Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Chemistry

官能化有機金属構造体の合成とキャラクタリゼーション

Published: September 5, 2014 doi: 10.3791/52094

Summary

意図的に設計された金属有機骨格材料の合成、活性化、および特徴付けは、ビルディングブロックは、互換性がないか、不要な形体が熱力学的に望ましい形態より好まれている場合は特に、困難である。当社は、超臨界CO 2乾燥経由毛細血管と活性化における溶媒アシストリンカ交換、粉末X線回折のアプリケーションは、これらの課題のいくつかに対処する方法について説明します。

Abstract

彼らは、多くの産業および技術的応用のための魅力的な候補であるように、有機金属フレームワークは、研究上の注目の臨時量を集めている。彼らの署名プロパティは、それが彼らを構築し、彼らとの作業の両方に来るときしかし、一連の課題を与え、彼らの超高気孔率、である。より熱力学的に多孔性の低い、安定した同族体( 例えば 、他の結晶多形、鎖状に連結類似体)は、多くの場合、優先的に、従来の合成法により得られるように選択した高度に多孔性の枠組みにリンカー/ノード·アセンブリが希望するMOFの化学的および物理的な機能の確保が、困難をもたらす可能性があります。所望の生成物が得られると、その特徴付けは、多くの場合、潜在的に微結晶の例については、ゲスト分子の損失や優先配向から生じる合併症に対処する特殊な技術を必要とします。最後に、APPLでの使用のためのMOF内部の大きな空隙にアクセスフレームワークは溶媒分子(ソルボサーマル合成の残党)の除去の間に崩壊することがありとしてガスを伴うicationsは、問題となる可能性がある。本稿では、日常的に私たちの研究室解決したり、これらの問題を回避するためのいずれかで利用される合成とキャラクタリゼーション方法が記載されている。方法は、溶媒アシストリンカー交換、毛細血管内の粉末X線回折、および超臨界CO 2乾燥による材料の活性化(キャビティ避難)が挙げられる。最後に、精度良くのMOFの表面積を推定するように、窒素等温線のブルナウアー·エメット·テラー分析を適用するための適切な圧力領域を決定するためのプロトコルを提供する。

Introduction

有機金属構造体(MOF)は、金属ベースのノード( たとえば 、亜鉛2 +はZn 4 O 6 +、Zr6 O 4(OH)4 12+、CR 3(H 2 Oからなる結晶性配位高分子の一種である6+ OF)2、Zn2(COO)4)、有機リンカー( 例えば 、ジ- 、トリ- 、テトラ-及びヘキサカルボにより接続は、ジピリジル、1のイミダゾレート; 図1参照)2彼らの高度に秩序(そしてこのようにして従順。特性化高レベルの)彼らの例外的な表面積と組み合わせた構造(7000メートル2 / gに達した)3は水素貯蔵4と炭素回収5,6から触媒作用に至るまで、用途のスルーのための魅力的な候補としての可能性とそれらを与える、 7,8 9,10および集光センシング。11は、驚くべきことに、MOFははINTEを大量に誘発しているわけではありません科学と材料工学のコミュニティで休む。ピアレビュージャーナルでのMOF上の多くの刊行物は、現在、毎年出版されて1,000〜1,500の記事で、この10年間で指数関数的に増加している。

所望の特性を有するのMOFの合成は、しかし、一連の課題を提起する。魅力の彼らの主点、すなわち彼らの例外的な気孔率、実際には、特定のMOFのために、彼らの開発に成功に向けての最大の障害の一つを提示することができる。これらの材料の枠組みの中で、大きな空きスペースが存在すると、その熱力学的安定性を損なう。結果として、MOFの合成された場合、デノボすなわち 、ソルボサーマル一工程における金属前駆体および有機リンカーとを反応させることによって)、それらの構成のビルディングブロックは、多くの場合のようないくつかの用途のために、より高密度の低い多孔質(およびより望ましくに集合する傾向があるガス貯蔵)類似体とreprするための手順の後。12oducibly望ましいトポロジーのフレームワークが開発された取得、MOFは、ガス収着を必要とするプロセスでのその適用を可能にするために扱われる必要がある。 MOFは、溶液中で合成されるので、新たに成長したMOF結晶のケージ及びチャンネルは、典型的には、反応媒体として高沸点溶媒の使用いっぱいである;毛管力の下でフレームワークの崩壊を誘発することなく溶媒を除去した「MOF活性化」として知られる特殊化した一連の手順を必要とする。最後に13、最終生成物の純度を確保し、基本的特性の決定的な研究を可能にするために、MOFは厳密にそれらの合成の際に特徴づけされる必要がある。 MOFは、従来の溶媒に非常に不溶性である配位ポリマーであるという事実を考えると、このプロセスは、多くの場合、この種の材料のために特に開発されたいくつかの技法を含む。これらの技術の多くは、一意スイートであるX線回折(XRD)、に依存しているdは、これらの結晶性物質の高レベルの特徴付けを提供する。

典型的には、いわゆるデノボ様式でMOFの合成は、ワンポット金属前駆体との間のソルボサーマル反応(無機塩)および有機リンカーを使用する。フレームワークへのMOFの構成要素の配置をほとんど制御があるので、この方法は、複数の制限を受ける、及び得られた生成物は、常に所望のトポロジを有していない。 デノボ MOFの合成に関連する問題を回避することは、溶媒アシストリンカ交換(セール、 図2)であることが可能なアプローチを実装するのは簡単。14-16この方法は、目的のリンカーの濃縮液を容易に得ることがMOF結晶を暴露することを含む娘リンカーになるまで完全に親のものと交換してください。単結晶から単結晶形で反応が進行する - つまり、リンカーのウィットの交換にもかかわらず、フレームワークをホアヒン、材料が元の親のMOFのトポロジを保持します。 SALEは、本質的にデノボアクセスすることが困難であるリンカー-トポロジー組み合わせのMOFの合成を可能にする。これまでのところ、このメソッドは正常にそのような連鎖を制御、MOFケージ17の拡大、高エネルギー形体2018,19の合成、触媒的に活性な物質20,21とサイトの分離の開発などの各種合成MOFの課題を克服するために実装されました反応性試薬を保護する。22

新鮮な合成されたMOFは、ほとんど常に、それらの合成時に使用される溶剤で満たされたチャネルがあります。この溶媒は、それらのガス収着特性を利用するためにフレームワークから除去する必要がある。従来、これは通常のチャネル(Nのような高沸点溶媒中で溶媒を交換する)ことによって達成されるより揮発性の溶剤とN 'ジメチルホルムアミド、DMF)b)は、溶媒を排出する長時間回真空下でMOF結晶を加熱し、選択した溶媒中でMOF結晶を浸漬することによってエタノールまたはジクロロメタンのような、またはc)これら2つの技術の組み合わせ。これらの活性化方法は、しかし、そのような過酷な条件下でのフレームワークの崩壊に苦しむ可能性の高い表面熱力学的に脆いのMOFの多くには適していない。広範なフレームワーク崩壊の発生を回避しながら、MOFのケージからの溶媒除去を可能にする技術、超臨界CO 2乾燥によって活性化である。作業中23は 、MOF構造内部の溶媒を液体CO 2で置換されている。 CO 2は、臨界点過去続いて加熱加圧し、そして最終的にはフレームワークから蒸発させた。超臨界CO 2は 、毛管力を有していないので、この活性化処理は、MOFは、従来の真空加熱より強制的に小さく、有しチャンピオン表面積のMOFを含む、これまでに公表されている超高ブルナウアー·エメット·テラー(BET)表面積のほとんどへのアクセスを可能にした。3,24,25

本稿では、特売反応のための良好な鋳型として働く代表容易にアクセスMOF の新規合成記述- 。ピラー·パドルホイール枠組みBR-YOMOFを 26、その長い、比較的弱く結合したN、N ' -ジ-4 -pyridylnaphthalenetetracarboxydiimide(DpnIを )柱は、容易に同形SALEM MOF-5(図2)。18さらに、輪郭を生成するために、メソ -1,2 -ジ(4 -ピリジル)-1,2 -エタンジオール(dped)と交換することができ超臨界CO 2乾燥によってSALEM-5を活性化することに成功し、そのN 2等温線を収集し、そのBET表面積を得るために取られる必要のあるステップ。私たちはまた、X線結晶学などのMOF特性評価に関連するさまざまな技術を、記述し、1 H NMR分光法(NMR)。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

親MOFの合成(BR-YOMOF)

  1. 秤量の50mgのZn(NO 3)2×6 H 2 O(0.17ミリモル)、37.8ミリグラムをDpnI(0.09ミリモル)および64.5 mgの1,4 -ジブロモ2,3,5,6 -テトラキス(4 -カルボキシフェニル)ベンゼン(BR-TCPB、0.09ミリモル)を加えた。 4ドラムのバイアル内のすべての固体成分を組み合わせる。
  2. 固体成分と、バイアルにメスシリンダーを用いて測定10mlのDMFを追加します。その後、9 'パスツールピペットを使用して、1滴の濃HCl(0.05ミリリットル)を追加(注意!目、皮膚や粘膜に腐食性を示す。手袋をして扱ってください。)。
  3. 密バイアルにキャップをし、徹底的〜15分間の超音波浴を用いて成分を混ぜる。彼らは懸濁液を形成するようにバイアルの内容物を観察します。
  4. 二日間80ºCのオーブンでバイアルを置きます。 1日目に、黄色の透明な溶液を形成し、その内容が完全に溶解していることを確認するために、バイアルをご確認ください。 2日目に、黄色tear-を観察壁やバイアルの底に形状の結晶。結晶の形成に続いて、オーブンからバイアルを取り外します。
  5. バイアルを室温に冷却します。彼らはすべてのバイアルの床の上に集めるように、そして、静かにバイアル壁から結晶をプッシュし、スパチュラを使用しています。バイアルは、すべての結晶が床に定住していることを確認するために〜5分間静置してみましょう。
  6. 9 'パスツールピペットを使用して、ピペットに結晶を吸い取っ回避しながら静かに、バイアルから反応液を除去します。乾燥から枠組みを防ぐために、結晶が完全に覆われるようにちょうど十分な解決策にしておきます。
  7. 結晶をバイアルに〜5ミリリットルの新鮮DMFを追加します。酸性の反応溶液およびMOF細孔中に閉じ込められた任意の未反応成分を除去するために、少なくとも1日、新鮮なDMF中MOF結晶を浸す。最良の結果を得るために、定期的に新鮮なバッチ(最初時間かけて2〜3回、すべての6〜12時間)をDMFに置き換えます。 さらに使用するまで室温でDMF中のBr-YOMOF結晶を保管してください。

粉末X線回折(PXRD)による2。キャラ

  1. (ファンネルトップ付き)キャピラリーの上位3センチ残るように慎重に閉鎖端を切断することによって、実験のための0.7ミリメートルの直径のホウケイ酸ガラスキャピラリーを準備します。
  2. それが溶融するまで、定期的に蜜蝋を加熱し、溶融したワックスに毛細血管の狭い(カット)の端を浸し。毛細血管を取り外し、ワックスは、毛細管の底にプラグとして固化してみましょう。
  3. 粘土を少量の毛細血管をサポートします。
  4. パスツールピペットを用いて、溶液中の結晶の数ミリリットルを策定。慎重に、漏斗口でも毛細血管に結晶およびソリューションを転送します。過剰の溶媒を逃がすために紙タオルやティッシュを使用してください。キャピラリーの外側に溶媒または結晶をこぼさないようにしてください。
  5. (結晶が小さなプラグに落ち着くことを許可長さ約2〜5ミリメ​​ートル)。毛細血管の最上位(ファンネル)の端をシールするためのモデリング粘土の非常に小さな部分を使用してください。
  6. ゴニオヘッド(真鍮ピン、磁気マウントなど )からの実装部品を取り外して、あなたの毛細血管がゴニオヘッドの上に粘土をモデル化することでサポートされて配置します。
  7. それが回転するにつれて、結晶のプラグが歳差運動をしないことを保証するためにX線ビーム中に毛細管をセンタリング。
    注:結晶性材料の量は、ほとんどの標準的な実験室X線源のビームサイズを超える。
  8. あなたの回折計のソフトウェアを使用して、2θの増分を重ねて、180°φ一連のスキャンを準備します。例えば、150ミリメートル(DX)に設定Apex2検出器を備えたカッパジオメトリ回折計を用いて、私たちは、表1に従ってパラメータで10秒、180°φ一連の走査を収集する。
  9. フレームが収集されたら、すべての画像を合成するために、回折計のソフトウェアを使用しそして得られた回折パターンの上に統合します。

BR-YOMOF結晶に溶剤アシストリンカエクスチェンジ(セール)の実行3。

  1. dped 21mgの(0.095ミリモル)を秤量し、超音波を備えた2ドラムバイアルに5ミリリットルのDMFにそれを溶解。
  2. 6 'パスツールピペットを使用して、BR-YOMOF結晶を収集し、ブフナー漏斗上でそれらをフィルタリングする。その後〜結晶30mgを秤量。 BR-YOMOF付きバイアルに結晶の残りの部分を返す。
  3. 予め調製dped溶液に結晶を分散させる。 24時間100ºCのオーブンで生じた特売混合物を配置します。
  4. 翌日、1 H NMRと特売反応の進行状況を確認する。へらまたは6 'パスツールピペットを使用すると、反応DMF溶液からMOF結晶を約2〜5ミリグラムを削除します。クリーンSOLV少量でそれらを浸漬することによってこれらの結晶をすすぐENT(反応媒体として、ジクロロメタン、または同じ溶媒などの低沸点溶剤 - この場合はDMF中)1.5ドラムバイアル中。
  5. 独立した1.5ドラムのバイアルに〜1ミリリットルの重水素化ジメチルスルホキシド(D 6 -DMSO)を追加します。洗浄液から結晶を除外すると、d 6 -DMSOでそれらを分散させる。混合物への重水素化硫酸(SO 4 D 2)3滴を追加することで結晶を溶解する。徹底的に均一な溶液を得るために、蓋をしたバイアルを超音波処理。
  6. パスツールピペットでNMR管に生じたNMR試料を移し、NMRスペクトルを収集します。解決策は、比較的によりMOF結晶の溶解度が低いため希薄であるため、64スキャンを実行します。
  7. すべてのDpnIをdpedによって置換されていることを確認することによってスペクトルを解釈し、dpedこと:BR-TCPB比は1:1である。
    注: のDpnIは、結晶中に依然として存在する場合、ガラス瓶を返す所望の生成物が得られるまでオーブンに反応混合物を1 H NMRで反応をモニターし続ける。
  8. すべてのDpnIをdpedにより置換されている場合には、9 'パスツールピペットを用いて反応溶液をデカントし、新鮮なDMFに置き換えて反応を停止。彼らのPXRDパターンを収集することによりSALEM-5結晶の追加の特徴付けを行います。その後さらに使用するまでDMF中で結晶を格納します。

4。超臨界CO 2乾燥セーラム-5クリスタルのアクティブ化

  1. 液体CO 2と混和し、超臨界乾燥機と互換性のある活性化、エタノールでMOFケージからの交換すべてのDMF、以前は。 9 'をパスツールピペットでMOFバイアルからDMFをデカンテーションし、少量のエタノールに置き換えて溶媒置換を行います(十分な完全結晶を沈めるために)。
  2. 続ける3日間溶媒交換、毎日新鮮なバッチをエタノールに置き換える。すべてのDMF結晶の1 H NMRスペクトルを収集することにより、結晶の細孔から除去されたことを確認してください。
  3. 十分な液体CO 2のタンクは、超臨界乾燥機に接続されていることを確認してください。
  4. 6 'パスツールピペットを用いて、活性化皿にMOF結晶を転送します。ピペットに結晶を吸い取っ避けながら9 'をパスツールピペットでできるだけエタノールをできるだけ多く除去する。
  5. (それらが存在する場合には、キムワイプできれいにチャンバーを拭く)3本のボルトを外して、活性化室の蓋を外し、残留MOF破片ためのチャンバを点検。ピンセットを使用して、室内へのMOFでの活性化皿を挿入して、その元の位置に戻し、蓋をネジ止めします。
  6. 上の乾燥機の電源を入れ、CO 2タンクを開きます。 0〜10ºの間の温度を達成するために、温度ノブを調整しC.その液体状態でCO 2を維持するために活性化プロセス全体を通してその温度範囲を維持する。
  7. 温度が正しい範囲になると、ゆっくりと「塗りつぶし」ノブを上げます。チャンバ蓋上のガラス窓を通して活性化皿に注ぐ2液体COを守ってください。それは800 PSIに達するまで同時にゲージの読みの圧力が増加するはずである。
  8. 最初の「パージ」を実行し、それは新鮮なバッチを用いた活性化溶剤の最初の代替品です。最初のターン「フィル」は、溶媒のジェットは撮影まで15。そしてゆっくりと楽器側のチューブから「パージ」ノブを上げて読み取る標線までノブ。パージは〜5分間上に行こう。その後「パージ」ノブを閉じ、5を読み取りマークにダウン "フィル"ノブを回す。
  9. 「パージ」ごとに2時間を行って、8時間超臨界乾燥を続行します。
  10. 8時間後、TURnのすべてのノブオフと「熱」についてスイッチを入れる。温度と圧力が臨界点(31ºCと1070 psi)を越えてまで待ってください。
  11. 楽器側の管に流量計を接続し、「ブリード」ノブを開きます。 1センチメートル3 /分への流れを調整する。その後、流量計を取り外して、CO 2をゆっくり(通常は場所O / Nかかります)サンプルから出血しましょう。
  12. 次の日、圧力が0 PSIに低下したことを確認してください。変更されていない場合は、所望の圧力低下を達成するまで、「ブリード」ノブを上げます。 「ブリード」ノブを閉じ、楽器の「熱」と電源スイッチをオフにしてください。
  13. 活性化チャンバーからサンプルを削除します。しっかりとアクティベーションの皿に蓋をしてパラフィルムでラップ。さらに使用するまでグローブボックス中で活性化したSALEM-5に保管してください。全くエタノールは、1 H NMRスペクトルを収集することによって、試料中に存在しないことを確認してください。

5。そのBET比表面積を得るために、MOFのN 2等温線を収集

  1. フィラーロッドとシールフリットを装備した吸着管を入手し、それを正確に量る。それを少なくとも2回計量し、2つのバランスの測定値が±0.01ミリグラム以内一致を確認してください。
  2. グローブボックスに予め秤量したチューブを移し、チューブの内側に活性化SALEM-5のサンプルをロードします。グローブボックス内に格納されて活性化したMOFサンプルは、多くの場合、静電的に帯電し、取り扱いが困難であるように私たちは、清潔で乾燥した漏斗の使用をお勧めします。チューブからシールフリットと充填材ロッドを取り外し、漏斗とそれに合う。その後急速にサンプルチューブを下にスライドさせることを確認しながら、漏斗上でアクティベーションの皿を反転。
  3. SALEM-5を搭載したチューブに充填材ロッドとシールフリットを挿入します。サンプルをこぼしおよび/またはチューブを壊し回避するために、管の中にゆっくりと注意深くフィラーロッドをスライドさせます。グローブボックスからチューブを外します。
  4. 空のチューブをロードするために使用したのと同じ手法(と同じバランス)を使用して、正確にロードされたチューブを秤量する。
  5. チューブ上に等温ジャケットを配置し、吸着装置にチューブをロードし、空の管の質量を入力して、収着ファイルとサンプルを備えた管を設置した。等温線の集まりの前に1時間、機器上の試料を真空にファイルを調整します。
  6. デュワーは液体窒素で氷が解凍し、それを乾燥拭くことができるように水で充填することにより、氷および/または水を含ま​​ない保存するために使用されていることを確認。適切なマークに液体窒素でデュワーを記入し、測定を開始する。測定は、量、材料の多孔度に応じて、任意の場所に4から12時間まで持続する。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

MOF合成中のHClの使用は、多くの場合、高品質のMOF結晶の成長のために有益である。それはカルボン酸の脱プロトン化(及び金属中心へのリンカーの結合)が遅くなるように、より大きな結晶の成長を促進し、反応がより迅速に進行させる場合に形成してもよく、アモルファスと多結晶相の形成を防止する。それは、図3に見られるように、実際には、この反応中に生成された柱状-パドルホイールMOFは、単結晶のデータ収集のための十分な品質の大きい、黄色の結晶を形成する。また、高沸点と組み合わせ中のHClの使用は、極性溶媒は、反応混合物を作成するためのMOFリンカー(ポリ酸および長い窒素供与体柱の一部が溶解するように挑戦することができる)の溶解を促進する。しかし、MOFの中に(例えばdpedなど)の無料配位性官能基を有する柱の取り込みをnなどのDpnIのような官能化されていない柱を混ぜるなどの容易なようにOT。 のBr-YOMOFを合成するために使用したプロトコルはSALEM-5の合成に適用される図4から分かるように、得られた生成物の1 H NMRは、結晶からdped(おそらく形成の完全な不在を示すのZn 2(BR-TCPB)(DMF)2 代わりに、所望の生成物)。そのような金属前駆体などの反応MOFの構成要素()で官能リンカーの相互作用を停止させるために、SALEM-5アクセスするために特売に頼らなければならない。私たちは、PKが柱のモノプロトン共役酸の柱は、二核金属クラスターに結合しているとの強度の有用な指標として役立つことを発見した。18 のDpnIはアルですelatively酸性、弱く結合した柱は、それを容易にdpedを含むさまざまな他の柱によって置換される。 1 H NMRによって示されるように残して柱としてのDpnIを伴う典型的なセール、ピラーの> 99%が交換されてて、未満24時間を必要とします。

限り結晶の特徴付けに関しては、それが正常に収集さPXRDパターンにより搬送され、製品のバルク結晶化度、に関する正確な情報を持つことが重要である。これらの物質は時それらの結晶の乾燥結晶性を失う傾向があるので、ピラー·パドルのMOFのPXRDパターンを得ることは、(結晶性の結晶を溶媒和により回収することができる)が、簡単な手順ではありません。その結果、ガラススライド上に材料を取り付ける採用し、従来のPXRD技術は1つがシミュレートされたデータからパターンで見つけることを期待する全てのピークが含まれていない可能性パターンを生成します。また、pillareab面(パドル建築構造単位を含有する2-Dシートに比べて、それらがc軸方向に著しくより細長く、(それに沿って窒素供与体柱にある)ようにd軸パドル結晶は、高度に異方性である)発見された。この結晶形態は、多くの場合、パターン( 図5)に異常に高い強度を示す反射のいくつかの結果と、従来のPXRD測定中の結晶の優先配向をもたらす。 PXRD紡糸毛細管を用いて溶液中の結晶に取り込まれた場合、これらの両方の問題が回避される。27は、この技術は、代表PXRDパターンの収集を可能にしないだけでなく、それはまた、従来の方法(〜1mg)のよりも有意に少ない材料を必要とする。ピラー·パドルホイールのMOFを扱う場合そのため、私たちは常に毛細血管を回転でPXRD測定を実行することで、それらの結晶性を特徴づける。原因pillaの異方性形態へ赤パドルホイールのMOF、そのPXRDパターンの分析は、それらの窒素ドナーの柱のサイズに関する重要な情報を提供することができます。 c軸の方向から到来する反射に対応するピークが(-BrでYOMOF、[001]反射のための)パターンの最初のピークである。低い2θ角度で第一ピークの位置はc軸の方向に大きい単位セルが存在することを意味する(したがって、より長い窒素ドナー柱)。

最後に、超臨界乾燥によってピラー、パドルの活性化(および他のカルボキシレートに基づく)MOFは、従来の活性化技術(真空及び溶媒交換下での加熱、またはその2つの組合せによってアクセスよりも有意に高いBET表面領域へのアクセスを提供することが証明されている)。23 図6は 、従来のHEA時にパドルホイールベースの建築構造単位を有するNU-100、MOFの結晶の画像を示しているtと真空活性化(暗い、アモルファス粒子)および超臨界CO 2乾燥時(ティール結晶)。前者の手順では、多孔性の骨格崩壊および破壊につながり、超臨界CO 2乾燥〜6140メートル2 / gのBET表面積をもたらしている。24要約すると、それはいくつかの多孔性にアクセスすることができ、穏やかな活性化方法を提供より繊細なMOFは(ピラー·パドルホイール材料はZn 4 O系のIRMOFs、RHTトポロジの超高気孔率のMOF など )。13

2θ(°) ω(°) χ(°)
12 6 0
24 12 0
36 18 0
48 24 0
60 30 0

キャピラリー中の粉末X線回折を行うために、180°φスキャンを収集するための表1のパラメータ。

図1
図1ソルボサーマルMOFの合成方法の工程(A)の表現。 (B)左から右へ金属系建築構造単位の例(亜鉛2(COO)4、Cr3(H 2 O)6 + OF 2、Zr6 O 4(OH)4のZn 4 O 6+ 12+)。 のBiPy = 4,4ビピリジン;(C)MOFの合成に使用される代表的なリンカーは、( 彼は、イミダゾール= H 2 BDC =ベンゼン-1,4 -ジカルボン酸; H 3 BTC =ベンゼン-1,3,5トリカルボン酸; H 4 BR-TCPB =プロトン化1,4ジブロモ2,3,5,6 -テトラキス- (4 -カルボキシフェニル)ベンゼン; H 6 BHB = 3,3 '、3'、5,5 '、5' -ベンゼン-1,3,5-トリイル-hexabenzoic酸)。 見るにはこちらをクリックしてください。この図の拡大版。

図2
SALEM-5を生産するdpedするためにBR-YOMOF中のBr-TCPBリンカーの図2特売。 クリックしてくださいここで、この図の拡大版を表示します。

図3
図3 BR-YOMOF(A)dped(B)と特売反応の24時間後にSALEM-5に変換同じ結晶の単結晶の(AB)画像。単結晶から単結晶化反応と同様に、大きさ及び結晶の形態は変化しなかった。 (C)は、典型的には、PXRD測定に使用されるキャピラリーの写真。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

/52094fig4highres.jpg "幅=" 500 "/>
図4 SALEM-5アクセスするため異なる合成の試みに起因する消化MOF結晶の1 H NMRスペクトル。 (上)(BR-YOMOFデノボ合成に用いたものと同じプロトコルに従って) デノボ方法の生成物の1 H NMRスペクトルを示す。 (下)SALE方法の生成物の1 H NMRスペクトルを示す。アスタリスクでマークされたピークはdpedから生じる信号を表す。スペクトルは、デノボ試みが結晶へdped柱の取り込みの欠如をもたらしたことを示している。特売の試み、一方で、所望の生成物をうまく形成をもたらした(BR-TCPB付き:dped比1:1)。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。


溶媒(中央)を充填したスピニング毛細管に試料を配置し、ガラススライド(下)上の粉砕試料をマウント採用従来のPXRDパターンの収集方法を利用して得られるのBr-YOMOF図5 PXRDパターン。 のBr-YOMOFスライドに装着されたときに、その結晶粉末が次第に乾燥すると、より高い角度でのピークの消失で明らかにされて結晶化度を失う。この問題は、そのシミュレートされたパターンからのBr-YOMOFのために存在することが予想全てのピークをフィーチャーPXRDパターンの収集を可能にするスピン毛細血管を採用することによって回避される。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</ A>

図6
図6に合成されたNU-100(A)水晶。目に見える構造崩壊を示す従来の真空加熱による活性化の後に、(B)NU-100の結晶。無傷の枠組みに超臨界CO 2乾燥後の(C)NU-100の結晶。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

MOF結晶化は合成条件を記述する複数のパラメータのわずかな変化によって阻害され得る繊細な手順である。従って、特別な注意は、反応混合物を調製する際に注意する必要がある。不純物が少量でも存在は完全に結晶化を防止または望ましくない結晶性生成物の形成をもたらすことが知られているような有機リンカーの純度は、合成の開始に先立って1 H NMRによって確認されるべきである。それらは高温で液体のままの極性は、DMF、N、N 'ジメチルアセトアミド(DMA)、N、N' -diethylformamide(DEF)またはn-ブタノールなどの高沸点溶媒は、MOFの合成のための最適な反応媒体を提供するに同時に、ほとんどの試薬がその中に溶解することができるしながら結晶化は、(通常は60〜150℃)が発生します。右の溶剤を選択するとき、人は考慮し、基本的なコンディット中の試薬の安定性を取る必要がありますイオン;例えば、それは、高温でDMFはジメチルアミンを形成するために分解することが知られているので、アミンを許容できないリンカーを含むMOFは、この溶媒中で合成されるべきではない。温度は、反応を通して一定に維持されるべきである。しっかりと閉じ、ドアオーブンはMOF結晶化のための理想的なインキュベーターです。

MOF結晶が成長したら、それらを適切に採取し、精製しなければならない。有機溶媒による単なる洗浄は、これらの捕捉された成分を除去するには十分でない溶媒分子、未反応のリンカーなど -のMOFは、高度に多孔質材料であるので、それらの新たに合成された結晶中のケージおよびチャネルは、典型的には、反応媒体からの残留物で満たされているクリーンな溶媒中での長時間の暴露(浸漬)は、MOFの細孔からの不純物の拡散を達成するために必要である。溶剤の定期的な交換が右化学ポテンシャルを維持するために推奨されるより効果的な精製を確保する。28にも注意が必要です浸漬溶 ​​液に結晶を転送する。より堅牢なMOFは(。 たとえば 、ZIFs、1ミル、29 UiOs 30)は溶媒交換する前にフィルタリングすることができる。回避される(真空濾過によって誘導され得る)を結晶の乾燥時しかし、脆弱なフレームワークが最もよく​​保存されている。そのため、デカンテーションにより溶媒過剰反応媒体の除去は、その代わりにお勧めします。

売却のMOFにアクセスするプロセスは、特別な議論に値する。 SALE単結晶から単結晶プロセスであるため、親MOF結晶は、完全なリンカー交換が行われた後に形態学的に改変され表示されません。着色されたリンカーが使用される場合を除きますので、売却の完了を示す視覚的な手がかりはありません。その結果、NMRによる特売反応の注意深い監視が必要である。一般的な有機溶媒中でのMOFの溶解度が低いsはNMR測定用試料を調製する際に対処する必要があり、いくつかの注意点をもたらす。 MOFは、典型的には、より極性のD 7 -DMFまたはd 6 -DMSO(安価な代替)の使用を求める。これらの溶媒は、まだD 2 SO 4、十分な超音波処理、時には信頼NMR試料として機能することができる均一な溶液の形成を達成するために加熱を補充する必要がある。つまり、全くカルボキシリンカ浸出が発生していないし、すべての柱の信号が調整された柱から来る - 柱比が1に近い:ピラー·パドルホイールMOFのNMRスペクトルを解釈するときは、特に注意が四酸があることを確認するために注意する必要がある柱は、単に細孔内に提出するのではなく。

ピラー·パドルホイールMOFの活性化時には、同じ原理は、一般的にはのMOFの取り扱い中などに適用される - 結晶を急速に乾燥させるべきではありません。結晶がACに導入されている理由はここにありますtivationの(それらを完全にカバーするのに十分なだけ)を少量のエタノール中に分散チャンバと、細心の注意が活性化を通して、その液相中のCO 2を維持するために取られる。いくつかの活性化されたサンプルは、空気や湿気に非常に敏感である。それらのチャネルへの水分子の拡散は、その表面積を損なう可能性;開いた金属部位がMOF内に存在する場合には、さらに、水分子は、それらに結合し、それらの反応特性を消灯します。水はまた、二核金属中心窒素柱と競合することが知られており、このようなフレームワークからの1,4 -ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン(DABCO)などであっても強く結合した柱を変位させることが観察されている。31をそのため、最も活性化した柱状-パドルホイールMOFはグローブボックスに格納する必要があります。これらの活性化サンプルが保管場所や機器間で転送されると、それらは密閉( 例えば 、パラフィルム)の容器にする必要があります。収着トンこれらのサンプルを含むubesは気密シールフリットを装着する必要があります。

最後に、2つの点がBET表面積の測定について対処しなければならない。まず、測定された活性化サンプルの正確な質量を得ることの重要性は、材料の少量を扱う場合は特に、十分に強調することができない。一つは、サンプルを複数回秤量の前に測定を開始し、同じ質量を得ることによって、同じMOFの異なるバッチから複数の等温線を収集し、同じ表面積を得ることにより、その測定値の信頼性を確信になることができる。 (柱状-パドルのMOFを含む)ほとんどのMOFは、微孔性材料であるためにはBET表面積の計算に使用される吸着等温線の適切なブランチを選択することになると第二に、特定の規則がある。選択された点は、その独創的な研究でSnurrとその共同研究者によって概説基準を満たす必要があります。32およびマクロポーラス材料- -すなわち0.005〜0.05のO相対圧力P / Pでのこれらの点は、典型的には、BET表面積のメソ領域の計算に使用されるものよりもはるかに低い圧力で見出される。また、吸着剤の単層の形成を仮定ラングミュア表面積は、微孔性材料の多孔性を評価するために適切ではない。 BET表面積が常に使用されるべきである。

ここに記載されているプロトコルは、MOFの合成、特性評価およびガス吸着用途に向けた活性化のためのいくつかの有用な方法を提供する。彼らのアプリケーションは、MOFの合成彼らの研究の間の分解から自分の繊細なフレームワークを防ぎ、彼らの避難毛穴へのアクセスを許可するために他の方法では困難で得ることができる。私たちは、この情報は、このエキサイティングで知的に刺激的エリアを調査に興味を持っている研究者に使用されるであろうことを願っています。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

著者らは、開示することは何もない。

Acknowledgments

この研究は、賞、DE-FG02-12ER16362のもとで米国エネルギー省、エネルギー基本科学、化学科学部門のオフィス、地球科学とバイオサイエンスによってサポートされていました。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
6’’ Pasteur pipet VWR 14673-010 For transferring MOF crystals
9’’ Pasteur pipet VWR 14673-043 For separating liquid solution from MOF crystals
1-dram vials VWR For preparation of NMR samples
2-dram vials VWR 66011-088 For small-scale SALE reactions
4-dram vials VWR 66011-121 For de novo pillared-paddlewheel MOF synthesis
NMR tube Grade 7 VWR 897235-0000
NMR instrument Avance III 500 MHz Bruker N/A
Oven VWR 414004-566 For solvothermal MOF reactions
Sonicator Branson 3510-DTH
Balance Mettler-Toledo XS104
Superctitical CO2 dryer Tousimis™ Samdri® 8755B For activation of pillared-paddlewheel MOFs
Activation dish N/A N/A
Tristar II 3020 Micromeritics N/A For collection of gas isotherms/measurement of BET surface area
X-ray diffractometer Bruker N/A Kappa geometry goniometer, CuKα radiation and Powder-diffraction data collection plugin.
Capillary tubes Charles-Supper Boron-Rich BG07  Thin walled Boron Rich capillary 0.7 mm diameter
Beeswax Huber WAX sticky wax for specimen fixation
Modeling Clay Van Aken Plastalina
CO2 (l) N/A N/A
N2 (l) N/A N/A
N2 (g) N/A N/A
DMF VWR MK492908 For MOF reactions and storage
Ethanol Sigma-Aldrich 459844 For solvent exchange before supercritical drying
Name Company Catalog Number Comments
Zn(NO3)2 × 6 H2O Fluka 96482
dped TCI D0936
dpni Synthesized according to a published procedure
Br-tcpb Synthesized according to a published procedure
D2SO4 Cambridge Isotopes DLM-33-50 For MOF NMR
d6-DMSO Cambridge Isotopes DLM-10-100 For MOF NMR

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Phan, A., et al. Synthesis, Structure, and Carbon Dioxide Capture Properties of Zeolitic Imidazolate Frameworks. Acc. Chem. Res. 43, 58-67 (2009).
  2. Furukawa, H., Cordova, K. E., O’Keeffe, M., Yaghi, O. M. The Chemistry and Applications of Metal-Organic Frameworks. Science. 341, (2013).
  3. Farha, O. K., et al. Metal–Organic Framework Materials with Ultrahigh Surface Areas: Is the Sky the Limit? J. Am. Chem. Soc. 134, 15016-15021 (2012).
  4. Suh, M. P., Park, H. J., Prasad, T. K., Lim, D. W. Hydrogen Storage in Metal–Organic Frameworks. Chem. Rev. 112, 782-835 (2011).
  5. Sumida, K., et al. Carbon Dioxide Capture in Metal–Organic Frameworks. Chem. Rev. 112, 724-781 (2011).
  6. Liu, J., Thallapally, P. K., McGrail, B. P., Brown, D. R., Liu, J. Progress in adsorption-based CO2 capture by metal-organic frameworks. Chem. Soc. Rev. 41, 2308-2322 (2012).
  7. Lee, J., et al. Metal-organic framework materials as catalysts. Chem. Soc. Rev. 38, 1450-1459 (2009).
  8. Yoon, M., Srirambalaji, R., Kim, K. Homochiral Metal–Organic Frameworks for Asymmetric Heterogeneous Catalysis. Chem. Rev. 112, 1196-1231 (2011).
  9. Kreno, L. E., et al. Metal–Organic Framework Materials as Chemical Sensors. Chem. Rev. 112, 1105-1125 (2011).
  10. Chen, B., Xiang, S., Qian, G. Metal−Organic Frameworks with Functional Pores for Recognition of Small Molecules. Acc. Chem. Res. 43, 1115-1124 (2010).
  11. Wang, J. L., Wang, C., Lin, W. Metal–Organic Frameworks for Light Harvesting and Photocatalysis. ACS Catalysis. 2, 2630-2640 (2012).
  12. Lewis, D. W., et al. Zeolitic Imidazole Frameworks: Structural and Energetics Trends Compared with their Zeolite Analogues. CrystEngComm. 11, 2272-2276 (2009).
  13. Mondloch, J. E., Karagiaridi, O., Farha, O. K., Hupp, J. T. Activation of metal-organic framework materials. CrystEngComm. 15, 9258-9264 (2013).
  14. Karagiaridi, O., et al. Synthesis and characterization of isostructural cadmium zeolitic imidazolate frameworks via solvent-assisted linker exchange. Chemical Science. 3, 3256-3260 (2012).
  15. Burnett, B. J., Barron, P. M., Hu, C., Choe, W. Stepwise Synthesis of Metal–Organic Frameworks: Replacement of Structural Organic Linkers. J. Am. Chem. Soc. 133, 9984-9987 (2011).
  16. Kim, M., Cahill, J. F., Su, Y., Prather, K. A., Cohen, S. M. Postsynthetic ligand exchange as a route to functionalization of "inert" metal-organic frameworks. Chemical Science. 3, 126-130 (2012).
  17. Bury, W., et al. Control over Catenation in Pillared Paddlewheel Metal–Organic Framework Materials via Solvent-Assisted Linker Exchange. Chem. Mater. 25, 739-744 (2013).
  18. Karagiaridi, O., et al. Opening Metal–Organic Frameworks Vol. 2: Inserting Longer Pillars into Pillared-Paddlewheel Structures through Solvent-Assisted Linker Exchange. Chem. Mater. 25, 3499-3503 (2013).
  19. Li, T., Kozlowski, M. T., Doud, E. A., Blakely, M. N., Rosi, N. L. Stepwise Ligand Exchange for the Preparation of a Family of Mesoporous MOFs. J. Am. Chem. Soc. , (2013).
  20. Karagiaridi, O., et al. Opening ZIF-8: A Catalytically Active Zeolitic Imidazolate Framework of Sodalite Topology with Unsubstituted Linkers. J. Am. Chem. Soc. 134, 18790-18796 (2012).
  21. Takaishi, S., DeMarco, E. J., Pellin, M. J., Farha, O. K., Hupp, J. T. Solvent-assisted linker exchange (SALE) and post-assembly metallation in porphyrinic metal-organic framework materials. Chemical Science. 4, 1509-1513 (2013).
  22. Vermeulen, N. A., et al. Aromatizing Olefin Metathesis by Ligand Isolation inside a Metal– Organic Framework. J. Am. Chem. Soc. 135, 14916-14919 (2013).
  23. Nelson, A. P., Farha, O. K., Mulfort, K. L., Hupp, J. T. Supercritical Processing as a Route to High Internal Surface Areas and Permanent Microporosity in Metal−Organic Framework Materials. J. Am. Chem. Soc. 131, 458-460 (2008).
  24. Farha, O. K., et al. De novo synthesis of a metal–organic framework material featuring ultrahigh surface area and gas storage capacities. Nat Chem. 2, 944-948 (2010).
  25. Furukawa, H., et al. Ultrahigh Porosity in Metal-Organic Frameworks. Science. 329, 424-428 (2010).
  26. Farha, O. K., Malliakas, C. D., Kanatzidis, M. G., Hupp, J. T. Control over Catenation in Metal−Organic Frameworks via Rational Design of the Organic Building. J. Am. Chem. Soc. 132, 950-952 (2009).
  27. Shultz, A. M., Sarjeant, A. A., Farha, O. K., Hupp, J. T., Nguyen, S. T. Post-Synthesis Modification of a Metal–Organic Framework To Form Metallosalen-Containing MOF Materials. J. Am. Chem. Soc. 133, 13252-13255 (2011).
  28. Li, H., Eddaoudi, M., O'Keeffe, M., Yaghi, O. M. Design and synthesis of an exceptionally stable and highly porous metal-organic framework. Nature. 402, 276-279 (1999).
  29. Ferey, G., et al. Chromium Terephthalate-Based Solid with Unusually Large Pore Volumes and Surface Area. Science. 309, 2040-2042 (2005).
  30. Cavka, J. H., et al. A New Zirconium Inorganic Building Brick Forming Metal Organic Frameworks with Exceptional Stability. J. Am. Chem. Soc. 130, 13850-13851 (2008).
  31. Chen, Z., Xiang, S., Zhao, D., Chen, B. Reversible Two-Dimensional−Three Dimensional Framework Transformation within a Prototype Metal−Organic Framework. Crystal Growt., & Design. 9, 5293-5296 (2009).
  32. Walton, K. S., Snurr, R. Q. Applicability of the BET Method for Determining Surface Areas of Microporous Metal−Organic Frameworks. J. Am. Chem. Soc. 129, 8552-8556 (2007).

Tags

化学、問題91、有機金属フレームワーク、多孔性配位高分子、超臨界CO
官能化有機金属構造体の合成とキャラクタリゼーション
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Karagiaridi, O., Bury, W., Sarjeant, More

Karagiaridi, O., Bury, W., Sarjeant, A. A., Hupp, J. T., Farha, O. K. Synthesis and Characterization of Functionalized Metal-organic Frameworks. J. Vis. Exp. (91), e52094, doi:10.3791/52094 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter