Kovalent Organik Çerçevelerin Mikroakışkan Temelli Sentezi (COF'ler): Bir Yüzey Üzerinde COF Liflerinin Sürekli Üretimi ve Doğrudan Baskı için Bir Aracı
Summary
Kovalent organik çerçevelerin (COFs) sentezi için yeni bir mikroakışkan tabanlı yöntem sunuyoruz. Bu yaklaşımın, sürekli COF lifleri üretmek için nasıl kullanılabileceğini ve ayrıca yüzeylerde 2D veya 3D COF yapıları oluşturabileceğini gösteriyoruz.
Abstract
Kovalent Organik Çerçeveler (COF), sıklıkla işlenemeyen kristal tozlar halinde sentezlenen gözenekli kovalent materyallerin bir sınıfıdır. İlk COF, hazırlık aşamasında yeni sentetik yolların oluşturulması üzerine yoğun çaba sarf edilerek 2005 yılında bildirildi. Bugüne kadar, COF sentezi için mevcut en sentetik yöntemler, solvotermal koşullar altında bulk karıştırmaya dayanmaktadır. Bu nedenle, reaksiyon koşulları üzerinde ince kontrol sağlamak ve yüzeylerde COF işleme kabiliyetini iyileştirmek için COF sentezi için sistematik protokoller geliştirmeye olan ilginin artması, pratik uygulamalarda kullanılması için gereklidir. Burada, iki kurucu yapı bloğu olan 1,3,5-benzenetrikarbaldehit (BTCA) ve 1,3,5-tris (4-aminofenil) benzen (TAPB) arasındaki reaksiyonun, COF sentezi için yeni bir mikroakışkan tabanlı yöntem sunduk. Kontrollü difüzyon koşulları altında ve oda sıcaklığında gerçekleşir. Böyle bir yaklaşım kullanarak sünger benzeri crysBundan sonra MF-COF olarak adlandırılan bir COF maddesinin elmas lifleri. MF-COF'nin mekanik özellikleri ve yaklaşımın dinamik yapısı, MF-COF elyaflarının sürekli olarak üretilmesine ve yüzeylere doğrudan baskı yapılmasına olanak tanır. Genel yöntem, esnek veya sert yüzeylerde 2D veya 3D COF yapılarının ileri düzeyde yazdırılması gereken yeni potansiyel uygulamalar açar.
Introduction
Kovalent organik çerçeveler (COFs), organik yapı taşlarının kovalent bağlar 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ile sağlam bir şekilde bir arada bulunduğu gözenekli ve kristalin bir maddedir. COF'ler tipik olarak, kurucu moleküler yapı bloklarının nihai ve önceden belirlenmiş bir gözenekli tertibat tanımlamak için seçici olarak reaksiyona girdiği yerde, supramoleküler kimya prensipleri takip edilerek monte edilir. Böyle bir yaklaşım, kontrollü ve sıralı yapıya ( örneğin , tanımlanmış gözenek boyutlarına sahip) ve kompozisyon 3 , 6 , 7 , 8'e sahip materyallerin sentezlenmesine izin verir. Diğer gözenekli malzemelerle karşılaştırıldığında, COF'ler hafif elementlerden (C, H, B, N ve O) oluşur ve ayarlanabilir poroya sahip oldukları için benzersizdirler Bölgeler 1 , 5 . Bu eşsiz ve özsel özelliklerden esinlenilerek COF'ler, kimyasal ayırmalarda 9 , gaz depolaması 10 ve kataliz 11 , sensörler 12 , optoelektronik 13 , temiz enerji teknolojileri 14 ve elektrokimyasal enerji cihazları 15 için potansiyel uygulama için değerlendirilmiştir.
Bugüne kadar, COF malzemelerinin hazırlanması için kullanılan yöntemlerin büyük çoğunluğu, yüksek sıcaklık ve basınçların standart olduğu solvotermal öz-yoğunlaşma ve ko-yoğunlaştırma reaksiyonlarına dayanmaktadır. COF'ler termal olarak sağlam olmasına rağmen genellikle sınırlı işlemlenebilirlik özelliklerine sahiptir, yani , COF'ler genellikle çözülmeyen ve işlenemeyen kristalin tozlardır ve bu, potansiyel ve pratik uygulamalardanSs = "xref"> 2 , 6 , 8 , 16 , 17 . COF sentezinde kaydedilen dikkate değer ilerleme kaydedilmesine rağmen, alanda önemli bir zorluk, yüzeylerde işlenebilirliklerini kolaylaştırabilen uygun reaksiyon koşullarında ( örneğin sıcaklık ve basınç) COF'lerin hazırlanmasını sağlayan bir yöntem geliştirmektir.
Son zamanlarda, çalışmalar, Shiff-bazlı kimyanın, oda sıcaklığında bir imin bazlı COF sentezinde kullanılabileceğini göstermiştir. 1,3,5-tris (4-aminofenil) benzen (TAPB) ve 1,3,5-benzenetrikarbaldehid (BTCA) 17 arasındaki hızlı ve etkin tepkime nedeniyle RT-COF-1 olarak adlandırılan üretilen COF oluşur ( Şekil 1A ). Bu sentetik yöntemin etkinliği, litografi kullanılarak katı ve esnek yüzeyler üzerinde RT-COF-1'in mikron ve alt mikron paternlerinin doğrudan baskısı ile gösterildi veyaMürekkep püskürtmeli baskı teknikleri. Kısa süre önce ve mikroakışkanlardan faydalanarak, bundan sonra MF-COF 6 olarak adlandırılan aynı imin esaslı COF liflerinin sürekli sentezi için etkili bir yaklaşım sergiledik. COFs 18'in üretilmesi için bildirilen diğer sentetik yaklaşımlardan farklı olarak, bu mikro-akışkan tabanlı sentetik yöntem, ortam sıcaklıklarında ve basınçlarda birkaç saniye içinde MF-COF liflerinin hızlı sentezini mümkün kılmıştır. Dahası, sentezlenmiş MF-COF elyaflarının mekanik stabilitesi sayesinde, bu mikro-akışkan tabanlı yöntemin yüzeylerde 2D ve 3D yapıların doğrudan baskısını nasıl sağlayacağını gösterdik. Burada, bu yöntemin farklı kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip çeşitli yüzeylerde COF yapıları çizmek için kullanılabileceğini göstermektedir. Bu yeni yöntemin, farklı yönlerde ve çeşitli yüzeylerde COF'lerin iyi kontrollü desenlenmesi ve doğrudan baskısı için yeni yollar açtığına inanıyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada bildirilen mikroakışkan tabanlı sentetik yöntem, yüzeyler üzerinde COF malzemelerinin doğrudan baskısı için yeni ve basit bir yaklaşım sağlar. Sentez, bir cam lameline bağlanmış bir mikroakışkan PDMS yongasından oluşan tek katmanlı bir mikroakışkan aygıt kullanılarak gerçekleştirilir. Mikroakışkan cihazın imalatı, bir silikon ana kalıba karşı PDMS'nin klasik olarak dökülmesi ve daha sonra, bir cam lameline karşı baskılanmış mikrokanallarla PDMS'nin birleştirilmesi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, İsviçreli Ulusal Bilim Vakfı (SNF) 'ne maddi destek için proje no. 200021_160174.
Materials
| High resolution film masks | Microlitho, UK | – | Features down to 5um |
| Silicon wafers | Silicon Materials Inc., Germany | 4" Silicon Wafers | Front surface: polished, back surface: etched |
| Silicone Elastomer KIT (PDMS) | Dow Corning, USA | Sylgard 184 | – |
| Chlorotrimethylsilane | Sigma-Aldrich, Switzerland | 386529 | ≥97%, CAUTION: Handle it only under fume hood. |
| Biopsy puncher | Miltex GmBH, Germany | 33-31A-P/25 | 1.5 mm |
| Glass coverslip | Menzel-Glaser, Germany | BB024040SC | 24 mm × 40 mm, #5 |
| Plasma generator instrument | Diener | Zepto B | Frequency: 40 kHz and plasma generator power: 0-30 W |
| PTFE tubing | PKM SA, Switzerland | AWG-TFS-XXX | AWG 20TFS, roll of 100 m |
| neMESYS Syringe Pumps | Cetoni GmbH, Germany | Low Pressure (290N) | – |
| Disposable Cup | Semadeni, Switzerland | 8323 | PS, 200 ml |
| Plastic Spatula | Semadeni, Switzerland | 3340 | L × W : 135 mm x 14 mm |
| Disposable Scalpels | B. Braun, Switzerland | 233-5320 | Nr. 20 |
| Disposable Syringes | VWR, Switzerland | 613-3951 | 5 ml, Discardit II |
| Acetic Acid | Sigma-Aldrich, Switzerland | 695092-500 | >=99.7%, CAUTION: Handle it only under fume hood. |
| 1,3,5-benzenetricarbaldehyde | Aldrich-Fine Chemicals | 753491 | 97% |
| 1,3,5-Tris(4-aminophenyl)benzene | Tokyo Chemical Industry | T2728-5G | >93.0% |
References
- Cote, A. P., et al. Porous, crystalline, covalent organic frameworks. Science. 310, 1166-1170 (2005).
- Ding, S. Y., Wang, W. Covalent organic frameworks (COFs): from design to applications. Chem Soc Rev. 42, 548-568 (2013).
- Huang, N., Wang, P., Jiang, D. L. Covalent organic frameworks: a materials platform for structural and functional designs. Nat Rev Mater. 1, 16068 (2016).
- Xu, H., Gao, J., Stable Jiang, D. L. crystalline, porous, covalent organic frameworks as a platform for chiral organocatalysts. Nat Chem. 7, 905-912 (2015).
- Wan, S., Guo, J., Kim, J., Ihee, H., Jiang, D. L. A Belt-Shaped, Blue Luminescent, and Semiconducting Covalent Organic Framework. Angew Chem Int Edit. 47, 8826-8830 (2008).
- Rodriguez-San-Miguel, D., et al. Crystalline fibres of a covalent organic framework through bottom-up microfluidic synthesis. Chem Commun. 52, 9212-9215 (2016).
- Bisbey, R. P., DeBlase, C. R., Smith, B. J., Dichtel, W. R. Two-dimensional Covalent Organic Framework Thin Films Grown in Flow. J Am Chem Soc. 138, 11433-11436 (2016).
- Spitler, E. L., Dichtel, W. R. Lewis acid-catalysed formation of two-dimensional phthalocyanine covalent organic frameworks. Nat Chem. 2, 672-677 (2010).
- Keskin, S. Adsorption, Diffusion, and Separation of CH4/H-2 Mixtures in Covalent Organic Frameworks: Molecular Simulations and Theoretical Predictions. J Phys Chem C. 116, 1772-1779 (2012).
- Tilford, R. W., Mugavero, S. J., Pellechia, P. J., Lavigne, J. J. Tailoring microporosity in covalent organic frameworks. Adv Mater. 20, 2741-2746 (2008).
- Hasegawa, S., et al. Three-dimensional porous coordination polymer functionalized with amide groups based on tridentate ligand: Selective sorption and catalysis. J Am Chem Soc. 129, 2607-2614 (2007).
- Das, G., et al. Chemical sensing in two dimensional porous covalent organic nanosheets. Chem Sci. 6, 3931-3939 (2015).
- Guo, J., et al. Conjugated organic framework with three-dimensionally ordered stable structure and delocalized pi clouds. Nat Commun. 4, 2736 (2013).
- Furukawa, H., Yaghi, O. M. Storage of Hydrogen, Methane, and Carbon Dioxide in Highly Porous Covalent Organic Frameworks for Clean Energy Applications. J Am Chem Soc. 131, 8875-8883 (2009).
- Xu, F., et al. Electrochemically active, crystalline, mesoporous covalent organic frameworks on carbon nanotubes for synergistic lithium-ion battery energy storage. Sci Rep-Uk. 5, 8225 (2015).
- El-Kaderi, H. M., et al. Designed synthesis of 3D covalent organic frameworks. Science. 316, 268-272 (2007).
- Ruigomez, A. D., et al. Direct On-Surface Patterning of a Crystalline Laminar Covalent Organic Framework Synthesized at Room Temperature. Chem Eur J. 21, 10666-10670 (2015).
- Segura, J. L., Mancheno, M. J., Zamora, F. Covalent organic frameworks based on Schiff-base chemistry: synthesis, properties and potential applications. Chem Soc Rev. 45, 5635-5671 (2016).
- Abrishamkar, A., et al. Microfluidic Pneumatic Cages: A Novel Approach for In-chip Crystal Trapping, Manipulation and Controlled Chemical Treatment. J Vis Exp. (113), e54193 (2016).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane). Anal Chem. 70, 4974-4984 (1998).
- Rubio-Martinez, M., et al. Freezing the Nonclassical Crystal Growth of a Coordination Polymer Using Controlled Dynamic Gradients. Adv Mater. 28, 8150-8155 (2016).
- Liu, H., et al. A Catalytic Chiral Gel Microfluidic Reactor Assembled via Dynamic Covalent Chemistry. Chem Sci. 6, 2292-2296 (2015).
- Puigmarti-Luis, J., et al. Stepwise Template Growth of Functional Nanowires from an Amino Acid-Supported Framework in a Microfluidic Chip. ACS Nano. 8 (1), 818-826 (2014).
