeren van 24 of 48 reacties onder een specifiek temperatuurtijdprogramma, waarvoor in eigen huis gemaakte stalen multiclaven worden gebruikt om 24 (figuur 2A) of 48 reacties (figuur 2B) tegelijk uit te voeren. De reactoren zijn in eigen huis gemaakte PTFE-inserts met een gebruikt reagens/oplosmiddelvolume van 1 ml (PTFE-reactor voor het uitvoeren van 24 reacties in de stalen multiclaaf) of 100 μL (PTFE-reactor voor het uitvoeren van 48 reacties in de stalen multiclaaf). De technische tekeningen van de reactoropstelling zijn te vinden in respectievelijk Aanvullend Dossier 1 en Aanvullend Dossier 2 .
- Bepaal eerst de parameterruimte die moet worden onderzocht. Neem daarom beslissingen over een eerste aantal reacties, metaalbron en linkermolecuul, evenals het gebruik van additieven en oplosmiddelen.
- Voer voor het gekozen voorbeeld van Al-CAU-60 24 reacties uit met AlCl3∙6H2O als metaalbron en N , N′-piperazine-bis (methyleenfosfonzuur) (H4PMP) als linkermolecuul. Gebruik bovendien waterige oplossingen van NaOH en HCl als additieven om de invloed van de pH van het reactiemengsel op de productvorming te bestuderen.1
OPMERKING: De keuze van parameters is meestal gebaseerd op gepubliceerde syntheseprocedures of principes op basis van fundamentele chemische kennis. Voor de succesvolle ontdekking van nieuwe materialen moet echter een bredere variatie van de reactieparameters worden toegepast (d.w.z. een zekere mate van diversiteit van de reactieparameters moet worden overwogen). Het aantal parameters dat moet worden gevarieerd en het type variaties kunnen op verschillende principes worden gebaseerd. In de eenvoudigste vorm hoeft slechts één parameter tegelijk te worden gewijzigd. Een vaste metaalzoutconcentratie in combinatie met variërende linkermolecuulconcentraties kan bijvoorbeeld worden gebruikt om verschillende linker-metaalverhoudingen te onderzoeken. Het onderzoek kan echter ook verschillende molaire verhoudingen van de linker tot het metaal en andere oplosmiddelen of additieven gebruiken. De toegankelijke parameterruimte wordt beperkt door de oplosbaarheid van de grondstoffen (hoeveelheid en type oplosmiddel) in gevallen waarin alleen oplossingen worden gebruikt21. De dosering van vaste stoffen breidt de toegankelijke parameterruimte20 uit.
- Voer voor het gekozen voorbeeld van Al-CAU-60 24 reacties uit met AlCl3∙6H2O als metaalbron en N , N′-piperazine-bis (methyleenfosfonzuur) (H4PMP) als linkermolecuul. Gebruik bovendien waterige oplossingen van NaOH en HCl als additieven om de invloed van de pH van het reactiemengsel op de productvorming te bestuderen.1
- Geef de parameterruimte op. Kies en bereken hiervoor hoeveelheden grondstoffen (molaire verhoudingen) en oplosmiddelvolumes.
- Voor het gekozen voorbeeld van Al-CAU-60, varieer de molaire verhouding van H 4 PMP tot Al 3 + tussen 4: 1 en 0,3: 1 in zes stappen:4: 1, 3: 1, 2: 1, 1: 1, 0,5: 1,0,3: 1. Voer alle zes syntheses uit met verschillende additieve verhoudingen; bestudeer één molaire verhouding van NaOH tot Al 3+ (1:1) en twee molaire verhoudingen van HCl tot Al3+ (20:1 en 40:1), evenals één zonder toevoeging. Gebruik een spreadsheet om de hoeveelheden grondstoffen te berekenen die hiervoor nodig zijn, die te vinden zijn in de aanvullende informatie.
2. Dosering en solvotherme synthese
- Bereid de stamoplossingen in een zuurkast door het standaardprotocol te volgen voor het bereiden van voorraadoplossingen van de reagentia.
LET OP: H4PMP, AlCl3∙6 H2O, HCl en NaOH zijn bijtende stoffen, die ernstige brandwonden op de huid en oogbeschadiging bij contact veroorzaken. Draag persoonlijke beschermingsmiddelen bij het werken met deze stoffen.- Bereid voor het gekozen voorbeeld van Al-CAU-60 de volgende reagentia volgens de spreadsheet in de ondersteunende informatie (aanvullende tabel 1): zoutzuuroplossing met een concentratie van 10 mol/l, natriumhydroxideoplossing met een concentratie van 1 mol/l en een AlCl3∙6H2O-oplossing met een concentratie van 1 mol/l.
OPMERKING: Productvorming kan ook afhankelijk zijn van de aggregatiestatus van de toegevoegde reagentia. Voor vaste stoffen kan de deeltjesgrootte een effect hebben vanwege de oplossnelheid. Aan het begin van het onderzoek moet worden besloten of vaste stoffen of oplossingen worden gebruikt om systematische evaluatie mogelijk te maken.
- Bereid voor het gekozen voorbeeld van Al-CAU-60 de volgende reagentia volgens de spreadsheet in de ondersteunende informatie (aanvullende tabel 1): zoutzuuroplossing met een concentratie van 10 mol/l, natriumhydroxideoplossing met een concentratie van 1 mol/l en een AlCl3∙6H2O-oplossing met een concentratie van 1 mol/l.
- Plaats de schijven in de bemonsteringsplaat (figuur 3A).
- Breng reagentia, additieven en oplosmiddelen over in de PTFE-inzetstukken (figuur 3B).
- Voeg voor het gekozen voorbeeld van Al-CAU-60 eerst de linker H4PMP als vaste stof toe aan de PTFE-inzetstukken en voeg vervolgens de aluminiumchlorideoplossing, het gedemineraliseerde water en de oplossing van additieven (NaOH of HCl) toe met een pipet in overeenstemming met de waarden die zijn berekend in de spreadsheet in de ondersteunende informatie (aanvullende tabel 1).
OPMERKING: De volgorde waarin de PTFE-inzetstukken worden gevuld, kan ook van invloed zijn op de productvorming; Daarom moet de volgorde van de grondstoffen van tevoren worden gekozen en gedurende het hele onderzoek hetzelfde worden gehouden om een systematische evaluatie mogelijk te maken.
- Voeg voor het gekozen voorbeeld van Al-CAU-60 eerst de linker H4PMP als vaste stof toe aan de PTFE-inzetstukken en voeg vervolgens de aluminiumchlorideoplossing, het gedemineraliseerde water en de oplossing van additieven (NaOH of HCl) toe met een pipet in overeenstemming met de waarden die zijn berekend in de spreadsheet in de ondersteunende informatie (aanvullende tabel 1).
- Plaats de gevulde PTFE-inzetstukken in de bemonsteringsplaat.
- Markeer de grondplaat van de reactor op een manier die de identificatie van de PTFE-inzetstukken later mogelijk maakt. Steek de monsterplaat met de gevulde PTFE-inzetstukken in de grondplaat van de reactor (figuur 3C).
- Bereid twee PTFE-platen (met een dikte van 0,1 mm) voor om de monsterplaten te bedekken.
- Plaats de PTFE-vellen op de bemonsteringsplaat (figuur 3D).
- Zorg ervoor dat de PTFE-plaat correct is gepositioneerd en past op de kopplaat met behulp van de geleidingspennen (figuur 3E), voeg de schroeven toe en draai ze met de hand vast.
- Sluit de aanvankelijk gesloten reactor af met behulp van bijvoorbeeld een mechanische of hydraulische pers (figuur 4A), ver genoeg dat de veerbelaste drukstukken nog 2 mm vrije ruimte hebben (figuur 4B). Draai vervolgens de schroeven opnieuw met de hand vast (figuur 4C). Houd er rekening mee dat te strak aandraaien de multiclaven kan beschadigen (buigen).
- Plaats de multiclaaf in een programmeerbare geforceerde heteluchtoven (figuur 4D) en stel vervolgens het geselecteerde temperatuurtijdprogramma in en start het. Het is raadzaam om een heteluchtoven te gebruiken om een uniforme verwarming te garanderen.
- Voor de ontdekking van Al-CAU-60 stelt u het volgende temperatuur-tijdprogramma in: Verwarm de oven tot 160 °C in 12 uur, handhaaf de doeltemperatuur gedurende 36 uur en koel af tot kamertemperatuur (RT) in 12 uur.
OPMERKING: De keuze van het temperatuur-tijdprogramma kan van invloed zijn op de productvorming30. Dit omvat de gevormde fasen, maar vaker de kristalgrootte en morfologie30.
- Voor de ontdekking van Al-CAU-60 stelt u het volgende temperatuur-tijdprogramma in: Verwarm de oven tot 160 °C in 12 uur, handhaaf de doeltemperatuur gedurende 36 uur en koel af tot kamertemperatuur (RT) in 12 uur.
3. Isolatie en work-up
- Haal de multiclaaf uit de oven als de temperatuur op kamertemperatuur komt.
- Plaats de multiclaaf bijvoorbeeld in een mechanische of hydraulische pers en druk deze voorzichtig samen totdat de schroeven met de hand kunnen worden losgemaakt (figuur 5A).
- Plaats de multiclaaf in een zuurkast en verwijder de kopplaat van de reactor, verwijder vervolgens de PTFE-platen en verwijder de monsterplaat met de PTFE-inzetstukken van de grondplaat van de reactor (figuur 5B).
- Inspecteer de PTFE-inzetstukken en controleer op kristallen (figuur 5C). Isoleer, indien aanwezig, sommigen van hen samen met wat moederlikeur.
- Monteer vervolgens het interne filtratieblok met hoge doorvoer (figuur 6A): sluit het filterblok aan op een vacuümpomp via twee wasflessen en plaats twee filterpapier tussen twee siliconen afdichtingsmatten met de bijbehorende uitsparingen (figuur 6B-D) in het filterblok. Plaats het PTFE-vulblok erop en zorg ervoor dat de juiste uitsparingen overeenkomen met de afdichtingsmatten en het filterblok (figuur 6E). Draai de lagen vast met behulp van het klemframe, dat op zijn plaats wordt gehouden door vier bouten. Om het apparaat goed af te dichten, gebruikt u vleugelmoeren op de bouten en draait u deze met de hand vast (figuur 6F).
OPMERKING: De technische tekeningen van het filterblok zijn weergegeven in de ondersteunende informatie (aanvullend dossier 3). Als er geen filterblok beschikbaar is, kunnen de producten ook afzonderlijk worden gefilterd. - Sluit de uitsparingen van het vulblok die niet met pluggen moeten worden gevuld (figuur 6F).
- Sluit later in het proces de uitsparingen af die al zijn afgetapt. Hierdoor kunnen ook de andere putten worden gedraineerd.
- Zet de membraanvacuümpomp aan en stel deze in op een modus waarin deze naar het best mogelijke vacuüm (5-12 mbar) wordt gepompt.
- Breng met behulp van wegwerppipetten de inhoud van de PTFE-inzetstukken over in de daarvoor bestemde putjes van het vulblok (figuur 7A).
OPMERKING: Als schadelijke oplosmiddelen (bijv. dimethylformamide) worden gebruikt, moeten de producten worden gewassen met ethanol of een ander minder toxisch en vluchtiger oplosmiddel om contact met schadelijke stoffen tijdens de volgende stappen te verminderen. - Nadat alle inzetstukken leeg zijn, kijk je nog eens naar kristallen en isoleer je ze als die er zijn (figuur 7B). OPMERKING: Het wordt aanbevolen om een optische microscoop te gebruiken met de mogelijkheid om verschillende vergrotingen te gebruiken om de grootte van de kristallieten te bepalen.
- Demonteer het filterblok voorzichtig zodra alle putten zijn leeggemaakt (figuur 7C).
- Een zogenaamde "productbibliotheek" is nu beschikbaar op het filterpapier (figuur 7D).
- Droog de productbibliotheek door deze aan de lucht te laten drogen in een zuurkast; in het geval van niet-toxische en niet-corrosieve oplosmiddelen kunnen de PXRD-metingen worden uitgevoerd met natte producten.
4. Karakterisering
OPMERKING: Voor de ontdekking van nieuwe kristallijne verbindingen worden de verkregen producten gekenmerkt door HT-PXRD. Nieuwe kristallijne fasen worden geïdentificeerd en gebruikt voor verdere karakterisering. Het werken met de poeder röntgendiffractometer volgt een standaardprocedure, die te vinden is in de gebruiksaanwijzing. Een standaard poeder X-ray diffractometer kan ook worden gebruikt, wat de karakterisering vervelender maakt.
- Plaats de productbibliotheek tussen twee metalen platen (basisplaat en afdekplaat; Figuur 7E en aanvullend dossier 4) op een zodanige wijze dat de uitsparingen in de platen overeenkomen met de productlocaties om onderzoek door PXRD mogelijk te maken. Lijn de platen voorzichtig uit en zet ze vast met twee schroeven (figuur 7F).
- Plaats de productbibliotheek in de monsterhouder van de diffractometer (figuur 8A,B).
OPMERKING: Voor andere monsterhouders kunnen andere beugels nodig zijn. Raadpleeg de gebruikershandleiding voor meer informatie. - Plaats de geladen monsterhouder voorzichtig in de xy-trap van de diffractometer en sluit het instrument (figuur 8C).
- De diffractometer wordt aangestuurd via WinXPOW software31. Stel in het venster Diffractometerregeling de meetmodus in door op het menu Bereiken te klikken en Scanmodus te kiezen. Er wordt een nieuw venster geopend; kies hierin Scanmodus: Transmissie, PSD-modus: Bewegen, Scantype: 2Theta en Omega-modus: Vast en bevestig het dialoogvenster.
- Om de meetparameters in te stellen, klikt u op het menu Bereiken en kiest u Scanbereik.
- Er wordt een nieuw venster geopend; klik hierin op het Plus-pictogram en bewerk de weergegeven standaardinstellingen door erop te dubbelklikken.
- Om de productbibliotheek te karakteriseren, voert u een korte meting van 4 minuten uit van elk monster met de volgende instellingen: (a) 2Theta (begin, einde): 2, 47 , (b) stap: 1.5, (c) tijd / PSD Stap [s]: 2, (d) Omega: 0. Bevestig beide dialoogvensters.
- Om de monsters te kiezen die op de xy-fase moeten worden gemeten, klikt u op het menu Bereiken en kiest u Scangebruik.
- Er wordt een nieuw venster geopend; stel hierin het scangebruik in op Meerdere voorbeelden en vink de optie Individuele bereiken / bestanden aan.
- Klik vervolgens op de knop Bereiken / Bestanden; Er wordt een nieuw venster ("HT_Editor") met 48 selecteerbare voorbeeldposities geopend. Selecteer alle posities met monsters op de monsterplaat door op de positie te klikken met de toets 'control' ingedrukt.
- Om de posities te activeren, klikt u met de rechtermuisknop op Meetvoorbeelden. Bevestig beide dialoogvensters.
- Sla de bestanden op door in het menu op Bestand te klikken en Opslaan als te kiezen. Nadat u een map en een bestandsnaam hebt gekozen, klikt u op de knop Opslaan .
- Start de meting door in het menu op Meten te klikken en kies het eerste item, Gegevensverzameling. Er wordt een nieuw venster geopend; klik op de knop Ok om de meting te starten.
OPMERKING: De standaardinstellingen en de procedure voor het kalibreren van de diffractometer moeten uit de gebruikershandleiding worden gehaald. De keuze van de meetparameters (scanhoek, stapgrootte, tijd per scanstap) is ook afhankelijk van de dichtheid van het materiaal, het gewicht van de diffracterende atomen, enz., En moet mogelijk worden aangepast. Absorptie van de röntgenstralen kan een probleem zijn als er te veel monster wordt gevormd en zware elementen worden gebruikt.
5. Evaluatie van de gegevens
OPMERKING: Er wordt een interne procedure gebruikt om de gegevens te evalueren; Andere procedures zijn denkbaar. De PXRD-gegevens worden verkregen in het bestandsformaat ".raw". Om de diffractogrammen in andere software te evalueren, moet dit bestandsformaat bijvoorbeeld worden geconverteerd naar het bestandsformaat ".xyd".
- Open de WinXPOW-software 31. Als u de röntgendiffractogrammen van poeder wilt openen, gebruikt u het menu Onbewerkte gegevens en kiest u Verwerking van onbewerkte gegevens. Er wordt een nieuw venster geopend.
- Klik op het pictogram voor Batch openen en selecteer alle bestanden via Bestanden toevoegen. Nadat u alle bestanden hebt geselecteerd, klikt u op Openen en bevestigt u met Ok.
- Normaliseer de intensiteiten tot een maximale waarde van 10.000 door op de bereiken te klikken en Intensiteiten aanpassen te kiezen; Er wordt een nieuw venster geopend. Kies de optie Normalize Intensities to max. Int . en schrijf 10000. Klik op OK.
OPMERKING: WinXPOW-software31 overschrijft de onbewerkte gegevens wanneer de gegevens worden gewijzigd; Zorg ervoor dat u aan kopieën van de gegevens werkt. - Exporteer de bestanden via het pictogram Exporteren in een bestandsindeling die geschikt is voor evaluatieprogramma's. Kies een uitvoermap en gebruik de X/Y-bestandsindeling . Klik op OK om het exporteren te voltooien.
- Geef de PXRD-gegevens weer in een gestapelde of gescheiden weergave in een geschikt programma. Identificeer de meest kristallijne producten door het aantal reflecties, halve breedtes (volledige breedte bij half maximum [FWHM]) en signaal-ruisverhouding te onderzoeken.
OPMERKING: Voor een eerste analyse kan ook WinX POW-software31 met de subroutine Graphics en de Search andMatch-functieworden gebruikt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De PXRD-gegevens zijn weergegeven in figuur 9. Voor de eerste evaluatie worden de verkregen resultaten gekoppeld aan de syntheseparameters van de onderzochte parameterruimte. Het onderzoek werd uitgevoerd met behulp van zes verschillende molaire verhoudingen van linker tot metaal en vier verschillende molaire verhoudingen van NaOH/HCl tot Al3+. Door deze informatie te koppelen aan de verkregen PXRD-gegevens (figuur 9), kan worden gezien dat producten met een lage kristalliniteit werden verkregen uit syntheses met een molaire verhouding van NaOH:Al3+ van 1:1 (serie A1 tot A6) en bij afwezigheid van NaOH of HCl (serie C1 tot en met C6). Dit komt tot uiting in het kleine aantal reflecties, de hoge signaal-ruisverhouding en de grote halve breedte (FWHM) van de reflecties. Het aantal en de positie van de reflecties variëren in de individuele poederpatronen, wat de vorming van verschillende producten of fasemengsels aangeeft. Binnen deze reeksen tonen met name de syntheses bij gemiddelde of lage molaire verhoudingen van linker tot metaal (2:1, 1:1, 0,5:1) producten met een hogere kristalliniteit.
In de reacties die worden uitgevoerd bij de twee hoogste molaire verhoudingen van HCl:Al3+ van 20:1 en 40:1, worden zeer vergelijkbare reactieproducten gevormd. Kijkend naar de gegevensreeksen E1 tot E6 (HCl:Al3+ = 20:1), worden lagere signaal-ruisverhoudingen waargenomen in de PXRD-gegevens van de producten bereid met een hoge molaire verhouding van linker tot metaal. Bovendien vertonen de diffractiepatronen van de verkregen producten met een lagere molaire verhouding van linker tot metaal (E5 en E6) extra reflecties, wat wijst op de aanwezigheid van een andere fase of een fasemengsel. Bij het analyseren van de G1 tot G6 reeks (HCl:Al3+ = 40:1) wordt in alle reacties dezelfde kristallijne fase verkregen. Ook hier neemt de signaal-ruisverhouding toe met afnemende molaire verhoudingen van linker tot metaal.
In de volgende stap worden de PXRD-patronen met de hoogste signaal-ruisverhouding en de kleinste halve breedtes (hier voorbeeld G1 uit de series E1 tot E6 en G1 tot G6) vergeleken met berekende poederpatronen. Om dit te doen, kunnen kristallografische databases worden doorzocht naar verbindingen met hetzelfde linkermolecuul. De MOF-subset van de CSD-database van de CCDC kan bijvoorbeeld worden gebruikt32. De CSD-database kan worden doorzocht met behulp van het ConQuest33-programma of rechtstreeks vanaf de CCDC-website32. Het gebruik van ConQuest33maakt het onder andere mogelijk om het zoeken te beperken tot MOF-deelverzamelingen en verder tot kristalstructuren, die bijvoorbeeld bepaalde elementen of functionele groepen bevatten of expliciet niet bevatten. In dit geval zijn verbindingen die een driewaardig metaalion en het linkermolecuul bevatten van belang, en Al-MIL-9134 is een interessante verbinding. Het overeenkomende item wordt gedownload en een PXRD-patroon wordt berekend in de WinXPOW-software31. In figuur 10 wordt het berekende PXRD-patroon van Al-MIL-91 vergeleken met de gemeten PXRD-patronen. Door de reflectieposities te vergelijken, kunnen enkele poederpatronen worden geïdentificeerd, waarin reflecties verschijnen die kunnen worden toegewezen aan Al-MIL-91 (figuur 10; bijvoorbeeld; A4), maar niet als een zuivere fase in een synthese. De PXRD-patronen van producten die worden verkregen met HCl als additief verschillen volledig van die van MIL-91 en andere verbindingen die het linkermolecuul bevatten. Deze informatie is samengevat in figuur 11, die een detectiebibliotheek kan worden genoemd. Tabel 1 geeft een overzicht van de molaire verhoudingen van de reagentia, de concentraties van de oplossingen, de gebruikte volumes en de hoeveelheid linker. Een vereenvoudigde vorm van de experimentele tabel en het kleurenschema met alleen de molaire verhoudingen is weergegeven in respectievelijk tabel 2 en aanvullende figuur 1.
PXRD-patronen van monsters verkregen met NaOH als additief (A1 tot A6) of de afwezigheid van een additief (C1 tot C6) zijn niet geschikt voor het identificeren van duidelijke reactietrends. Toch kan men met ervaring wat informatie extraheren. Bijvoorbeeld: a) dezelfde PXRD-patronen worden waargenomen voor het product in de A- en C-serie (bijv. A2 en C2), en b) fasemengsels worden gevonden (A3 kan een mengsel van A2 en A4 zijn en C3 kan een mengsel van C2 en C4 zijn). Daarom moet in de volgende stap van het onderzoek de parameterruimte zodanig worden gewijzigd dat kleinere stappen in de variatie van de molaire verhoudingen van ligand tot metaal tot additief worden gebruikt.
Samenvattend zijn er duidelijke trends te zien in de reeks syntheses die zijn uitgevoerd met HCl als additief. Een teveel aan de linker (molaire verhouding van de linker tot metaal van 4:1) en een hoge molaire verhouding van HCl tot metaal (40:1) leiden tot een nieuwe, sterk kristallijne verbinding. Verder onderzoek stelde ons in staat om enkelvoudige kristallen te verkrijgen die geschikt waren voor röntgendiffractie met één kristal, wat leidde tot de structurele opheldering van de nieuwe verbinding.
Uit de hier gepresenteerde resultaten is een sleutelfactor voor het succesvolle gebruik van HT-methoden de verstandige selectie van de te onderzoeken parameterruimte en de koppeling van het ontwerp van het experiment (parameterruimte) aan de karakteriseringsgegevens.
Figuur 1: De stappen in een HT-workflow. 1) DOE, het selecteren van de parameterruimte van belang; 2) dosering van de reagentia; 3) solvotherme synthese; 4) isolatie en workup; 5) karakterisering, wat meestal wordt gedaan met PXRD; 6) gegevensevaluatie, die opnieuw wordt gevolgd door stap 1. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: De afzonderlijke onderdelen van de apparatuur aan de linkerkant en het geassembleerde apparaat aan de rechterkant. (A) De in eigen huis gebouwde HT-reactor voor 24 reacties bestaat uit een basisplaat geflankeerd door twee geleidepennen aan de korte zijden en heeft een uitsparing waarin de monsterplaat is verzonken om de 24 PTFE-inzetstukken vast te houden; kan worden ingevoegd. De ondersteunende informatie bevat de technische tekeningen (Aanvullend Dossier 1). (B) De eigen gemaakte stalen multiclaven voor 48 syntheses. Het ontwerp is in principe identiek aan dat van de 24-reactiereactor. De ondersteunende informatie bevat technische tekeningen (Aanvullend Dossier 2). C) het in eigen huis vervaardigde filtratieblok voor de filtratie van 48 reactiemengsels; De afzonderlijke onderdelen worden aan de linkerkant weergegeven en het geassembleerde filterblok bevindt zich aan de rechterkant. De ondersteunende informatie bevat de technische tekening (Aanvullend Dossier 3). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Assemblage van de HT-reactor . (A) In totaal worden 24 schijven met een hoogte van 2 mm in de bemonsteringsplaat geplaatst om de gaten af te dekken. Hierdoor passen de PTFE-inzetstukken correct en zijn ze gemakkelijk verwijderbaar. (B) Na het vullen van de PTFE-insert met de vaste stof worden de oplossingen toegevoegd met behulp van pipetten. Vervolgens wordt de reactor geassembleerd. (C) De monsterplaat met de PTFE-inzetstukken wordt in de basisplaat geplaatst. De basisplaat is gemarkeerd om de PTFE-inzetstukken te identificeren (linksboven). D) De PTFE-platen worden op de bemonsteringsplaat geplaatst. (E) De kopplaat wordt bovenop de basisplaat geplaatst die de monsterplaat en twee PTFE-platen bevat. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Afdichten en plaatsen van de reactor in de heteluchtoven met geforceerde convectieoven . (A) De multiclaaf wordt in een pers geplaatst die net genoeg druk op de reactor uitoefent om 2 mm vrije ruimte (gemarkeerd met rode cycli) in de veerbelaste drukstukken over te laten. (B) In de pers wordt druk uitgeoefend op de reactor zodat de veerbelaste drukstukken 2 mm vrije ruimte hebben. (C) Nadat druk is uitgeoefend, worden de schroeven met de hand aangedraaid. D) De reactor wordt in de heteluchtoven geplaatst. Dit zorgt voor een gelijkmatige en continue verwarming. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Verwijderen van de multiclaaf en controleren op kristallen . (A) In de pers wordt de reactor onder druk gezet tot het punt waarop de schroeven met de hand kunnen worden losgemaakt. (B) De reactor wordt zorgvuldig gedemonteerd in de zuurkast. (C) De PTFE-inserts worden nu onderzocht op de aanwezigheid van kristallieten; Indien aanwezig, moeten deze worden geïsoleerd met wat moederlikeur. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Montage van het HT-filtratieblok . (A) Delen van het filterblok en de reactor. Twee filterpapieren worden gesneden om in het filterblok te passen. Het filterblok is ook aangesloten op de vacuümpomp. (B) In het filterblok wordt een afdichtingsmat (gemaakt van siliconen) geplaatst. (C) De twee filtreerpapieren worden op de afdichtingsmat geplaatst. (D) De tweede afdichtingsmat (gemaakt van siliconen) wordt in het filterblok geplaatst. (E) Het vulblok (gemaakt van PTFE) wordt bovenop de afdichtingsmatten in het filterblok geplaatst. (F) Een stalen frame wordt bovenop geplaatst en bevestigd met vleugelschroeven. Ongebruikte filteropeningen worden afgesloten met rubberen pluggen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Overbrengen van de inhoud van de PTFE-wisselplaten, demonteren van het filterblok en voorbereiden van de productbibliotheek voor karakterisering met behulp van PXRD. (A) De monsterhouder met de PTFE-inzetstukken wordt nu voor het filterblok geplaatst. Met behulp van wegwerppipetten wordt de inhoud van de PTFE-inzetstukken overgebracht naar de overeenkomstige gaten van het filterblok. (B) De PTFE-inserts worden een tweede keer onderzocht op niet-overgedragen kristallieten. (C) Het filterblok wordt nu zorgvuldig gedemonteerd. Er moet speciale zorg worden besteed aan het niet besmetten van de naburige monsters. Dit kan gebeuren als het filterblok niet verticaal wordt opgetild of als de helft van het filterpapier aan het filterblok blijft vastzitten. (D) De productbibliotheek op filtratiepapier. (E) De productbibliotheek wordt zorgvuldig uit het filterblok verwijderd en op een metalen plaat geplaatst (de ondersteunende informatie bevat technische tekeningen; Aanvullend dossier 4) op zo'n manier dat de gaten zijn uitgelijnd met de posities van de monsters. Twee schroeven worden gebruikt om het bovenste gedeelte aan de bodemplaat te bevestigen. (F) De productbibliotheek is nu bevestigd tussen twee metalen platen. De afzonderlijke reactieproducten konden nu een derde keer onder een lichtmicroscoop worden onderzocht op de aanwezigheid van kristallieten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: HT-PXRD meting. (A) Voor de HT-PXRD-meting wordt de productbibliotheek tussen de metalen platen (onder) met twee schroeven aan de monsterhouder (bovenkant) bevestigd. (B) Productbibliotheek in de HT-PXRD-monsterhouder. (C) Poeder X-ray diffractometer met een xy-trap. De röntgenbuis bevindt zich aan de onderkant en de detector bevindt zich linksboven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9: Gestapelde plot van alle gemeten PXRD-patronen. De diffractogrammen zijn gelabeld volgens tabel 1, die de molaire verhoudingen van de reagentia bevat. Informatie uit tabel 1 wordt toegevoegd als balken aan de rechterkant van het waarnemingspunt, met de nadruk op de additieven-blauw: NaOH; groen: geen additief; rood: HCl-in volgens het kleurenschema gebruikt in tabel 2. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 10: Vergelijking van de PXRD-patronen van de meest kristallijne fasen met het berekende PXRD-patroon van Al-MIL-9134. Balken aan de rechterkant van het perceel markeren de additieven die werden gebruikt - blauw: NaOH; groen: geen additief; rood: HCl (in overeenstemming met het kleurenschema in tabel 2). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 11: Ontdekkingsbibliotheek en de resultaten van de eerste HT-studie in het chemische systeem AlCl3∙6H 2 O/H4PMP/NaOH/HCl/H2O. De nummering volgt de nummering van de diffractometersoftware en komt overeen met tabel 1, figuur 9 en figuur 10. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Tabel 1: De molaire verhoudingen van de reagentia, concentraties van de oplossingen, gebruikte volumes en hoeveelheid linker. De volledige tabel is te vinden in de ondersteunende informatie (aanvullende tabel 1). Klik hier om deze tabel te downloaden.
Tabel 2: Een vereenvoudigde vorm van de experimentele tabel, die alleen de molaire verhoudingen toont. Syntheses 1-6 worden uitgevoerd met NaOH als additief (weergegeven als blauwachtige en witte strepen). Syntheses 7-12 vinden plaats zonder additief (groene en witte strepen) en syntheses 13-24 worden uitgevoerd met HCl als additief in twee verschillende molaire verhoudingen tot het metaal (beide met roodachtige en witte strepen). Klik hier om deze tabel te downloaden.
Aanvullende figuur 1: Kleurenschema dat de molaire verhoudingen weergeeft. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende tabel 1: De volledige tabel met de molaire verhoudingen, concentraties, gebruikte volumes en hoeveelheid linker die wordt gebruikt voor de bereiding van de reagentia. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 1: De technische tekeningen van de reactor met 24 reacties. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 2: De technische tekeningen van de reactor met 48 reacties. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 3: De technische tekeningen van het filterblok. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 4: De technische tekeningen van de monsterhouder voor HT-PXRD. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vanwege de complexiteit van de HT-methode worden de afzonderlijke stappen en de methode zelf in de volgende secties besproken. Het eerste deel behandelt de kritieke stappen voor elke werkstap van de HT-workflow (figuur 1), mogelijke wijzigingen en beperkingen van de techniek, indien van toepassing. Aan het einde wordt een algemene discussie gepresenteerd waarin ook de betekenis van de HT-methode met betrekking tot bestaande methoden en toekomstige toepassingen wordt opgenomen.
In de eerste stap van de HT-workflow, de DOE, moet men de relevante parameters voor het onderzoek goed kiezen om maximale informatie over een bepaald experiment te verkrijgen, omdat "een slecht ontworpen experiment slechte informatie zal geven met ongekende snelheid en in uitstekende hoeveelheid"35. Zodra de parameters zijn vastgesteld, wordt spreadsheetsoftware vaak gebruikt om de hoeveelheden grondstoffen en oplosmiddelmassa's en -volumes te berekenen. Kleine fouten, bijvoorbeeld in molaire massa's, formules, enz., Resulteren in een reeks onbedoelde reactieparameters: "als er iets is, moet de planning nog zorgvuldiger worden gedaan, omdat we nu de mogelijkheid hebben om sneller dan ooit de verkeerde kant op te gaan"35. De aanpassing van de HT-methodologie aan solvotherme syntheses met behulp van in eigen huis gemaakte multiclaven heeft enkele algemene beperkingen op de soorten experimenten die kunnen worden uitgevoerd. De werktemperatuur van de PTFE-wisselplaat is beperkt, niet alleen omdat PTFE een hoge kruip vertoont, maar ook vanwege degradatieprocessen36. Voor informatie over de maximale bedrijfstemperatuur moet de technische informatie van de PTFE-fabrikanten worden behandeld. Bovendien moet rekening worden gehouden met de autogene druk bij de reactietemperatuur of de vorming van vluchtige reactieproducten. De druk kan te hoog worden voor de afdichtingen en er kan lekkage optreden. Voor algemene beperkingen van de multiclaven moet de fabriek die de reactoren heeft gemaakt, worden ondervraagd. Toekomstige ontwikkelingen in de materiaalkunde kunnen de toegankelijke temperatuur- en drukbereiken van PTFE-vaten en multiclaven uitbreiden.
De tweede stap in de HT-workflow is het doseren van kleine hoeveelheden reagentia. Stamoplossingen met bepaalde concentraties moeten nauwkeurig worden bereid voordat de grondstoffen aan de reactievaten worden toegevoegd, aangezien kleine doseerfouten in combinatie met fouten in de dosering van kleine hoeveelheden kunnen leiden tot grote afwijkingen van de gespecificeerde molaire verhoudingen van de grondstoffen19,20. Het doseren van vaste stoffen op milligramschaal is zeer uitdagend en daarom moeten zeer nauwkeurige schalen worden gebruikt. Bovendien moeten afwijkingen van de gespecificeerde hoeveelheden (gedefinieerd in sectie 1) worden gedocumenteerd. De volgorde van dosering van de reagentia en oplosmiddelen moet altijd hetzelfde blijven. Alleen grondstoffen met een hoge zuiverheid mogen worden gebruikt en reagensoplossingen moeten vers worden bereid (of ten minste de dag van bereiding moet worden gedocumenteerd), omdat veroudering bijvoorbeeld kan leiden tot polycondensatiereacties of de precipitatie van metaalsoorten. In sommige gevallen is homogenisatie van de reactiemengsels verplicht, hoewel dit meestal niet wordt gedaan. De gemakkelijkste fout om te maken is om onvoorzichtig te zijn bij het vullen van de autoclaven; Omdat het erg eentonig kan zijn om twee of meer reactanten in verschillende hoeveelheden toe te voegen aan de 24 of 48 reactievaten, moet men zeer nauwkeurig en voorzichtig zijn. Automatisering met behulp van doseerrobots zou deze bron van fouten elimineren, maar de geschikte apparatuur is complex en daarom duur en vereist uitgebreid onderhoud.
De derde stap, de solvotherme synthese, leidt tot de vorming van de producten onder een bepaald temperatuur-tijdprogramma. De afzonderlijke PTFE-inserts, evenals de hele multiclaves binnen een systematische studie, moeten op dezelfde manier worden behandeld. Verschillende verouderingstijden (bijvoorbeeld door wachttijden tussen het assembleren van de autoclaven en het plaatsen ervan in de oven) kunnen van invloed zijn op de productvorming. Daarnaast kan de positie van de multiclaaf in de oven een rol spelen door temperatuurgradiënten in de oven. Dit is minder belangrijk in gevallen waarin geforceerde heteluchtovens worden gebruikt. Regelmatige kalibratie van de oven wordt ook geadviseerd. Met betrekking tot het temperatuur-tijdprogramma moet men in gedachten houden dat het uren duurt om de stalen multiclaven tot de vereiste reactietemperatuur te verwarmen, en daarom worden korte reactietijden van slechts enkele uren niet geadviseerd.
De vierde stap, productisolatie en workup, wordt handmatig uitgevoerd. Kruisbesmetting tijdens de filtratiestap kan leiden tot uitschieters in de trends die niet te verklaren zijn. Vooral bij het synthetiseren van poreuze materialen moeten de werkprocedures, inclusief het type oplosmiddelen voor het wassen of verschillende droogmethoden, gedurende het hele onderzoek hetzelfde worden gehouden. Men moet ook visueel de reactievaten inspecteren op kristallieten aan de onderkant van de wanden, omdat ze soms niet worden overgedragen in de filtratiestap.
De vijfde stap van de HT-workflow, productkarakterisering, wordt uitgevoerd op het reactieproduct uit rubriek 4. De identificatie van kristallijne fasen door PXRD en gegevenskwaliteit kan worden belemmerd door de hoeveelheid, morfologie en kristalliniteit van het product19,20. Kleine hoeveelheden resulteren in gegevens met een grote signaal-ruisverhouding, terwijl grote hoeveelheden kunnen leiden tot röntgenabsorptie, vooral wanneer het reactieproduct zware elementen bevat. De voorkeursoriëntatie kan een probleem zijn wanneer sterk anisotrope kristalvormen optreden, omdat dit leidt tot significante veranderingen in relatieve intensiteiten in het PXRD-patroon. Hetzelfde geldt voor grote kristallen, maar scherpe reflecties van hoge intensiteit zullen meestal worden waargenomen. Het is daarom raadzaam om de monsters onder een optische microscoop te inspecteren voordat de gegevens worden verzameld en het monster te vermalen als er grotere kristallen aanwezig zijn. Een ander aspect om te overwegen bij het vergelijken van het gemeten PXRD-patroon met die berekend op basis van bekende kristalstructuren uit een structurele database, is het feit dat sommige structuren mogelijk niet zijn gepubliceerd. Soms zijn structuren gepubliceerd met verschillende celparameters of voor verbindingen die verschillende oplosmiddelen of contra-ionen bevatten. Een zeldzaam geval dat specifiek is voor MOFs is hun mogelijke structurele flexibiliteit (d.w.z. de hoeveelheid en het type gastmolecuul leiden tot sterke veranderingen van het raamwerk), wat wordt weerspiegeld in grote veranderingen in de posities en relatieve intensiteiten in de PXRD-patronen. In deze gevallen moeten de monsters op dezelfde manier worden behandeld. Daarnaast zijn ook andere HT-karakteriseringsmethoden (katalytische reacties, gassorptiemetingen) gemeld, maar PXRD is verplicht voor de ontdekking van nieuwe kristallijne verbindingen.
De laatste stap van de HT-workflow is de gegevensevaluatie. Vanwege een grote hoeveelheid gegevens, in dit geval het aantal PXRD-patronen, is een zorgvuldige evaluatie verplicht, vooral wanneer fasemengsels aanwezig zijn. Dit wordt nog moeilijker naarmate nieuwe verbindingen worden gevormd, maar met enige oefening is het mogelijk om fasemengsels te identificeren. Dit vereist het correleren van de chemische parameters uit sectie één met de resulterende reactieproducten (PXRD-patronen); Meestal kunnen er trends tussen worden geïdentificeerd. Terwijl gegevensevaluatie kan worden uitgevoerd door visuele inspectie van de PXRD-patronen, kan ook software voor kwalitatieve faseanalyse worden gebruikt.
Ten slotte zijn er enkele algemene opmerkingen over het gebruik van HT-methoden. Ze maken het systematisch onderzoek van complexe parametervelden en de extractie van informatie over vormings- en synthesetrends mogelijk. Afhankelijk van de beschikbare HT-opstelling kan dit worden gedaan met verschillende graden van parallellisatie, miniaturisatie en automatisering19,20. In alle gevallen worden onderzoeken versneld, wordt het verbruik van grondstoffen verminderd en wordt de reproduceerbaarheid verbeterd door menselijke fouten te verminderen19,20. Een belangrijk voordeel van veel gegevenspunten is dat uitschieters (d.w.z. resultaten die niet passen bij de trends) aangeven dat er een fout kan zijn opgetreden in de dosering van grondstoffen (bijvoorbeeld verkeerde hoeveelheden) of ongewenste onzuiverheden in de reactoren. Dit laatste kan gemakkelijk gebeuren bij hergebruik van PTFE-reactoren. Toch kunnen er verschillende valkuilen optreden, die te maken hebben met de zes stappen van de HT-workflow, zoals hierboven vermeld. Over het algemeen is voorzichtigheid geboden als fouten zich verspreiden, waardoor reproduceerbaarheid een uitdaging wordt. Andere algemene aspecten waarmee rekening moet worden gehouden, zijn de opschaling van reacties en het gebruik van andere reactorsystemen, die ook als aanvullende reactieparameters moeten worden beschouwd. Deze kunnen de kinetiek van de reactie veranderen, maar in andere gevallen, bijvoorbeeld voor CAU-10 37, zijn opschaling en het gebruik van andere reactoren bereikt van het milliliter- tot het literbereik met behulp van PTFE- of glasreactoren37. De hier gepresenteerde studie is slechts één voorbeeld. De methodologie kan worden toegepast op elke reactie in oplossing, zolang de beperkende parameters worden verzorgd.
Hoewel verschillende reactorontwerpen zijn gerapporteerd19,20, is de aanpassing van HT-methoden in het algemeen de enige manier om enorme experimentele parameterruimten te beheren. Toekomstige ontwikkeling van de reactievaten en de multiclaven zal de toegankelijke parameterruimte uitbreiden door middel van toegankelijke temperatuur- en drukbereiken. Naarmate andere HT-systemen zoals doseerrobots of HT-karakteriseringssystemen en nieuwe softwaretools betaalbaarder en gebruiksvriendelijker worden, zullen steeds meer stappen van de HT-workflow worden geoptimaliseerd, waardoor de ontdekking van nieuwe verbindingen of onbekende eigenschappen van bekende verbindingen wordt versneld.
Met deze bijdrage willen we onze methodologie in detail delen met de wetenschappelijke gemeenschap.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Het werk werd ondersteund door de Christian-Albrechts-Universiteit, de deelstaat Sleeswijk-Holstein en de Deutsche Forschungsgemeinschaft (met name STO-643/2, STO-643/5 en STO-643/10).
Norbert Stock wil graag de B.Sc., M.Sc. en doctoraatsstudenten bedanken, evenals de samenwerkingspartners die veel interessante projecten hebben uitgevoerd met behulp van de high-throughput-methodologie, in het bijzonder Prof. Bein van de Ludwig-Maximilians-Universität in München, die een belangrijke rol speelde in de ontwikkeling van de reactoren.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| AlCl3·6H2O | Grüssing | N/A | 99% |
| Filter block for filtration of max. 48 reaction mixtures | In-house made | N/A | Technical drawings in the supplementary files |
| Hydrochloric acid | Honeywell | 258148 | Conc. 37 %, p.a. |
| Multiclaves with 24 individual Teflon inserts | In-house made | N/A | Technical drawings in the supplementary files |
| N,N ‘-piperazine bis(methylenephosphonic acid | Prepared by coworkers | N/A | H4PMP, Prepared by coworkers with the method reported by Villemin et al.: D. Villemin, B. Moreau, A. Elbilali, M.-A. Didi, M.’h. Kaid, P.-A. Jaffrès, Phosphorus Sulfur Silicon Relat. Elem. 2010, 185, 2511. |
| Sample Plate for PXRD | In-house made | N/A | Technical drawings in the supplementary files |
| Sodium hydroxide | Grüssing | N/A | 99% |
| Stoe Stadi P Combi | STOE | Stadi P Combi | Cu-Kα1 radiation (λ = 1.5406 Å); transmission geometry; MYTHEN2 1K detector; opening angle 18°; curved monochromator; xy-table |
| Forced convection oven | Memmert | UFP400 |
References
- Kaskel, S. The Chemistry of Metal-Organic Frameworks: Synthesis, Characterization, and Applications. , Wiley-VCH. Weinheim. (2016).
- Ding, M., Cai, X., Jiang, H. -L. Improving MOF stability: approaches and applications. Chemical Science. 10 (44), 10209-10230 (2019).
- Stock, N., Biswas, S. Synthesis of metal-organic frameworks (MOFs): routes to various MOF topologies, morphologies, and composites. Chemical Reviews. 112 (2), 933-969 (2012).
- Shimizu, G. K. H., Vaidhyanathan, R., Taylor, J. M. Phosphonate and sulfonate metal organic frameworks. Chemical Society Reviews. 38 (5), 1430-1449 (2009).
- Yuan, S., Qin, J. -S., Lollar, C. T., Zhou, H. -C. Stable metal-organic frameworks with group 4 metals: current status and trends. ACS Central Science. 4 (4), 440-450 (2018).
- Devic, T., Serre, C. High valence 3p and transition metal based MOFs. Chemical Society Reviews. 43 (16), 6097-6115 (2014).
- Rhauderwiek, T., et al. Highly stable and porous porphyrin-based zirconium and hafnium phosphonates-electron crystallography as an important tool for structure elucidation. Chemical Science. 9 (24), 5467-5478 (2018).
- Steinke, F., Otto, T., Ito, S., Wöhlbrandt, S., Stock, N. Isostructural family of rare-earth MOFs synthesized from 1,1,2,2-Tetrakis(4-phosphonophenyl)ethylene. European Journal of Inorganic Chemistry. 2022 (34), 2022005562 (2022).
- Zhu, Y. -P., Ma, T. -Y., Liu, Y. -L., Ren, T. -Z., Yuan, Z. -Y. Metal phosphonate hybrid materials: from densely layered to hierarchically nanoporous structures. Inorganic Chemistry Frontiers. 1 (5), 360-383 (2014).
- Glavinović, M., Perras, J. H., Gelfand, B. S., Lin, J. -B., Shimizu, G. K. H. Orthogonalization of polyaryl linkers as a route to more porous phosphonate metal-organic frameworks. Chemistry. 28 (31), 202200874 (2022).
- Yücesan, G., Zorlu, Y., Stricker, M., Beckmann, J. Metal-organic solids derived from arylphosphonic acids. Coordination Chemistry Reviews. 369, 105-122 (2018).
- Wharmby, M. T., Mowat, J. P. S., Thompson, S. P., Wright, P. A. Extending the pore size of crystalline metal phosphonates toward the mesoporous regime by isoreticular synthesis. Journal of the American Chemical Society. 133 (5), 1266-1269 (2011).
- Zheng, T., et al. Overcoming the crystallization and designability issues in the ultrastable zirconium phosphonate framework system. Nature Communications. 8, 15369 (2017).
- Dines, M. B., Cooksey, R. E., Griffith, P. C., Lane, R. H. Mixed-component layered tetravalent metal phosphonates/phosphates as precursors for microporous materials. Inorganic Chemistry. 22 (6), 1003-1004 (1983).
- Hermer, N., Reinsch, H., Mayer, P., Stock, N. Synthesis and characterisation of the porous zinc phosphonate [Zn2(H2PPB)(H2O)2]·xH2O. CrystEngComm. 18 (42), 8147-8150 (2016).
- Rhauderwiek, T., et al. Crystalline and permanently porous porphyrin-based metal tetraphosphonates. Chemical Communications. 54 (4), 389-392 (2018).
- Steinke, F., et al. Synthesis and structure evolution in metal carbazole diphosphonates followed by electron diffraction. Inorganic Chemistry. 62 (1), 35-42 (2023).
- Taddei, M., et al. The first route to highly stable crystalline microporous zirconium phosphonate metal-organic frameworks. Chemical Communications. 50 (94), 14831-14834 (2014).
- Stock, N. High-throughput investigations employing solvothermal syntheses. Microporous and Mesoporous Materials. 129 (3), 287-295 (2010).
- Clayson, I. G., Hewitt, D., Hutereau, M., Pope, T., Slater, B. High throughput methods in the synthesis, characterization, and optimization of porous materials. Advanced Materials. 32 (44), 2002780 (2020).
- Clearfield, A., Demadis, K. Metal Phosphonate Chemistry: From Synthesis to Applications. , RSC Publishing. (2011).
- Mennen, S. M., et al. The evolution of high-throughput experimentation in pharmaceutical development and perspectives on the future. Organic Process Research & Development. 23 (6), 1213-1242 (2019).
- Yang, L., et al. High-throughput methods in the discovery and study of biomaterials and materiobiology. Chemical Reviews. 121 (8), 4561-4677 (2021).
- Banerjee, R., et al. High-throughput synthesis of zeolitic imidazolate frameworks and application to CO2 capture. Science. 319 (5865), 939-943 (2008).
- Reinsch, H., Stock, N. High-throughput studies of highly porous Al-based MOFs. Microporous and Mesoporous Materials. 171, 156-165 (2013).
- Reimer, N., Reinsch, H., Inge, A. K., Stock, N. New Al-MOFs based on sulfonyldibenzoate ions: a rare example of intralayer porosity. Inorganic Chemistry. 54 (2), 492-501 (2015).
- Tollitt, A. M., et al. High-throughput discovery of a rhombohedral twelve-connected zirconium-based metal-organic framework with ordered terephthalate and fumarate linkers. Angewandte Chemie. 60 (52), 26939-26946 (2021).
- Palomba, J. M., et al. High-throughput screening of solid-state catalysts for nerve agent degradation. Chemical Communications. 54 (45), 5768-5771 (2018).
- Reichenau, T. M., et al. Targeted synthesis of an highly stable aluminium phosphonate metal-organic framework showing reversible HCl adsorption. Angewandte Chemie. , (2023).
- Biemmi, E., Christian, S., Stock, N., Bein, T. High-throughput screening of synthesis parameters in the formation of the metal-organic frameworks MOF-5 and HKUST-1. Microporous and Mesoporous Materials. 117 (1), 111-117 (2009).
- STOE & Cie GmbH. WinXPOW v.3.1. STOE & Cie GmbH. , Darmstadt. (2016).
- Groom, C. R., Bruno, I. J., Lightfoot, M. P., Ward, S. C.
- Bruno, I. J., et al. New software for searching the Cambridge Structural Database and visualizing crystal structures. Acta Crystallographica. Section B, Structural Science. 58, 389-397 (2002).
- Hermer, N., Wharmby, M. T., Stock, N. CCDC 1499757: Experimental Crystal Structure Determination. , (2017).
- Cawse, J. N. Experimental Design for Combinatorial and High Throughput Materials Development. , Wiley-Interscience. Hoboken, NJ. (2003).
- Dhanumalayan, E., Joshi, G. M. Performance properties and applications of polytetrafluoroethylene (PTFE)-a review. Advanced Composites and Hybrid Materials. 1, 247-268 (2018).
- Lenzen, D., et al. Scalable green synthesis and full-scale test of the metal-organic framework CAU-10-H for use in adsorption-driven chillers. Advanced Materials. 30 (6), 1705869 (2018).
