Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Pålitelig Mechanochemistry: Protokoller for reproduserbar resultatene ryddig og flytende assistert Ball-mølle sliping eksperimenter

Published: January 23, 2018 doi: 10.3791/56824
Automatic Translation
1, 1,2, 1
1Department of Chemistry, University of Cambridge, 2Department of Earth Sciences, University of Cambridge

Summary

Vi presenterer detaljerte prosedyrer for å produsere eksperimentelle likevekt kurver fase sammensetningen som en funksjon av løsemiddel konsentrasjon i et fast system under fresing forhold.

Abstract

Likevekt utfallet av ballen mill sliping kan dramatisk endre som en funksjon av selv små variasjoner i eksperimentelle forhold som tilstedeværelse av svært små mengder lagt løsemiddel. For å fange denne følsomheten reproduserbar og nøyaktig, må experimentalist nøye vurdere hver enkelt faktor som kan påvirke ballen møllen sliping reaksjon under etterforskning, fra sliping glassene er ren og tørr før bruk, til nøyaktig legge støkiometri av Start, å validere at levering av løsemiddel volum er korrekt, til å sikre at samspillet mellom løsemiddelet og pulveret er godt forstått, og om nødvendig en bestemt soaking tid legges i prosedyren. Kinetisk forstudier er avgjørende for å bestemme nødvendige fresing som tiden oppnå likevekt. Deretter fås utsøkte fase komposisjon kurver som en funksjon av løsemiddel konsentrasjonen under ballen mill flytende assistert sliping (LAG). Ved streng og forsiktig prosedyrer slik som de som her presenteres kan slik fresing likevekt kurver oppnås for nesten alle fresing systemer. Systemet vi bruker for å vise disse prosedyrene er en disulfide exchange reaksjon fra ekvimolare blanding av to homodimerer å få på likevekt kvantitative heterodimer. Sistnevnte er dannet av ballen mill sliping som to forskjellige polymorphs, Form A og B for skjemaet. Forholdet R = [Form B] / ([skjemaet A] + [Form B]) på fresing likevekt avhenger av natur og konsentrasjon løsemiddel i fresing glasset.

Introduction

Mechanochemistry bruker manuell eller ball mill sliping utstyr har blitt stadig mer populært de siste årene som et attraktivt og bærekraftig alternativ til tradisjonell løsningsmetoder for syntese av materialer. 1 det er attraktiv fordi den tillater reaksjon mellom tørrstoff oppnås effektivt og kvantitativt. Det er en "grønn" bærekraftig teknikk, som krever lite eller ingen løsemiddel. Fresing eller manuell sliping kan utføres pen, dvs uten lagt løsemiddel, eller solvent assistert: i det siste, kjent som "flytende assistert grinding" (LAG),2,3,4 veldig små mengder av ekstra væske kan akselerere eller selv aktivere ellers utilgjengelige mechanochemical reaksjoner mellom faste stoffer. Mechanochemical metoder brukes for et stadig økende antall forskjellige kjemiske reaksjoner og synteser av uorganiske og organiske forbindelser,5,6,7,8,9 ,11 så vel som for dannelsen av supramolecular arkitekturer som molekylær co krystaller,12,13,14 metalorganic rammeverk,15, 16 , 17 og selv burene18 og rotaxanes19. Det synes at mange prosesser kan fortsette i fravær av løsemidler eller med løsemidler i minimal substoichiometric mengder. 2 , 3 , 4 mekanismer og drivkreftene involvert i de kjemiske synteser supramolecular reaksjoner forårsaket av mechanochemical forhold er gjenstand for debatt. 1 , 13 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24

Vår forskning fokuserer på siste likevekt resultatene av ballen møllen sliping prosessen og rollen av løsemiddel på likevekt under ballen mill LAG forhold. Faktisk, når ballen møllen sliping reaksjon når ferdigstillelse, termodynamisk likevekt oppnås i de to systemene vi har undersøkt så langt i vårt system, med en stabil fase komposisjon. 25 faktorer som kan påvirke den endelige likevekten er mange og varierte: ball mill jar størrelse og form og materiale, kulelager størrelse og vekt og materiale, fresing frekvens, temperatur, og løsemiddel natur og konsentrasjon. Dette er tydeligvis saken når termodynamisk utfallet av sliping reaksjon endringene dramatisk i respons til en endring i løsemiddel volumet lagt, som kan være en gang så lave som 1µL per 200 mg totale pulver. 25 forsiktig og strenge eksperimentelle prosedyrer har testet og følges for å oppnå reproduserbar presisjon og nøyaktighet av eksperimentelle resultatene, fra reaktantene og produkter lagring, pipettering og miksing pre fresing drift. Det er vanskelig å kontrollere eller selv overvåke parametere i en fresing krukke. Bruk av en mekanisk mikser mill (også kalt vibrerende mill), som gir reproduserbare og kontrollert fresing frekvenser og ganger, og forseglet fresing glass er derfor viktig. Sikre at alle ball mill sliping reaksjoner krever rekkevidde likevekt noen foreløpige kinetic undersøkelse av eksperimentelle forhold. Mekanisk blandebatteri brukes for kurvene vi presenterer her ble endret. For å hindre glassene varmer opp gjennom kontinuerlig flyten av eksos av motoren i forseglet kammer over lengre sliping, sikkerhet dekke tetting fronten av vinkelsliperen ble fjernet, og en ekstern sikkerhet skjermen ble plassert i sin pla CE.

Systemet som vi brukt som et første eksempel er disulfide exchange reaksjon mellom bis-2-nitrophenyldisulfide (kalt 1-1) og bis-4-chlorophenyldisulfide (kalt 2-2) i nærvær av en liten mengde base katalysator 1,8-diazabicyclo [ 5.4.0]undec-7-ene (dbu) å produsere på ballen mill pen sliping (NG) og LAG den sammensatte 4-klorofenyl-2-nitrophenyl-disulfide (kalt 1-2). 26 , 27 sistnevnte er dannet av ballen mill sliping som to forskjellige polymorphs, Form A og B for skjemaet. For mange forskjellige LAG løsemidler er skjemaet A termodynamisk produktet under ballen mill NG forhold eller når ikke nok løsemidler brukes i sliping reaksjonen tatt til likevekt, mens Form B er oppnådd som termodynamisk produktet under ballen Mill LAG forholdene på likevekt når nok løsemiddel legges til fresing jar. Faktisk kan skjemaet A fås fra Form B under ballen mill NG, mens Form B kan hentes fra skjemaet A under ballen mill LAG. Slike direkte transformasjon i fresing eksperimenter er rapportert før i andre systemer,28,29 og det har blitt rapportert at naturen og konsentrasjon løsemiddel bestemmer polymorph innhentet under LAG forhold. 30 publiserte eksperimentelle resultatene inkluderer etterforskningen av fresing likevekt kurver for en rekke organiske løsemidler. Her likevekt fase sammensetning ratio R = [Form B] / ([skjemaet A] + [Form B]) er plottet mot volumet LAG løsemiddel lagt for hvert eksperiment. Utbruddet av likevekt kurven og skarpheten på kurven fant avhengig natur og molar mengde løsemiddel lagt til fresing glasset.

Figure 1
Figur 1: Reaksjon ordningen av ballen møllen sliping eksperimenter og nøkkelbegrep løsemiddel likevekt kurver med R-verdien.
Disse likevekt kurver viser grafisk effekten av tillegg av noen dråper løsemiddel (x-aksen) på fase sammensetningen av produktet (y-aksen) når ballen mill sliping lenge nok til å oppnå forhold. Den nederste delen av grafen kontoene for Form A kvantitativt blir formet, den øverste delen av grafen på Form B blir kvantitativt dannet mens en blanding av skjemaet A og Form B er dannet for område løsemiddel regnskap for den sigmoidal delen av grafen. Dette tallet har blitt gjengitt med mindre endringer fra den utfyllende informasjonen i kjemiske Sci., 2016, 7, 6617 (Ref. 25). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Termodynamisk aspekter er generelt og må gjelde ethvert gitt fresing system. Som enda et eksempel å vise det generelle innholdet i våre observasjoner, en tilsvarende likevekt kurve ble også produsert for et: de to polymorphs av 1:1 co krystall av teofyllin (tp) med benzamide (bzm), skjema jeg og skjemaet II, der den Resultatet er avhengig av volumet av vann i sliping blandingen. 25 disse fase komposisjon versus løsemiddel konsentrasjon likevekt kurver er avgjørende for å undersøke samspillet mellom nanocrystal overflater og løsemiddel molekylene i likevekt på ballen mill sliping reaksjoner. Våre resultater viser at noen likevekt kurver er veldig skarp, viser en "all-or-nothing" atferd, som er karakteristisk for partikler med en rekke adsorpsjon nettsteder og positiv cooperativity i bindingen prosessen. 31 grunnere likevekt kurver angir et lavere cooperativity og foreslå tilstedeværelsen av en tredje fase på likevekt, muligens en amorf fase med løsemiddelet selv. Slike fresing likevekt kurver er produsert for ingen andre system til vår kunnskap. Vi tror dette er delvis på grunn av iboende sensitiviteten av robust begrunne systemet selv svært små miljøendringer under ballen mill LAG forhold.

Utarbeidelse av god og pålitelig løsemiddel konsentrasjon kurver kan bare oppnås hvis experimentalists nøye validerer sine pipettering ferdigheter med opplæring sett og hvis de forstår (i) hvordan Pipetter og sprøyter fungerer og (ii) hvis utstyret de har valgt for levere nøyaktig og presis antall et løsemiddel er egnet til å utføre den planlagte jobben. Levering av en nøyaktig mengde løsemiddel kan oppnås med en rekke utstyr, dette blir Pipetter eller sprøyter og deres valg kan avhenge av tilgjengelighet, brukerens preferanser og ferdigheter, Damptrykk løsemiddel brukes og beregnet program for det ballen mill sliping eksperimenter.

Pipetter er kommersielt tilgjengelig som luften forskyvning eller positiv forskyvning som dekker mange løsemiddel områder. Begge typer Pipetter er kommersielt tilgjengelig som manuelt operert eller elektronisk automatisert. Automatiske pipetter er generelt foretrukket som de er mindre avhengige experimentalist kompetanse til å kunne Sug opp eller dispensere et løsemiddel jevnt ved en gitt hastighet. Experimentalist må stole på evnen til Pipetter å levere nøyaktige volumet løsemiddel. Dette kan bare skje hvis Pipetter er riktig å begynne med, godt vedlikeholdt og betjent regelmessig kalibrert. Vanligvis vil eksterne pipette kalibrering tjenester kalibrere Pipetter ISO 8655-standarden bruker vann som løsemiddelet. Derfor for hver organiske løsemidler bør på experimentalist validere sin nøyaktighet og presisjon av pipettering gjennom nøyaktig veiing eksperimenter over tiltenkte område å bli utlevert.

Mest brukte løsemiddel levering utstyret er luft forskyvning Pipetter som et tips må monteres sprøytesylinderen. De arbeider på et luftpute prinsipp; oppadgående bevegelse av stempelet produserer en delvis vakuum i spissen, forårsaker væsken skal trekkes inn spissen som er atskilt fra slutten av stempelet av luften pute. Damp fasen pipetted løsemiddel starter equilibrate i luften pute, omfanget av fordampning vil avhenge av dens Damptrykk. Pre wetting er avgjørende når du bruker variabel volum Pipetter satt på sitt laveste område, siden forholdet mellom luftrom væske og potensialet for fordampning øker dramatisk sammenlignet med når pipette ligger øverst i sitt område. Experimentalist vil vite når denne likevekt er oppnådd, som løsemiddelet aliquot blir hengende, men atskilt fra slutten av stempelet fra en kilde, løsemiddelet nederst i spissen bor fast når pipette holdes vertikalt over noen sekunder : løsemiddelet inni tuppen bør ikke synke eller dryppe. Air forskyvning Pipetter kan brukes i to modi; de vanligvis brukes er fremover pipettering modus der alle aspirerede løsemiddelet er kvantitativt utlevert av en full bevegelse av stempelet. Den andre modusen er omvendt pipettering modus; i denne modusen er en beregnet overflødig løsemiddel pustende av pipette, og derfor etter kvantitative dispensing, et gjenværende volum løsemiddel fortsatt pipette spissen som må kastes til avfall. Omvendt pipettering modus kan være mer egnet for viskøse og dispensering lite volum av løsemidler. Lett men for høy Damptrykk løsemidler som diklormetan (DCM) eller diethyl Eter, balanse i luften forskyvning pipette kan ikke oppnås. Positiv forskyvning Pipetter eller sprøyter er mer passende i dette tilfellet.

Vi foreslår at likevekt fase komposisjon versus løsemiddel konsentrasjon kurver kan oppnås for alle system under tilstrekkelig godt designet, utført og kontrollert ball mill LAG forhold.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. validering av den presise utlevering av organiske løsemidler

  1. Validering av presise pipettering av organiske løsemidler i omvendt pipette-modus
    Merk: Air forskyvning Pipetter i omvendt pipettering modus ble valgt for et utvalg av LAG løsemidler (aceton, acetonitrile (MeCN), tetrahydrofuran (THF), ethyl acetate (EtOAc), kloroform (CHCl3) og vannistedenfor (DMF)) fordi de gjennomvåt svært effektivt i pulver av Start (1-1 og 2-2). Foreløpig kalibrering av omvendt pipettering modus med dette utvalget av løsemidler hadde gitt mer nøyaktig og presis utlevering av volumene i forhold til fremover pipettering modus. Bruk av omvendt pipettering modus tillatt kvantitative overføring av volumet av utlevert løsemiddel til pulver i sliping glasset cellemerknadene pipette spissen på innsiden av glasset på slutten av dispensering prosessen. Løsemidler overholdt rustfritt stål veggen av glasset vil være raskt og kvantitativt adsorbert av pulver under sliping. En iboende del av denne strategien var å unngå kontakt våt pipette tips med pulver som det ville sterkt klumpe seg rundt våt pipette spissen, gjør eksperimentet ugyldige.
    1. Bruk en 5 figur balanse. Samlingen fartøy bruker en avkortet 2 mL hetteglass.
    2. Angi 5 til 120 µL elektroniske luften forskyvning Pipetter til "reverse pipettering" modus, sette aspirasjon og dispensering hastigheten til laveste verdi.
    3. Angi volumet, for eksempel å 10,0 µL.
    4. Passe den pipette munnstykket til pipette spissen med en fast vertikal bevegelse for å oppnå en perfekt forsegling. Ikke vri eller flytte pipette sidelengs under montering som dette vil skade pipette spissen og kompromiss segl. Pre våt pipette 5 ganger av aspirating og dispensing 10,0 µL i en kontinuerlig sekvens med valgte løsemiddelet.
    5. Sug opp umiddelbart etter pre tisse, 10,0 µL løsemiddel sikrer pipette holdes loddrett. Legg spissen 2-3 mm under flytende overflaten. I "reverse pipettering"-modus er et sett overskytende løsemiddel automatisk pustende.
    6. Dispensere 10 µL volumet tared avkortet ampuller, sikre pipette holdes i 30-45o vinkel på innsiden av hetteglass. Forsiktig Tapp slutten av spissen mot innsiden av hetteglass å fange noen utsatte slippverktøyet til spissen. Cap ampullen umiddelbart og veie den. Registrere vekten. Kast til avfall sett overskytende løsemiddel i spissen.
    7. Erstatte den pipette tipset for en ny. Gjenta punkt 1.1.4 til 1.1.6 minst 3 ganger med samme Angi volum. Registrere vekter.
    8. Sett nå volumet av Pipetter til en annen verdi, dvs 20.0 µL. Gjenta punkt 1.1.4 til 1.1.7 med 20.0 µL volum. Gjøre samme prosedyre med 30.0 µL, 40,0 µL, 50.0 µL, 60.0 µL, 70.0 µL, 80,0 µL, 90.0 µL og 100 µL.
    9. Kvitte seg med en 1 µL presisjon for et smalere utvalg kreves for ballen møllen sliping eksperiment. For eksempel: for acetonitrile, Pipetter mellom 20 µL og 27 µL med 1 µL presisjon. Gjenta punkt 1.1.4 til 1.1.7 21.0 µL, 22.0 µL, 23,0 µL, 24.0 µL, 25.0 µL, 26.0 µL og 27,0 µL MeCN.
    10. Beregn den gjennomsnittlige vekten. Dele den gjennomsnittlige vekten av tettheten løsemiddel å få gjennomsnittsverdien av utlevert volumet. Angi verdiene for pipetted volumet løsemiddel µL i x-aksen og verdiene i µL for volumene beregnet fra den gjennomsnittlige vekten y-aksen. Figur 5 viser et eksempel på disse grafer.
      Merk: Korrelasjonskoeffisienten for linearitet grafen skal r2> 0,99 for bredt (10-100 µL) og den smale utvalget (20-30 µL).

Figure 5
Figur 5: Validering av nøyaktigheten og presisjon volum utlevert med elektroniske luften forskyvning pipette satt til å reversere pipettering modus, kalibrert ved veiing eksperimenter. (a, b)
a) spenner 10-100µL MeCN; b) utvidet smale varierer fra 20-30 µL MeCN. Dette tallet har blitt gjengitt med mindre endringer fra den utfyllende informasjonen i kjemiske Sci., 2016, 7, 6617 (Ref. 25). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Validering av presise pipettering av organiske løsemidler i fremover pipette-modus
    Merk: Air forskyvning Pipetter i frem pipettering modus (normal modus av pipettering) ble valgt for et utvalg av LAG løsemidler (metanol (MeOH), etanol (EtOH), isopropanol (IPA), dimethyl sulfoxide DMSO, benzen, toluen og vann (H2O)) som gjorde ikke suge eller gjennomvåt mye også langsomt inn pulver av Start (1-1 og 2-2). Derfor var det avgjørende å unngå utlevering løsemidler på indre veggene i glasset eller på overflater av kulelager som disse løsemiddel ikke ville være adsorbert effektivt nok av solid under sliping og derfor ikke ta del i ballen mill sliping reaksjon. Strategien var kvantitativt overføre volumet løsemiddel direkte til pulveret cellemerknadene våt pipette spissen på pulveret på slutten av dispensering prosessen uten risiko for pulver clumping rundt våt spissen. Bruk av omvendt pipettering ville ha vært uegnet for dette området av løsemidler som løsemiddel rester som trenger å bo i pipette spissen på slutten av pipettering prosedyre ville er feilaktig overført av kapillær handling når fuktet spissen ble hvilte på pulver og derfor utlevert mer løsemiddel enn beregnet.
    1. Følg 1.1.1 å 1.1.2 men sett elektroniske luften forskyvning pipette "normal pipettering"-modus.
    2. Angi volumet, for eksempel å 65.0 µL for metanol, og Følg trinn 1.1.4.
    3. Leveringstanken 65,0 µL metanol følgende instruksjon på 1.1.5. Under "normal pipettering" er bare nøyaktig volumet løsemiddel automatisk pustende.
    4. Dispensere 65.0 µL metanol til ampullen som 1.1.6 kvantitativt overføre alle volumet. Cap ampullen umiddelbart og veie den. Registrere vekten og Følg trinn 1.1.7.
    5. Gjenta punkt 1.2.2 til 1.2.4 bruker 25.0 µL sett nå volumet i Pipetter til 25.0 µL. Gjør det samme med 50.0 µL, 60.0 µL, 75.0 µL, 80,0 µL og 85.0 µL metanol.
    6. Kvitte seg med en 1 µL presisjon mellom 63 µL og 70 µL for metanol. Gjenta punkt 1.2.2 til 1.2.4 63.0 µL, 64.0 µL, 66.0 µL, 67.0 µL, 68.0 µL og 69.0 µL metanol.
    7. Følg 1.1.10. Det brede utvalget for metanol er 25-100 µL smale er 60 til 79 µL.

2. syntese av skjemaet A og Form B av ballen mill sliping

  1. Foreløpig undersøkelse av sliping tiden nødvendig for å syntetisere Form A av ballen mill NG til likevekt
    1. Rengjør sliping glassene ved sonicating dem i aceton. Vask med vaskemiddel, skyll med vann og deretter med aceton. Tørt sliping glassene i en tørking skap ved 70 ° C i over 30 min. tillate sliping glassene å avkjøle før bruk.
    2. Veie 104.82 ± 0,1 mg av 1-1 krystaller (0.34 mmol, 1.0 tilsvarende) bruker en 5 desimale tallet balanse. Overføre kvantitativt vektet pulver til den mannlige halvdelen av en 14 mL rustfritt stål snap-nedleggelse sliping krukke.
      Merk: Det fungerer best når veiing bakepapir kuttet i U-form som pulver ikke fester på veiing båten overføringstidspunktet veiing båt. Gjør det lite nok til å passe enkelt inn åpningen av sliping glasset for å unngå søl. Som en forholdsregel bør bruke brede bladet avrundet pinsetter, som de grep bedre, for å transportere fylt veiing båten fra saldoen på innsiden av sliping glasset. Bruk dem også senere å håndtere kulelagerne.
    3. Veie 97.66 ± 0,1 mg av 2-2 krystaller (0.34 mmol, 1.0 tilsvarende). Overføre vektet pulveret kvantitativt til den mannlige halvdelen av sliping glasset. Glasset inneholder allerede 1-1.
    4. Bland to tørrstoff reagenser i sliping glasset godt med en mikro slikkepott.
    5. Sette inn to 7.0 mm diameter (1.37 g) herdet stål kulelager. Plass dem nøye på pulveret.
    6. Pipetter 2 µL dbu ved hjelp av en 1-10 µL pipette og levere base katalysator på en av de to kulelagerne.
      Merk: ta vare ikke for å tillate kulelager med dbu å rulle over pulver. Dette vil resultere i pulveret er belagt med dbu før sliping startes.
    7. Klikk Lukk sliping glasset. Kontroller uten mellomrom er igjen i krysset. Sikre utsiden av krysset med isolerende tape som en ekstra forholdsregel.
    8. Installere sliping glasset i justerbar klemmen fra en av de to armene av ballen mill vinkelsliperen. Fest skruen på sikkerhet klemmen til glasset er immobilisert.
    9. Slå selv låse spennanordningen til låst posisjon hindre at glasset kastet ut mens sliping. Kontroller den andre armen bærer en lignende vekt glasset slik at vinkelsliperen er jevnt balansert mens sliping og ikke skadet. Installere en sikkerhet skjermen foran jeksel.
      Merk: Bygge sikkerhet skjermen har blitt fjernet fra ballen mill jeksel og erstattet med en ekstern sikkerhet skjermen. Dette er å unngå varme venting fra motor oppvarming i lukket rom der sliping glassene er installert og varme dem under sliping.
    10. Angi frekvensen av ballen mill vinkelsliperen 30 Hz og timeren til, for eksempel 5.0 min.
    11. Nå start vinkelsliperen ved å trykke START -knappen. Når tiden har gått, stopper jeksel automatisk. Umiddelbart fjerne isolerende tape fra krysset og åpne sliping glasset.
    12. Analysere produktet umiddelbart ved ferdigstillelse av sliping. Kjør først pulver X-ray diffractogram (PXRD) skanningen.
    13. Overføre pulver fra sliping glasset til en liten agat morter. Bryte klumper med agat støter til pulver er glatt. Overføre noen pulver til 2 mm rektangulære utsparingen i glass PXRD eksempel lysbildet. Komprimere pulver med et glass lysbilde å jevnt flate pulver overflaten til samme nivå som resten av av objektglass. Fjerne rester pulver på overflaten. Merk lysbildet.
    14. Montere PXRD eksempel lysbildet på lysbildet braketten av pulver Xray diffractometer. Skanne prøven. Pulver Xray diffractometer brukt er utstyrt med Cu Kα stråling og en detektor i refleksjon geometri med følgende parametere: varierer 5 til 45° i 2θ, steg størrelse 0,03 °, tid/trinn 100 s med totale tiden 13 min, 0.04 rad soller, VxA 40 x 40. Stenge PXRD og begynne PXRD skanningen på datainnsamling programvare.
    15. Utføre en Rietveld avgrensning (finne Rietveld raffinement retningslinjer i kapittel 4.1) på PXRD data samles inn. Dette gir fase sammensetningen av solid prøven i % wt. Beregn fase sammensetning som %M av den starter materiale 1-1 og 2-2 og hver polymorph av produktet skjemaet A og Form B.
    16. Analysere den kjemiske sammensetningen av pulver av høy ytelse flytende kromatografi (HPLC). Forberede den prøve fortynningsmiddel ved å legge til 0,2 mL trifluoroacetic syre (TFA) med et glass gass stramt sprøyten til 100 mL HPLC klasse acetonitrile skjemaet "MeCN+0.2% TFA" løsning. Bland godt.
    17. Klargjør prøve løsningen for såkalt HPLC-analyse i en konsentrasjon av 1mg/mL i "MeCN+0.2% TFA". Bruker en 5 figur balanse, null en 1,8 mL klart HPLC hetteglass. Legge en liten mengde pulveret til å nå en vekt mellom 0,7 og 1.0 mg. post vekten (f.eks 0,88 mg). Justere en 1 mL automatisk pipette for å gi et volum i µL tilsvarer beløpet veide (f.eks 880 µL for 880 µg veide). Pipetter dette volumet i prøven bitumenet (MeCN+0.2%TFA). Det bør resultere i en 1 mg/mL eksempel løsning.
    18. Cap HPLC ampullen med en egnet HPLC lue med septa. Swirl ampullen manuelt for å få pulveret i løsningen. Sonicate ampullen for maksimalt 5 min å sikre at pulveret er i løsningen. Sjekk mot lyset å sikre det er ingen partikler fra ikke. Dette eksemplet er nå klar for såkalt HPLC-analyse.
    19. Installere en C18 HPLC kolonne på HPLC utstyret. Installere mengden av kolonnen HPLC på utløpet av varmevekslere i kolonnen ovnen og utløpet av HPLC kolonnen mengden av ultrafiolett/synlig (UV/VIS) spektrofotometer flowcell.
    20. Forberede HPLC systemet med løsemiddel A som "Vann +0.1% maursyre" og løsemiddel B som "Acetonitrile +0.1% Beregn". Tømme HPLC systemet med både løsemidler. Angi UV/VIS detektoren til λ = 260 nm, med en 8 nm båndbredde og λReferanse = 550 nm med en 100 nm båndbredde. Setter injeksjon volumet til 1 µL og angi HPLC kolonnen ovnen til 60 ° C. Likevekt kolonnen HPLC med 75% løsemiddel B. innsetting og løpe løsemiddel gradient fra 75 til 85% løsemiddel B over 2 min med en strømningshastighet på 2 mL/min. likevekt over 1 min før neste injeksjon. Sette inn prøven. 1-1 elutes på 0.55 min, 1-2 elutes 0.9 minutter og 2-2 elutes på 1.65 min.
      Merk The UV/VIS parametere velges eksperimentelt slik at peak området 1-1 er den samme som for 2-2. 1-1 og 2-2 forventes å være alltid ekvimolare i denne robust begrunne reaksjonen. Best matche de høyeste områdene for 1-1 og 2-2 oppnås med UV/VIS detektoren brukes med λ = 260 nm (topp bredde 8nm); ΛREF = 550 nm (topp bredde 100nm).
    21. Fastslå peak området for hver av disse 3 topper og beregne totale toppbelastning området. Beregne % Peak området Ratio (% linje) ved topp områdene Personlige toppene av totale toppbelastning området. Rapporten verdier Hentet som konsentrasjon uttrykt som %M 1-1, 2-2 og 1-2. Disse verdiene er tilsvarende deres tilsvarende % PAR.
    22. Gjenta eksperimentet (trinn 2.1.2 å 2.1.21) ved bare å endre sliping tiden 10 min, 15 min, 20 min, 25 min, 30 min, min 32, 34 min, 36 min, 38 min, 40 min og 45 min i 2.1.10. Alltid kjøre en ekstra forsøket etter å ha nådd likevekt av sliping for lengre tid å sikre at likevekt er konstant.
      Merk: Disse bestemte sliping tider er valgt å definere eksponentiell segmentet av kinetic kurven i likevekt etter innledende forsinkelsesperioden. På likevekt er fase sammensetningen konsekvent med kvantitative skjemaet A mens den kjemiske sammensetningen er forenlig med 97% M av 1-2, 1,5% av 1-1 og 1,5% M av 2-2.
    23. Tegne inn den kjemiske sammensetningen innhentet fra såkalt HPLC-analyse av 1-1, 2-2 og 1-2 som %M i y-aksen og sliping tiden i minutter i x-aksen. Dette gir en kinetisk kurve for den kjemiske sammensetningen. Figur 3a viser et eksempel på kinetic kurve plotting kjemisk sammensetning av ballen mill pen sliping versus sliping tid.
      Merk: Kvantitative dannelsen av 1-2 viser at eksperimentet har nådd termodynamisk likevekt.
    24. Plot fase Sammensetningen innhentet fra Rietveld avgrensningen av 1-1, 2-2, skjemaet A og Form B som %M i y-aksen og slipe tid i min i x-aksen. Dette gir en kinetisk kurve plotting fase sammensetningen. Figur 3b) viser et eksempel på kinetic kurve for fase sammensetningen av ballen mill pen sliping versus sliping tid.

Figure 2
Figur 2: Rietveld raffinement tomten eksempel for likevekt blandingen under fresing forhold ved 67 µL metanol.
Eksperimentell mønster (svart linje), beregnet mønster for skjemaet A (blå), beregnet mønster for Form B (rød) og forskjellen mønster (grå). Avgrensningen konvergerte med Rwp=10.82% og χ2 = 2,65. Dette spesifikke eksempelet R forholdet var 41%, og krystall størrelse ble anslått for å være 71 og 86 nm for skjemaet A og Form B henholdsvis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: Kinetic kurver innhentet for ballen møllen pen sliping reaksjon av 1-1-2-2 + 2 %M dbu (a, b).
Ingen passende ble utført - linjene er bare en guide for øyet. Grafen viser sammensetningen av reaktantene (1-1 & 2-2) og heterodimer dannet (Form A og Form B) som %M versus sliping tid en) HPLC analyser viser kjemiske sammensetning av pulver på hvert kinetic punkt; b) Rietveld avgrensningen av PXRD skanner viser fase sammensetning av pulver på hvert kinetic punkt. Viser at skjemaet A dannes utelukkende mens Form B ikke er utformet kinetic helst. Gjengitt med tillatelse fra JACS, 2014, 136, 16156 (Ref. 27). Copyright 2014 American Chemical Society. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Foreløpig undersøkelse sliping tid å syntetisere Form B av ballen mill LAG med 50µL MeCN til likevekt
    1. Følg trinn 2.1.2 å 2.1.6.
    2. Dispensere 50 µL MeCN over pulver med en 100 µL pipette unngå kontakt med våt pipette spissen med pulver. Se del 1.1 og 1.2 anbefalte prosedyrer for pipettering organiske løsemidler i omvendt pipettering og pipettering normal.
      Merk: Ikke berør pulver med Pipetter spissen som inneholder MeCN rester. Pulveret vil umiddelbart klumpe seg rundt våt pipette spissen resulterer i dårlig støkiometri for pulver og løsemiddelet. Dette vil påvirke kinetics og gjøre eksperimentet ugyldige. Noen manuelle pipette eller automatisk pipette i omvendt pipettering eller normal pipettering vil være egnet til dette eksperimentet. 50 µL MeCN er godt over 23 µL MeCN som kreves for å utføre denne reaksjonen. Derfor kreves presis pipettering ikke her.
    3. Følg trinn 2.1.7 til 2.1.12.
    4. Analysere fase sammensetningen av Rietveld raffinement i trinn 2.1.13 å 2.1.15 og den kjemiske sammensetningen av HPLC som 2.1.16 til 2.1.21.
      Merk: Skjemaet A er aldri observert under ballen mill LAG forhold.
    5. Gjenta eksperimentet (trinn 2.2.1. til 2.2.4) bare endre lengden på sliping tiden 10 min, 13 min, 14 min, 15 min, 17 min, 18 min, 20 min, 25 min og 30 min. alltid kjører et ekstra eksperiment etter å ha nådd likevekt av sliping for lengre tid å sikre at th e er likevekt konstant.
      Merk: Disse sliping ganger er valgt å definere eksponentiell segmentet av kinetic studien i likevekt etter innledende forsinkelsesperioden. På likevekt, fase sammensetningen er forenlig med kvantitativ Form B mens den kjemiske sammensetningen er konsekvent med 97 %M 1-2, 1.5%M av 1-1 og 1.5%M av 2-2.
    6. Forberede kinetic grafen den kjemiske sammensetningen i 2.1.23 (se figur 4a) og fase komposisjonen, som 2.1.24 (se figur 4b)

Figure 4
Figur 4: Kinetic kurver innhentet for ballen møllen LAG reaksjon av 1-1-2-2 + 2 %M dbu + 50 µL MeCN. (a, b)
Ingen passende ble utført - linjene er bare en guide for øyet. Grafen viser sammensetningen av reaktantene (1-1 & 2-2) og heterodimer dannet (Form A og Form B) som %M versus sliping tid en) HPLC analyser viser kjemiske sammensetning av pulver på hvert kinetic punkt; b) Rietveld avgrensningen av PXRD skanner viser fase sammensetning av pulver på hvert kinetic punkt. Viser at Form B dannes utelukkende mens skjemaet A ikke dannes kinetic helst. Gjengitt med tillatelse fra JACS, 2014, 136, 16156 (Ref. 27). Copyright 2014 American Chemical Society. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Syntese av skjemaet A av ballen mill NG
    1. Følg alle trinnene i Seksjon 2.1. Grind for 45 min ved 30 Hz som tilstrekkelig for å nå likevekt.
      Merk: Skjemaet A dannes kvantitativt. Den kjemiske sammensetningen av produktet er i samsvar med 97 %M 1-2, 1.5%M av 1-1 og 1.5%M av 2-2.
  2. Syntese av Form B av ballen mill LAG
    1. Følg alle trinnene i delen 2.2. Grind for 30 min ved 30 Hz som tilstrekkelig for å nå likevekt.
      Merk: Skjemaet B dannes kvantitativt. Den kjemiske sammensetningen av produktet er i samsvar med 97 %M 1-2, 1.5%M av 1-1 og 1.5%M av 2-2.

3. forberedelse av skjemaet A og/eller Form B av ballen mill LAG med forskjellige typer og mengder organiske løsemidler som LAG løsemidler.

  1. Fremgangsmåte 1: Ball mill LAG reaksjon LAG løsemidler med høy affinitet for pulver
    Merk: Fremgangsmåte 1 utviklet for LAG løsemidler som viser høy affinitet for ekvimolare blanding av 1-1 og 2-2. Eksempler er MeCN, aceton, THF, DMF, EtOAc og CHCl3. Som et eksempel på denne fremgangsmåten vil vi diskutere tillegg av 17,0 µL aceton som LAG løsemiddel.
    1. Følg 2.1.1 til 2.1.6, men bruker en 14 mL skruen nedleggelse sliping glasset.
      Merk: For disse presis LAG eksperimenter, bruk skruen-nedleggelse rustfritt stål sliping krukker med en Teflon sel innlemmet i krysset å felle kvantitativt løsemiddelet og solid under sliping i glasset. En snap nedleggelse sliping glasset kan lekke løsemiddel krysset.
    2. Fastsette den nederste delen av den mannlige halvparten av slipe jar til benken med gjenbrukbare selvklebende kitt, for å hindre kulelagerne fra bølgende senere i prosedyren.
    3. Angi den elektroniske luften forskyvning Pipetter til "reverse pipettering", aspirating og dispensering hastigheten til den laveste innstillingen og volum, for eksempel til 17,0 µL for aceton. Følg fremgangsmåtene som nevnes for bruk av "omvendte pipettering" i del 1.1.
    4. Ta spesiell bekymre å homogenously dryppe 17,0 µL aceton på utsatte overflaten av pulver.
      Merk: Ikke berør pulver med Pipetter spissen som inneholder aceton rester. Pulveret vil umiddelbart klumpe seg rundt våt pipette spissen resulterer i dårlig støkiometri for pulver og løsemiddelet. Denne hendelsen vil gjøre eksperimentet ugyldige. Det er ingen problem med en høy affinitet løsemiddel blir igjen på innsiden veggen av sliping glasset eller at kulelager som ikke er lastet med dbu. Disse løsemidler har slike høy affinitet for pulver, at de vil bli kvantitativt absorbert av pulver under sliping.
    5. Ta den tomme kvinnelige halvparten av sliping glasset og nøye skru den på mannlige halvparten som inneholder pulver. Gjør dette så snart som mulig etter at aceton. Skru fast slik at Polytetrafluoroethylene (PTFE) vaskemaskinen gjør en tett forsegling. Tape utsiden av krysset trygt med isolerende tape som en ekstra forholdsregel.
    6. Følg 2.1.8 til 2.1.12 men sette stopuret å 45 min.
      Merk: Foreløpig kinetic eksperimenter med aceton som LAG løsemiddelet har vist at 45 min sliping tilstrekkelig for ballen møllen sliping reaksjon nå ønsket likevekt.
    7. Analysere fase sammensetningen av PXRD som 2.1.13 til 2.1.15 og den kjemiske sammensetningen av HPLC som 2.1.16 til 2.1.21.
      Merk: det er viktig for disse eksperimentene som analysen av HPLC samsvarer med kvantitative dannelsen av 1-2 demonstrere at robust begrunne reaksjonen har nådd termodynamisk likevekt.
    8. Beregne begrepet R. R er forholdet mellom % mol av Form B og % mol på samlede heterodimer 1-2 = skjemaet A+ Form B.
    9. Gjenta trinn 3.1.1 til 3.1.8 av pipettering ulike volumer samme løsemiddel (aceton) til å definere likevekt kurven (se 3.1.9 nedenfor). Utfør sliping eksperimenter ved å legge 10.0µL, 14.0µL, 15.0µL, 16.0µL, 18.0µL, 20.0µL, 30.0µL og 50.0µL aceton uavhengig til pulver.
    10. Tegne likevekt kurven for aceton ved å angi %R verdiene i y-aksen og µL aceton lagt i x-aksen. X-aksen uttrykkes µL aceton per 200 mg pulver eller mol aceton per mol av totale pulver.
      Merk: ved aceton, tillegg av 16 µL eller mindre aceton resultater i kvantitative skjemaet A (0 %R) mens tillegg av 17 µL eller flere aceton resultater i kvantitativ Form B (100 %R). Et eksempel på kjemiske og fase analyse fører til løsemiddel balanse kurven på ball mill LAG sliping med DMF som LAG løsemiddel ses i figur 7.

Figure 7
Figur 7: Ball mill LAG 1-1 + 2-2 + 2 %M dbu for 3t på 30 Hz med DMF som LAG løsemiddel. (a-e)
HPLC chromatograms og PXRD søker etter 3 eksempler: på equililbrium, tillegg b) 13µL DMF resulterer i kvantitativ Form A, c) 30 µL DMF resultater i kvantitativ Form B og d) 19 µL DMF resultater i en blanding av skjemaet A og Form B. e) THF balanse kurven vises for alle 17 eksperimenter utført med DMF, plotting %R bestemt versus µL DMF lagt til 200 mg pulver. Dette tallet har blitt reprinted fra ytterligere opplysninger i kjemiske Sci., 2016, 7, 6617 (Ref. 25). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Prosedyre 2: Ball mill LAG reaksjon LAG løsemidler med lav affinitet for pulver
    Merk: Fremgangsmåte 2 er egnet for LAG løsemidler som viser svært lav affinitet for ekvimolare blanding av 1-1 og 2-2. Eksempler er metanol, etanol, isopropanol, dimethyl sulfoxide, benzen, toluen, cyclohexane og vann. Som et eksempel vil vi diskutere tillegg av 65.0 µL metanol som LAG løsemiddel.
    1. Følg 2.1.1 til 2.1.4.
    2. Overføre rundt 60 mg av blandingen til vekting båt. Reservere det for senere bruk.
    3. Angi elektroniske luften forskyvning Pipetter til "normal pipettering", aspirating og dispensering hastigheten til den laveste innstillingen og volum, for eksempel å 65.0 µL for metanol. Følg fremgangsmåtene som nevnes for bruk av "vanlig pipettering"-modus i delen 1.2.
    4. Fastsette den nederste delen av den mannlige halvparten av slipe jar til benken med gjenbrukbare selvklebende kitt, for å hindre kulelagerne fra bølgende senere i prosedyren.
    5. Dryppe 65.0 µL metanol homogenously på utsatte overflaten av pulver. Ta vare under utlevering av metanol ikke å dryppe eller berøre innsiden vegger av glasset.
    6. Hvile våt pipette spissen på overflaten av pulver til kvantitativt levere mengden metanol. Pulveret vil ikke klumpen ved kontakt med våt slutten pipette tips.
      Merk: The kinetics absorpsjon av disse løsemidler i pulver er veldig treg. Løsemidler ikke direkte kontakt med pulver vil derfor ikke ta del i ballen mill sliping reaksjonen gir resultater i samsvar med har lagt mindre løsemiddel.
    7. Tømme pudderet igjen i reserve fuktet flekker av pulver i sliping glasset. Dette bør felle løsemiddelet inne pulver. Trykk forsiktig glasset for å komprimere fuktet pulver.
    8. Følg 2.1.5 til 2.1.6.
    9. Cap den mannlige halvdelen med Tom kvinnelige halvpart av sliping glasset. Ta vare ikke for å rulle på pulveret kulelager lastet med dbu.
    10. La sliping glasset stå uforstyrret over 20 min. Dette bør aktivere løsemiddelet til å suge i pulver.
    11. Når soaking perioden har gått, skru tett krysset i sliping glasset for å sikre at PTFE vaskemaskinen gjør en lekkasjesikker nedleggelse. Tape krysset trygt med isolerende tape som en ekstra forholdsregel.
    12. Følg 2.1.8 til 2.1.9.
    13. Angi ballen mill jeksel frekvensen 30 Hz og stopuret å 60 min. Vinkelsliperen må kjøre for 4 sett med 60 min. Dette gjøres automatisk med hjemmelaget "Push-knapp" oppsett.
      Merk: Foreløpig kinetic eksperimenter har vist at over 3 til 4 h er nødvendig for ballen møllen sliping reaksjon nå ønsket likevekt med metanol som LAG løsemiddelet.
    14. Start programmet "Trykk på en knapp". Angi 4 verdiene initialisere sliping og å holde sliping i perioden timer kreves. Antall skyver: 4; Skyv hold (s): 10; Presse periode (min): 65; Com-portnummer: 3.
    15. Klikk på START -knappen i "Trykk på en knapp" programvaren og sliping starter. Vinkelsliperen stopper automatisk etter 60 minutter sliping som satt på ballen mill jeksel. Programvaren på nådde 65 min vil sende instruksjoner å aktivere releet trykk ned startknappen for ballen mill jeksel og starte sliping. Denne syklusen gjentas så mange ganger i programmet "Push-knapp".
      Merk: På å klikke START -knappen på "Trykk på en knapp" programvare, stafetten vil aktivere releet ligger i en fast posisjon direkte over START -knappen fra ballen mill jeksel. Releet treffes umiddelbart startknappen på den MM400 jeksel, initialling slipe . Releet slipper sitt grep på starte knapp etter angitt antall sekunder inn i Push holder. Det anbefales å tillate jeksel å hvile i 5 min mellom 60 min sliping tid og starten av neste sliping økt hindre overoppheting av motoren.
    16. Analysere fase sammensetningen av Rietveld raffinement som 2.1.13 til 2.1.15 og den kjemiske sammensetningen av HPLC som 2.1.16 til 2.1.21.
    17. Beregne begrepet R som 3.1.8.
    18. Gjenta full med forskjellige mengder samme løsemiddelet til å definere likevekt kurven. I dette eksemplet Utfør uavhengige eksperimenter med 25.0 µL, 50.0 µL, 60.0 µL, 63.0 µL, 64.0 µL, 66.0 µL, 67.0 µL, 68.0 µL, 69.0 µL, 70.0 µL, 75.0 µL, 80,0 µL og 85.0 µL metanol.
    19. Tegne løsemiddel likevekt kurven som 3.1.10.
      Merk: i tilfelle av metanol, tillegg av 64µL eller mindre metanol resultatene i kvantitative skjemaet A (0 %R) mens tillegg av 68 µL eller flere av metanol resultater i kvantitativ Form B (100 %R). Et eksempel på løsemiddel balanse kurven på ball mill LAG sliping med MeOH som LAG løsemiddel ses i figur 6b.
      Merk: Tillegg av benzen, toluen, cyclohexane og vann til ekvimolare blanding av 1-1 og 2-2 resultater alltid etter ballen mill sliping i dannelsen av skjemaet A; Skjemaet B er ikke utformet.

Figure 6
Figur 6: Løsemiddel likevekt kurver på ballen mill sliping reaksjon av 1-1 + 2-2 + 2 %M dbu ved bruk av metanol som LAG løsemiddelet. (a, b)
Ingen passende ble utført - linjen er bare en guide for øyet. Likevekt kurven (%R versus µL metanol lagt til 200 mg pulver) i en) gir svært dårlig sammenheng med eksperimentelle prosedyren 1 i b) der er en god sammenheng når du bruker eksperimentelle prosedyren 2. Dette tallet har blitt reprinted fra ytterligere opplysninger i kjemiske Sci., 2016, 7, 6617 (Ref. 25). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

4. fastsettelse av fase sammensetning av PXRD

Merk: Robust begrunne fasen sammensetningen av pulver blandinger som hentes på slutten av fresing eksperimentet er studert av Rietveld raffinement av ex-situ pulver Diffraksjon data. 32 noen retningslinjer gis her.

  1. Fastsettelse av fase sammensetning
    1. Hente krystall strukturmodeller for 1-1, 2-2, skjemaet A og Form B fra Cambridge strukturelle databasen. 33
    2. Minimere antallet av strukturelle og microstructural variabler og bakgrunn parametere nødvendig å få en god en plass med Rietveld raffinement programvare av valget - de færre raffinert parameterne, mindre estimert standardavvik.
      Merk: Foreløpig strukturelle forbedringer av ren enfase valset prøvene er nyttig i denne forstand, som de tillater for å optimalisere de strukturelle modellen og adresse komplikasjonene som foretrukket retning krystallografisk retninger. De vi identifisert var (0 1 0) for 1-1. (0 0 1) for 2-2; (1 0 2) og (0 0 1) i skjemaet A; (0 1 0) for skjemaet B. Rietveld raffinement utføres med forutsetningen at 1-1 og 2-2 er alltid ekvimolare: begrense Skaleringsfaktorer 1-1 og 2-2 sammen for å oppnå.
    3. Gjenta pulver Diffraksjon prøven forberedelse og datainnsamling for noen valgte prøver å anslå presisjonen i Rietveld kvantitative analyser. (Se figur 2)
      Merk: Avtalen mellom PXRD og HPLC ble funnet for å være utmerket (se Figur 3 og Figur 4).
    4. Utføre Rietveld forbedringer med en kommersiell programvare. 34 men det er freeware og kommersielle Rietveld raffinement programvare som kan brukes til de samme formålene.
  2. Avgrensningen av parameterne medvirkende
    1. Forbedre instrumental bidrag til topp utvide for å redusere antall topp form parametere. Bruk en bestemt krystallinsk standard som lantan hexaboride (LaB6) eller Yttrium(III) oksid (Y2O3) for å studere instrumental bidrag til linjen utvidet i PXRD data før samlingen av eksperimentelle data.
    2. Kjør lysbildet med LaB6 som beskrevet i trinnene 2.1.13 til 2.1.14.
    3. Hente krystall strukturmodellen av standarden fra krystallografisk åpne databasen,35 og gjøre en Rietveld avgrensning av standard forutsatt ingen bidrag til toppen utvide fra standard selv.
    4. Når utfører Rietveld avgrensningen av Form A og/eller Form B bruker toppen forme parameterne som raffinert standard og ta vilkår som konto for eksempel bidrag til linje utvide i topp form funksjonen. 36 isotropic enkeltord for krystall størrelse bidrag til linje utvide ble funnet for å fungere godt i våre eksempler.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Denne protokollen er alltid startet av experimentalist validere sin pipettering ferdigheter og inspisere kvaliteten og ytelsen av Pipetter eller sprøyter brukes. Dette gjøres best ved å utføre opplæring sett på pipettering nøyaktig mengder bestemt løsemiddelet brukes for ballen møllen sliping eksperimenter. Nøyaktigheten av utlevert volumene er validert ved veiing sjekker og denne valideringen gjentas til den ønskede nøyaktigheten og presisjon er oppnådd. Denne godkjenningen har å bli gjort for hver løsemiddelet brukes for ballen møllen sliping eksperimenter. Figur 5 viser et eksempel på slike en validering av nøyaktig pipettering med acetonitrile.

HPLC dataene ble samlet inn for å få den kjemiske sammensetningen og PXRD skanninger var samlet for å få fase sammensetningen av pulver fra ballen mill sliping reaksjoner (se figur 1 for reaksjon ordningen og sentrale begrepet løsemiddel likevekt kurver) . HPLC data kvantifiserer den kjemiske sammensetningen som %M av 2 homodimerer (1-1 og 2-2) og heterodimer (1-2) i pulveret. Rietveld raffinement forberedt fra PXRD skanner er brukt om å kvantifisere fase sammensetning som %M av homodimerer Start materialer (1-1 og 2-2) og de to polymorphs (Form A og Form B) heterodimer produktet 1-2 . HPLC kan brukes derfor å godkjenne nøyaktigheten av fase sammensetningen resultatene av Rietveld raffinement på samme prøvene; kombinert konsentrasjonen av skjemaet A og Form B som %M bestemmes av PXRD bør equate med konsentrasjonen av 1-2 som %M bestemmes av HPLC, mens 1-1 og 2-2 bør ha samme konsentrasjonen i %M avhenger av HPLC og PXRD. Dette er klart vist på Figur 3 og Figur 4 der det er en god sammenheng mellom kinetic kurvene plotting kjemisk sammensetning fremstilt ved såkalt HPLC-analyse og kinetisk kurvene plotting fase Sammensetningen innhentet av PXRD analyse.

Suksessen til utarbeidelse av nøyaktig og presis løsemiddel likevekt kurver for ballen møllen sliping reaksjon er avhengig av 3 faktorer: en) nøyaktig og presis pipettering av experimentalist; b) å vite når ballen møllen sliping reaksjon har oppnådd likevekt, som kan læres ved å utføre de relevante kinetic studiene som vist i Figur 3 og Figur 4; og c) ved å bruke den høyre eksperimentelle prosedyren for hver løsemiddel. Likevekt kurven i figur 7 viser god sammenheng mellom %R og µL av DMF lagt til sliping reaksjonen ved eksperimentelle prosedyren 1. Men gir eksperimentelle prosedyren 1 svært dårlig sammenheng mellom %R og µL av metanol lagt til sliping reaksjonen som vist i figur 6a, mens bruk av eksperimentelle prosedyren 2 for metanol gir god sammenheng som vist i figur 6b . Figur 8 viser individuelt og kombinert hvordan ulike løsemidler (MeCN, aceton, THF, EtOAc, DMF, CHCl3, DCM, MeOH, EtOH, IPA og DMSO) resulterer i ulike løsemiddel likevekt kurver til ballen mill LAG reaksjonene. Figur 8 viser at god korrelasjon mellom %R og hvor løsemiddel lagt til ballen møllen sliping reaksjon kan oppnås hvis omsorg og god eksperimentell design brukes når du utfører disse eksperimentene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Mens det meste av litteraturen om mechanochemistry fokuserer på pragmatisk resultater eller på reaksjon mekanismer løser dette papiret termodynamisk endepunktet ballen mill sliping. Fra dette perspektivet er kinetisk studier et nødvendig skritt til definisjonen av siste likevekt vidder. Gjennom våre kinetic og siste likevekt studier vet vi at ballen mill sliping reaksjonene diskutert her er drevet av termodynamikk, som resulterer i den mest stabile polymorph sammensetningen under gitt fresing forhold. Dette er også første gang vet at eksperimentelle forberedelse metoder - som pipettering metoder og fresing jar oppsett - for mechanochemical eksperimenter er presentert og diskutert i detalj.

Det er avgjørende for det vellykkede resultatet av ballen møllen LAG eksperimenter at en foreløpig kinetic undersøkelse er gjennomført for å etablere for hvor lenge ballen møllen sliping eksperiment må kjøres for å nå likevekt. Under termodynamisk forhold kan ballen mill sliping reaksjoner presentere tre scenarier i dette manuskriptet; a) legger ikke nok volum gitt løsemiddel for ballen møllen sliping reaksjon, som tilfellet utfallet er kvantitative dannelsen av Form A; b) med minst nok volum gitt løsemiddel, som resulterer i kvantitative dannelsen av Form B; c) tredje saken er gapet mellom begge ekstreme, der ferdigheter, omsorg og eksperimentell design av experimentalist blir viktigste. Den vellykkede experimentalist vil kunne vise at konsentrasjonen av Form B øker med økt lagt løsemiddel volum gitt løsemiddel på en sigmoidal måte før nok løsemiddel er lagt til føre kvantitative dannelsen av skjema B i en ball mill LAG reaksjon. For noen løsemidler er endringen så skarpt at en forskjell på bare 1 µL nok for å få kvantitativt skjemaet A eller Form B, som i tilfelle av acetonitrile og aceton. Figur 8 oppsummerer denne diskusjonen.

Figure 8
Figur 8: Enkelte og kombinerte løsemiddel fresing likevekt kurver plottet som løsemiddel konsentrasjon versus %R indeks.
Ingen passende ble utført - linjene er bare en guide for øyet. Løsemiddel undersøkt er: MeCN, aceton, THF, DMF, EtOAc, CHCl3, DCM, DMSO, MeOH, EtOH, IPA og vann. Vann føre ikke til dannelse av skjemaet B. Utlevering av DCM som LAG løsemiddel ble utført med en gass tett glass sprøyte. Dette tallet har blitt reprinted fra ytterligere opplysninger i kjemiske Sci., 2016, 7, 6617 (Ref. 25). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Siden termodynamisk konsepter er generelt, bør fresing av balanse som en funksjon av løsemiddel konsentrasjon under ballen mill LAG forhold være mottagelig å studere nesten alle gitt system sette opp tilsvarende prosedyrer. Det er derfor potensial til å utforske og oppdage nye polymorphs av variant av ekstra løsemiddel, som kanskje har praktiske implikasjoner i ulike bransjer, og dette inkluderer mest organiske og uorganiske reaksjoner, så vel som supramolecular forbindelser.

Laboratoriemiljø (temperatur, lufttrykk, fuktighet) under eksempel forberedelse og eksperimenter kan påvirke endepunktet kinetics og likevekt maleprosessen - se Tumanov et al. (2017) 37 som et eksempel. Vår erfaring, selv små variasjoner i størrelse og form av fresing glasset og kulelager - samt materialet de er laget av - og totalbeløpet av pulver kan påvirke reaksjon hastighet og endelige likevekt av fresing eksperimenter. Experimentalist trenger å ta stor omsorg i design og ytelse av disse eksperimenter, drøfte: (i) hva pipettering teknikk har skal brukes for et bestemt løsemiddel; (ii) hvordan forbindelser må legges til fresing glasset og blandet; (iii) størrelse og form av fresing glasset og kulelager; (iv) enten en rustfritt stål eller en transparent materiale bør - som er nødvendig for på plass teknikker som Raman21,38 - vedtas for fresing glasset og kulelager. Plexi glass er lett bli skadet av mange løsemiddelet brukes med LAG og løsemidler brukes for rengjøring glassene. 3D-utskrift gjennomsiktig glass fra polylactic syre (PLA) tillater mer intrikate design av eksterne geometri krukker, som viser god mekanisk og kjemisk motstand sammenlignet med Perspex, og er derfor mer egnet for ball-fresing eksperimenter. 39 likevekt eksperimenter må utføres så konsekvent som mulig, både i den eksperimentelle prosedyren og maskinvare, dvs. bruker identiske forberedelse metoder, krukker, kulelager og totalbeløp pulver.

Hensyn må tas ikke å overgrind unødvendig som nedbryting kan oppstå. For systemet vårt disulfide kan spaltningsprodukter observeres for eksempel av såkalt HPLC-analyse eller NMR. Hvis dette skjer, er en nedbryting kinetic studie nødvendig. Ball mill sliping må utføres for kortest tid som fører til likevekt.

Dagens eksperimentelle tilnærming har begrensninger i at vi ikke kontrollere makroskopisk temperatur effektivt og vet ikke lokale temperaturer i stål reaksjonen fartøyet. Vi er også for tiden ikke til å overvåke utviklingen av crystallinity, som refererer til graden av strukturelle rekkefølgen et krystallinsk solid og krystall morfologi i løpet av sliping. I et nanocrystalline pulver, er crystallinity hovedsakelig knyttet til den gjennomsnittlige krystall størrelsen, som avgjørende kan påvirke polymorph stabilitet. 25 forbedringer på disse områdene vil kraftig forbedre vår evne til å utforske og forstå underliggende prosesser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre

Acknowledgments

AMB og JKMS er takknemlig til EPSRC for økonomisk støtte. Vi takker C. A. Bland for design og mekanisk oppsett og P. Donnelly for programvare design av automatisering av kverner for gjenta sliping. Vi takker Richard Nightingale, Ollie Norris og Simon Dowe fra mekanisk verksted for produksjon av sliping glassene og Solenoid holderen for "Trykk en knapp" oppsettet og Keith Parmenter fra glass verkstedet på ved Institutt for kjemi for den produksjon av glass eksempellysbilder-PXRD. Vi takker C. A. Bland for vedlikehold og reparasjon av skruen nedleggelsen sliping krukker. Vi takker Professor Bill Jones for bruk av PXRD utstyret på ved Institutt for kjemi og Professor Chris Hunter for bruk av hans laboratoriefasiliteter. Vi takker de Institutt for Geovitenskap (GIL) for generell støtte.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Bis(2-nitrophenyl) disulfide named 1-1 Aldrich 215228-25G [1155-00-6]
(98%)
Bis(4-chlorophenyl) disulfide named 2-2 TCI D0360 [1142-19-4]
(98+%)
1,8-Diazabicyclo [5.4.0]undec-7-ene (dbu) Acros Organics 160610250 [6674-22-2]
(>97.5 % by GC)
2-nitrophenyl-4-chlorophenyl-disulfide named 1-2 in house synthesis Synthesised by ball mill grinding: 1:1 of 1-1 + 2-2 + 2%M dbu
Form A in house synthesis Polymorph of 1-2 prepared by ball mill neat grinding
Form B in house synthesis Polymorph of 1-2 prepared by ball mill liquid assisted grinding
Formic Acid Scientific Laboratory Supplies 56302-50ML [64-18-6]
Mass spectrometry grade
Trifluoroacetic acid (TFA) ThermoFisher 85183 [76-05-1]
Reagent-Plus 99%
Water (H2O) Rathburn W/0106/PB17 [7732-18-5]
HPLC gradient analysis grade used also for HPLC analysis
Acetonitrile (MeCN), Merck 160610250 [75-05-8]
Hypergrade for LCMS grade LiChrosolv used also for HPLC analysis
Acetone Fisher Scientific A/0606/17 [67-64-1]
HPLC grade
Methanol (MeOH) Fisher Scientific M/4062/17 [67-56-1]
LCMS grade
Ethanol (EtOH) Sigma Aldrich 15727-5L [64-17-5]
laboratory reagent, absolute,
isopropanol (IPA) Fisher Scientific P/7508/17 [67-63-0]
HPLC grade
Tetrahydrofurane (THF) Acros Organics 268290010 [109-99-9]
For HPLC; 99%8, unstabilised
Ethyl acetate (EtOAc) Fisher Scientific E/0906/15 [141-78-6]
Chloroform (CHCl3,) Fisher Scientific C/4966/17 [67-66-3]
HPLC grade, stabilised with amylene
Dichloromethane (DCM) Fisher Scientific D/1857/17 [75-09-2]
HPLC grade, unstabilised
Dimethylformamide (DMF) Alfa Aesar 22915 [68-12-2] very toxic
HPLC grade 99+% pure
Dimethylsulfoxide (DMSO) Alfa Aesar 36480 [67-68-5] very toxic
ACS, 99.9% min
Cyclohexane Fisher Scientific C/8936/15 [110-82-7]
HPLC grade, 99.8+%
Toluene Fisher Scientific Ltd T/2306/15 [108-88-3]
HPLC grade
Benzene Sigma Aldrich 401765 [71-43-2]
puriss pa reagent
5 -120 mL automatic pipette Sartorius Picus eLine systematic error in specification:
for 120mL is ±0.48 mL,
for 60 mL is ±0.36 mL,
for 12 mL is ±0.24 mL
VIAL screw clear 1.5ml + CAP bakelite solid screw PTFE lined for 10mm vial Jaytee Biosciences JW41110 +
JW43927		 Capped vial used for validating accuracy and precision of dispensed solvent
Crystal Structural Database The Cambridge Crystallogra-phic Data Centre (CCDC) Cambridge Structural Database (CSD) Containing over 900,000 entries from x-ray and neutron diffraction analyses
powder X-ray diffractometer Panalytical X-Pert PRO MPD Equipped with an X’Celerator detector with Cu Kα radiation
powder X-ray diffractometer data Collector software Panalytical X’Pert HighScore Plus v3.0 solftware package used to adquire the PXRD data
Rietveld refinement software including Scherrer equation BRUKER Version 6 of TOPAS-Academic To prepare phase composition and crystal size from PXRD scans
HPLC equipment Agilent HP1200 Series modular HPLC system HPLC high pressure binary pump, autosampler, Peltier type column oven with 6 µL heat exchanger and Diode Array Detector with a semi-micro flow cell (1.6uL, 6mm pathlength).
HPLC column Agilent 1.8mm Zorbax XDB C18, (4.6mm ID × 50 mm length)
Ball mill grinder Retsch MM400 modified: replaced safety cover for external safety screen
14 mL snap closure stainless steel jars In house manuctured from 316 stainless steel
14 mL screw closure stainless steel jars In house manuctured from 316 stainless steel -
contains a PTFE washer
Stainless steel ball bearings: Dejay Distribution Ltd 7.0 mm (1.37g) Stainless Steel Balls A.I.S.I. 420 Carbon (0.25/0.35%) & Chromium (12/14%)
"Push a Button" software Developed at Department of Chemistry Written in Visual Basic. It activates an electronically controlled switch (relay).
"Push a Button" Solenoid Magnet Schultz Type 609RP
12 Volt DC		 609RP (RP stands for)
R - for spring-return
P - for push-rod
"Push a Button"
Solenoid holder		 Department of Chemistry To hold solenoid over START button on the MM400
"Push a Button" Relay KM Tronic USB one relay USB Relay Controller - One Channel - HyperTerminal ASCII commands. Connection to a PC's USB port using VCP (Virtual COM port).
re-usable adhesive putty Bostik Blu-Tack Used to hold the jar fixed on the bench.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. James, S. L., et al. Mechanochemistry: opportunities for new and cleaner synthesis. Chem Soc Rev. 41 (1), 413-447 (2012).
  2. Braga, D., et al. Solvent effect in a "solvent free" reaction. CrystEngComm. 9 (10), 879-881 (2007).
  3. Karki, S., Friscic, T., Jones, W. Control and interconversion of cocrystal stoichiometry in grinding: stepwise mechanism for the formation of a hydrogen-bonded cocrystal. CrystEngComm. 11 (3), 470-481 (2009).
  4. Kaupp, G. Solid-state molecular syntheses: complete reactions without auxiliaries based on the new solid-state mechanism. CrystEngComm. 5 (23), 117-133 (2003).
  5. Biswal, B. P., et al. Mechanochemical synthesis of chemically stable isoreticular covalent organic frameworks. J Am Chem Soc. 135 (14), 5328-5331 (2013).
  6. Garay, A. L., Pichon, A., James, S. L. Solvent-free synthesis of metal complexes. Chem Soc Rev. 36 (6), 846-855 (2007).
  7. Kaupp, G. Mechanochemistry: the varied applications of mechanical bond-breaking. Cryst Eng Comm. 11 (3), 388-403 (2009).
  8. Morris, R. E., James, S. L. Solventless synthesis of zeolites. Angew Chem Int Ed Engl. 52 (8), 2163-2165 (2013).
  9. Stolle, A., Szuppa, T., Leonhardt, S. E., Ondruschka, B. Ball milling in organic synthesis: solutions and challenges. Chem Soc Rev. 40 (5), 2317-2329 (2011).
  10. Suryanarayana, C. Mechanical alloying and milling. Prog Mater Sci. 46 (1-2), 1-184 (2001).
  11. Wang, G. W. Mechanochemical organic synthesis. Chem Soc Rev. 42 (18), 7668-7700 (2013).
  12. Braga, D., Grepioni, F. Reactions between or within molecular crystals. Angew Chem Int Ed Engl. 43 (31), 4002-4011 (2004).
  13. Friscic, T., Childs, S. L., Rizvi, S. A. A., Jones, W. The role of solvent in mechanochemical and sonochemical cocrystal formation: a solubility-based approach for predicting cocrystallisation outcome. Cryst Eng Comm. 11 (3), 418-426 (2009).
  14. Fucke, K., Myz, S. A., Shakhtshneider, T. P., Boldyreva, E. V., Griesser, U. J. How good are the crystallisation methods for co-crystals? A comparative study of piroxicam. New J Chem. 36 (10), 1969-1977 (2012).
  15. Bennett, T. D., et al. Facile mechanosynthesis of amorphous zeolitic imidazolate frameworks. J Am Chem Soc. 133 (37), 14546-14549 (2011).
  16. Braga, D., et al. Mechanochemical preparation of molecular and supramolecular organometallic materials and coordination networks. Dalton Trans. (10), 1249-1263 (2006).
  17. Yuan, W., Friščić, T., Apperley, D., James, S. L. High Reactivity of Metal-Organic Frameworks under Grinding Conditions: Parallels with Organic Molecular Materials. Angew Chem Int Ed Engl. 122 (23), 4008-4011 (2010).
  18. Icli, B., et al. Synthesis of Molecular Nanostructures by Multicomponent Condensation Reactions in a Ball Mill. J Am Chem Soc. 131 (9), 3154-3155 (2009).
  19. Hsu, C. -C., et al. Solvent-free synthesis of the smallest rotaxane prepared to date. Angew Chem Int Ed Engl. 47 (39), 7475-7478 (2008).
  20. Boldyreva, E. Mechanochemistry of inorganic and organic systems: what is similar, what is different? Chem Soc Rev. 42 (18), 7719-7738 (2013).
  21. Gracin, D., Štrukil, V., Friščić, T., Halasz, I., Užarević, K. Laboratory Real-Time and In Situ Monitoring of Mechanochemical Milling Reactions by Raman Spectroscopy. Angew Chem Int Ed Engl. 53 (24), 6193-6197 (2014).
  22. Halasz, I., et al. In situ and real-time monitoring of mechanochemical milling reactions using synchrotron X-ray diffraction. Nat. Protocols. 8 (9), 1718-1729 (2013).
  23. Ma, X., Yuan, W., Bell, S. E. J., James, S. L. Better understanding of mechanochemical reactions: Raman monitoring reveals surprisingly simple 'pseudo-fluid' model for a ball milling reaction. Chem Commun. 50 (13), 1585-1587 (2014).
  24. Tumanov, I. A., Michalchuk, A. A. L., Politov, A., Boldyreva, E., Boldyrev, V. V. Inadvertent Liquid Assisted Grinding: A Key to "Dry" Organic Mechano-Co-Crystallisation? CrystEngComm. 19, 2830-2835 (2017).
  25. Belenguer, A. M., Lampronti, G. I., Cruz-Cabeza, A. J., Hunter, C. A., Sanders, J. K. M. Solvation and surface effects on polymorph stabilities at the nanoscale. Chem Sci. 7 (11), 6617-6627 (2016).
  26. Belenguer, A. M., Friscic, T., Day, G. M., Sanders, J. K. M. Solid-state dynamic combinatorial chemistry: reversibility and thermodynamic product selection in covalent mechanosynthesis. Chem Sci. 2 (4), 696-700 (2011).
  27. Belenguer, A. M., Lampronti, G. I., Wales, D. J., Sanders, J. K. M. Direct Observation of Intermediates in a Thermodynamically Controlled Solid-State Dynamic Covalent Reaction. J Am Chem Soc. 136 (46), 16156-16166 (2014).
  28. Evora, A. O. L., et al. Resolved structures of two picolinamide polymorphs. Investigation of the dimorphic system behaviour under conditions relevant to co-crystal synthesis. CrystEngComm. 14 (24), 8649-8657 (2012).
  29. Trask, A. V., et al. Selective polymorph transformation via solvent-drop grinding. Chemical Communications. (7), 880 (2005).
  30. Hasa, D., Miniussi, E., Jones, W. Mechanochemical Synthesis of Multicomponent Crystals: One Liquid for One Polymorph? A Myth to Dispel. Cryst Growth Des. 16 (8), 4582-4588 (2016).
  31. Hunter, C. A., Anderson, H. L. What is cooperativity? Angew Chem Int Ed Engl. 48 (41), 7488-7499 (2009).
  32. McCusker, L. B., Dreele, R. B. V., Cox, D. E., Louër, D., Scardi, P. Rietveld refinement guidelines. J Appl Crystallogr. 32 (1), 36-50 (1999).
  33. Allen, F. The Cambridge Structural Database: a quarter of a million crystal structures and rising. Acta Crystallogr Sect B. 58 (3 Part 1), 380-388 (2002).
  34. Coelho Software. TOPAS-Academic v.version 4.0. , Available from: http://www.topas-academic.net/ (2006).
  35. Gražulis, S., et al. Crystallography Open Database-an open-access collection of crystal structures. J Appl Crystallogr. 42 (4), 726-729 (2009).
  36. Cheary, R. W., Coelho, A. A fundamental parameters approach to X-ray line-profile fitting. J Appl Crystallogr. 25 (2), 109-121 (1992).
  37. Tumanov, I. A., Michalchuk, A. A. L., Politov, A., Boldyreva, E., Boldyrev, V. V. Inadvertent Liquid Assisted Grinding: A Key to "Dry" Organic Mechano-Co-Crystallisation? CrystEngComm. 19, 2830-2835 (2017).
  38. Batzdorf, L., Fischer, F., Wilke, M., Wenzel, K. J., Emmerling, F. Direct In Situ Investigation of Milling Reactions Using Combined X-ray Diffraction and Raman Spectroscopy. Angew Chem Int Ed Engl. 54 (6), 1799-1802 (2015).
  39. Tumanov, N., Ban, V., Poulain, A., Filinchuk, Y. 3D-printed jars for ball-milling experiments monitored in situ by X-ray powder diffraction. J Appl Crystallogr. 50 (4), 994-999 (2017).

Tags

Kjemi problemet 131 organiske mechanochemistry ballen mill sliping reaksjoner nanokrystaller solid state dynamisk kovalente kjemi termodynamisk kontroll polymorph transformasjon løsemiddel likevekt kurver
Pålitelig Mechanochemistry: Protokoller for reproduserbar resultatene ryddig og flytende assistert Ball-mølle sliping eksperimenter
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Belenguer, A. M., Lampronti, G. I.,… More

Belenguer, A. M., Lampronti, G. I., Sanders, J. K. M. Reliable Mechanochemistry: Protocols for Reproducible Outcomes of Neat and Liquid Assisted Ball-mill Grinding Experiments. J. Vis. Exp. (131), e56824, doi:10.3791/56824 (2018).

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