Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Tillförlitlig Mechanochemistry: Protokoll för reproducerbara resultat snyggt och vätska assisterad boll-mill slipning experiment

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 presenterar detaljerade förfaranden för att producera experimentella jämvikt kurvor fas sammansättning som en funktion av lösningsmedel koncentration i ett halvledar-system under fräsning villkor.

Abstract

Equilibrium resultaten av ball mill slipning kan dramatiskt ändra som en funktion av även små variationer i de experimentella förhållandena såsom förekomsten av mycket små mängder av extra vätska. För att fånga denna känslighet reproducibly och korrekt, måste experimentalist noga överväga varje enskild faktor som kan påverka boll kvarnen mala reaktion under utredning, från att säkerställa slipning burkarna är rena och torra före användning, till korrekt lägga stökiometri av utgångsmaterial, att validera att leveransen av lösningsmedel volym är korrekt, garanterar att samspelet mellan vätskan och pulvret är väl förstått och, om nödvändigt, en viss blötläggning tid läggs förfarandet. Preliminära kinetiska studier är nödvändiga för att fastställa nödvändiga fräsning tid att uppnå jämvikt. Först då kan utsökt fas sammansättning kurvor erhållas som en funktion av lösningsmedel koncentrationen under ball mill flytande assisterad slipning (LAG). Med hjälp av stränga och noggranna förfaranden som är analoga med de som här presenteras, kan sådan fräsning jämvikt kurvor erhållas för praktiskt taget alla fräsning system. Det system vi använder för att visa dessa förfaranden är en disulfid exchange reaktion från equimolar blandningen av två homodimers att erhålla vid jämvikt kvantitativa heterodimer. Den senare utgörs av ball mill slipning som två olika polymorphs, formulär A och Formulär B. Förhållandet R = [Formulär B] / ([formulär A] + [Form B]) på fräsning jämvikt beror på arten och koncentrationen av lösningsmedlet i fräsning burken.

Introduction

Mechanochemistry med manuell eller ball mill golvsliputrustning har blivit alltmer populärt under de senaste åren som ett attraktivt och hållbart alternativ till traditionella lösningsmetoder för syntesen av material. 1 det är attraktiva eftersom det möjliggör för reaktionen mellan fasta ämnen skall uppnås effektivt och kvantitativt. Det är en ”grön” hållbar teknik, som kräver liten eller ingen vätska. Malning eller manuell slipning kan utföras snyggt, dvs utan tillsats lösningsmedel eller lösningsmedel assisterad: i det senare känd som ”flytande assisterad slipning” (fördröjning),2,3,4 mycket små mängder av extra vätska kan påskynda eller ens aktivera annars otillgängliga mechanochemical reaktioner mellan fasta ämnen. Mechanochemical metoder har använts för ett ständigt ökande antal olika kemiska reaktioner och synteser av oorganiska och organiska föreningar,5,6,7,8,9 ,11 samt när det gäller bildandet av supramolekylär arkitekturer såsom molekylär samtidig kristaller,12,13,14 metalorganic ramar,15, 16 , 17 och även burar18 och rotaxanes19. Det verkar som att många processer kan fortsätta i avsaknad av vätska eller med lösningsmedel förekommer i minimal substoichiometric mängder. 2 , 3 , 4 mekanismerna och drivkrafterna inblandade i de kemiska synteser och supramolekylär reaktioner inducerade av mechanochemical villkor är föremål för debatt. 1 , 13 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24

Vår forskning fokuserar på slutliga jämvikt utfallen av klumpa ihop sig mal slipning processen och rollen som lösningsmedel vid jämvikt ball mill EFTERSLÄPNING villkor. Faktiskt efter bollen kvarnen mala reaktion når slutförandet, uppnås termodynamisk jämvikt i de två systemen som vi har undersökt hittills i vårt system, med en stabil fas sammansättning. 25 de faktorer som kan påverka den slutliga balansen är många och varierande: ball mill jar storlek och form och material, kullager storlek och vikt och material, fräsning frekvens, temperatur, och lösningsmedel natur och koncentration. Detta är uppenbarligen fallet när termodynamiska resultatet av slipning reaktion ändringarna dramatiskt till följd av en förändring i volymen spädningsvätska till, vilket kan vara någon gång så lågt som 1µL per 200 mg totala pulver. 25 försiktig och strikt experimentella rutiner måste testas och följas för att uppnå reproducerbara precision och noggrannhet av experimentella resultat, från reaktanter och produkter lagring, pipettering och blandning före fräsning. Det är svårt att styra eller även övervaka parametrar i en fräsning burk. Användning av en mekanisk mixer kvarn (även kallad vibrerande mill), vilket möjliggör reproducerbara och kontrollerade fräsning frekvenser och tider, och förseglade fräsning burkar är därför viktig. Att säkerställa att alla ball mill slipning reaktioner kräver nå jämvikt vissa kinetiska förundersökning de experimentella betingelser. Den mekaniska blandare används för de kurvor som vi presenterar här ändrades. För att förhindra att burkarna värms upp genom kontinuerliga flödet av avgaserna motorn i den slutna kammaren under långa perioder av slipning, säkerhetskåpan tätning den främre delen av kvarnen togs bort, och en yttre säkerhet skärmen placerades i dess pla CE.

Det system som vi använt som ett första exempel är disulfid exchange reaktionen mellan bis-2-nitrophenyldisulfide (heter 1-1) och bis-4-chlorophenyldisulfide (som heter 2-2) i närvaro av en liten mängd av bas katalysator 1,8-diazabicyklo] 5.4.0]Undec-7-ene (dbu) att producera vid ball mill snyggt slipning (NG) och släpa den sammansatta 4-klorfenyl-2-nitrofenyl-disulfid (heter 1-2). 26 , 27 den senare bildas av ball mill slipning som två olika polymorphs, formulär A och Formulär B. För många olika LAG lösningsmedel är formulär A termodynamiska produkten under ball mill NG förhållanden eller när inte tillräckligt lösningsmedel används vid slipning reaktionen tas till jämvikt, medan Form B erhålls som den termodynamiska produkten under bollen Mill EFTERSLÄPNING villkor vid jämvikt när tillräckligt lösningsmedel tillsätts till fräsning burken. Verkligen kan formulär A erhållas från Form B under ball mill NG, medan Form B kan erhållas från formulär A ball mill EFTERSLÄPNING. Sådana direkt omvandling i fräsning experiment har rapporterats innan i andra system,28,29 och det har rapporterats att arten och koncentrationen av lösningsmedel avgöra den polymorph som erhållits under EFTERSLÄPNING förhållanden. 30 våra publicerade experimentella resultat inkluderar utredning av fräsning jämvikt kurvor för en rad organiska lösningsmedel. Här jämvikt fas sammansättning förhållandet R = [Formulär B] / ([formulär A] + [Form B]) ritas mot volymen EFTERSLÄPNING spädningsvätska som lagts till för varje experiment. Uppkomsten av equilibriumen kurvan och skärpan i kurvan befanns beroende av naturen och molar mängden lösningsmedel tillsätts fräsning burken.

Figure 1
Figur 1: Reaktionsformel bollen brukets slipning experiment och nyckelbegreppet lösningsmedel jämvikt kurvor med hjälp av R-värdet.
Dessa jämvikt kurvor visar grafiskt effekten av tillägg av några droppar solvent (x-axeln) på fas sammansättningen av produkten (y-axeln) när bollen mill slipning länge tillräckligt för att uppnå jämvikt villkor. Den nedre delen av grafen konton för formulär A bildas kvantitativt, den övre delen av grafen för Form B bildas kvantitativt medan en blandning av formulär A och Formulär B bildas för volymen spänner av lösningsmedel redovisning för sigmoidal delen av grafen. Denna siffra har varit omtryckt med smärre ändringar från den kompletterande informationen i Chem. Sci., 2016 7, 6617 (Ref. 25). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Termodynamiska aspekter är generella och måste gälla för någon viss fräsning system. Ytterligare ett exempel att Visa allmängiltigheten av våra observationer, producerades också en liknande jämvikt kurva för ett andra system: de två polymorphs av 1:1 samtidig kristall av teofyllin (tp) med bensamid (bzm), bildar jag och form II, där det utfallet beror på volymen vatten i slipning blandningen. 25 dessa fas sammansättning kontra lösningsmedel koncentration jämvikt kurvor är nödvändiga för att undersöka samspelet mellan fysikalisk ytorna och lösningsmedel molekylerna vid jämvikt på ball mill slipning reaktioner. Våra resultat visar att några jämvikt kurvor är mycket skarp, visar en ”allt eller inget” beteende, som är karaktäristisk för partiklar med ett stort antal adsorption platser och positiva kooperativitet av bindningsprocessen. 31 grundare jämvikt kurvor indikerar en lägre nivå av kooperativitet och antyder närvaron av en tredje fas vid jämvikt, möjligen en amorfa fas där vätskan själv. Sådan fräsning jämvikt kurvor har producerats för inget annat system till vår kunskap. Vi anser att det är delvis på grund av den inneboende känsligheten av halvledar-system att även mycket små förändringar i miljön under ball mill EFTERSLÄPNING förhållanden.

Beredning av bra och pålitlig lösningsmedel koncentration kurvor kan endast uppnås om experimentalisterna noggrant validera sina pipettering färdigheter med utbildning uppsättningar och om de till fullo förstår (i) hur pipetter och sprutor fungerar och (ii) om utrustningen de har valt för att leverera korrekt och exakt volym av en vätska är lämplig att utföra planerade jobbet. Leverans av en exakt volym spädningsvätska kan åstadkommas med en mängd utrustning, denna varelse pipetter eller sprutor och deras val kan beror på tillgänglighet, användarens önskemål och färdigheter, ångtryck av lösningsmedlet används och avsedda tillämpning för de Ball mill slipning experiment.

Pipetter är kommersiellt tillgängliga som air förskjutning eller positivt deplacement som täcker många lösningsmedel spänner. Båda typerna av pipetter är kommersiellt tillgängliga som manövreras manuellt eller elektroniskt automatiserade. Automatiska pipetter är generellt att föredra eftersom de är mindre beroende av experimentalist kompetens att kunna aspirera eller avstå från ett lösningsmedel jämnt vid en given hastighet. Experimentalist måste förlita sig på pipetterna förmåga att leverera exakta volymen spädningsvätska. Detta kan endast ske om pipetterna är korrekta till att börja med väl underhållna, servad och regelbundet kalibreras. Vanligtvis kommer externa pipett kalibreringstjänster kalibrerar pipetter till ISO 8655 standard med vatten som lösningsmedel. Därför, för varje organiskt lösningsmedel experimentalist bör validera sin noggrannhet och precision av pipettering genom noggrann vägning experiment över avsedda volymen spänner som ska expedieras.

Den vanligaste lösningsmedel leverans utrustningen är de luft deplacement pipetter som ett tips behöver monteras på sprutan. De arbetar på en luftkudde principen. uppåtgående rörelsen av pistongen producerar ett partiellt vakuum i spetsen, orsakar vätskan dras in i spetsen som avskiljs från slutet av pistongen av luftkudde. Gasfasen för lösningsmedel startar temperera inom luftkudde, omfattningen av avdunstning beror på dess ångtryck. Före vätning är avgörande när du använder varierbar volym pipetter inställd på deras lägsta volymen spänner, sedan förhållandet av luftrummet till vätska och risken för avdunstning ökar dramatiskt jämfört med när pipetten är inställd på toppen av dess volym range. Experimentalist vet när detta jämviktsläge uppnås, eftersom lösningsmedlet alikvotens blir hängande men separerade från slutet av pistongen från och med en fjäder, lösningsmedlet i slutet av spetsen bor fast när pipetten hålls i vertikal position över några sekunder : vätskan inuti spetsen bör inte sag eller droppa. Air deplacement pipetter kan användas i två lägen; den mest allmänt används är framåt pipettering läget där all aspirerade vätska dispenserats kvantitativt av en full rörelsen av pistongen. Det andra läget är omvänd pipettering läge; i detta läge ett beräknat överskott av vätska är aspirerade av pipetten och därför efter kvantitativa dispensering, en kvarstående volym spädningsvätska kvar i pipettspetsen som måste kasseras till avfall. Omvänd pipettering läge kan vara mer lämplig för viskösa och dispensering mycket liten mängd lösningsmedel. Dock för högt ångtryck lösningsmedel som diklormetan (DCM) eller dietyleter, Jämviktstiden i luften deplacement pipetten inte enkelt kan uppnås. Positiv förskjutning pipetter eller sprutor är lämpligare i detta fall.

Vi föreslår att fas jämviktssammansättning kontra lösningsmedel koncentration kurvor kunde erhållas för alla system under tillräckligt väl utformad, utförda och kontrollerade ball mill EFTERSLÄPNING förhållanden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. validering av den precisa dispensering av organiska lösningsmedel

  1. Validering av exakt pipettering av organiska lösningsmedel i omvänd pipett läge
    Obs: Air deplacement pipetter i omvänd pipettering läget valdes för ett utbud av EFTERSLÄPNING lösningsmedel (aceton, acetonitril (MeCN), tetrahydrofuran (THF), etylacetat (EtOAc), kloroform (CHCl3) och dimetylformamid (DMF)) eftersom de indränkt mycket effektivt till pulver av utgångsmaterial (1-1 och 2-2). Preliminära kalibrering av omvänd pipettering läge med detta utbud av lösningsmedel hade gett mer noggrann och exakt dosering av volymerna i jämförelse med vanlig pipettering läge. Tillåtet att använda omvänd pipettering läge kvantitativa överföring av volymen spädningsvätska som portioneras ut till pulvret inuti slipning burken genom att placera pipettspetsen på insidan väggen i burken i slutet av dispensering processen. Eventuella lösningsmedel följs av rostfritt stål vägg av burken skulle snabbt och kvantitativt adsorberas av pulvret under slipningen. En del av denna strategi var att undvika kontakt med våta pipettspetsen med pulver som det skulle starkt klampa runt våta pipettspetsen, att göra experimentet ogiltiga.
    1. Använd en 5 figur balans. För insamling fartyget använda ett utjämnat 2 mL injektionsflaska av glas.
    2. Ange 5 till 120 µL elektronisk deplacement pipetten till ”omvänd pipettering” läge, inställt ambitionen och dispensering hastigheten till lägsta värde.
    3. Ställa in volymen, till exempel till 10,0 µL.
    4. Passa pipettens munstycke till pipettspetsen med en fast vertikal rörelse för att uppnå en perfekt tätning. Inte vrida eller flytta pipetten i sidled under montering eftersom detta kommer att skada pipettspetsen och äventyra tätningen. Pre våt pipetten 5 gånger av aspirera och dispensering 10,0 µL i en kontinuerlig sekvens med det valda lösningsmedlet.
    5. Aspirera omedelbart efter pre vätning, 10,0 µL vätska att säkerställa pipetten hålls vertikalt. Doppa spetsen 2-3 mm under vätskeytan. En uppsättning överskott av vätska är automatiskt aspirerade i ”omvänd pipettering” läge.
    6. Dosera 10 µL volymen till en tarerad utjämnade injektionsflaska, säkerställa pipetten hålls i 30-45o vinkel på insidan väggen i glasflaskan. Knacka försiktigt på slutet av spetsen mot insidan av glasflaskan att fånga någon utsatt droplet kvar på spetsen. Förslut flaskan omedelbart och tynga. Registrera vikt. Kassera avfall set överskottet av vätska inuti spetsen.
    7. Byt ut pipettspetsen för en ny. Upprepa punkt 1.1.4 till 1.1.6 minst 3 gånger med samma set volym. Spela in vikterna.
    8. Ställ nu volymen av pipetten till ett annat värde, dvs 20,0 µL. Upprepa punkt 1.1.4 till 1.1.7 använder 20,0 µL volym. Gör samma procedur med 30,0 µL, 40,0 µL, 50,0 µL, 60,0 µL, 70,0 µL, 80.0 µL, 90,0 µL och 100 µL.
    9. Dosera med en 1 µL precision för ett smalare sortiment som krävs för bollen kvarnen mala experiment. Till exempel: för acetonitril, Pipettera mellan 20 µL och 27 µL med 1 µL precision. Upprepa punkt 1.1.4 till 1.1.7 använder 21.0 µL, 22,0 µL, 23,0 µL, 24,0 µL, 25,0 µL, 26,0 µL och 27,0 µL MeCN.
    10. Beräkna den genomsnittliga vikten. Dela den genomsnittliga vikten av tätheten av lösningsmedlet att erhålla det genomsnittliga värdet av dispenserad volym. Ange värden för för volymen spädningsvätska i µL i x-axeln och värdena i µL för volymer beräknas utifrån den genomsnittliga vikten i y-axeln. Figur 5 visar ett exempel på dessa grafer.
      Obs: Korrelationskoefficienten för linjäritet grafen ska vara r2> 0,99 för det breda utbudet (10-100 µL) samt för det snävt intervallet (20-30 µL).

Figure 5
Figur 5: Validering av noggrannhet och precision av volym undvaras elektronisk deplacement pipett inställd på omvänd pipettering läge, kalibreras genom vägning experiment. (a, b)
en) räckvidd 10-100 µl MeCN; b) expanderade snävt intervall från 20-30 µL MeCN. Denna siffra har varit omtryckt med smärre ändringar från den kompletterande informationen i Chem. Sci., 2016 7, 6617 (Ref. 25). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Validering av exakt pipettering av organiska lösningsmedel i framåt pipett läge
    Obs: Air deplacement pipetter i framåt pipettering läge (i normal läge för pipettering) valdes för ett utbud av EFTERSLÄPNING lösningsmedel (metanol (MeOH), etanol (EtOH), isopropanol (IPA), dimetyl sulfoxid DMSO, bensen, toluen och vatten (H2O)) vilket gjorde inte blöta eller indränkt mycket långsamt in pulver av utgångsmaterial (1-1 och 2-2). Därför var det avgörande för att undvika dispensering eventuella lösningsmedel på inre väggarna i burken eller på ytor av kullager som dessa lösningsmedel rester inte skulle adsorberas effektivt nog av fast under slipningen och därför inte delta i bollen kvarnen slipning reaktion. Strategin var att kvantitativt överföra volymen av lösningsmedlet direkt till pulvret kommentarsreferensmarkeringen våta pipettspetsen ovanpå pulvret i slutet av dispensering processen utan att riskera att pulvret klumpar runt våta spetsen. Användningen av omvänd pipettering skulle ha varit olämpliga för denna serie av lösningsmedel, som de återstoder av lösningsmedel som behöver bo i pipettspetsen i slutet av pipettering förfarande skulle har felaktigt överförts av kapillärkraften när den fuktas spetsen var vilade på pulver och därför doseras mer vätska än avsett.
    1. Följ 1.1.1 till 1.1.2 men elektronisk deplacement pipetten till ”normala pipettering”-läge.
    2. Ställa in volymen, till exempel till 65,0 µL för metanol, och följ steg 1.1.4.
    3. Aspirera 65,0 µL metanol efter anvisning på 1.1.5. Under ”normala pipettering” är endast exakta volymen spädningsvätska automatiskt aspirerade.
    4. Dosera 65,0 µL metanol till injektionsflaskan liksom 1.1.6 kvantitativt överföra alla volymen. Förslut flaskan omedelbart och tynga. Vikten och följ steg 1.1.7.
    5. Ställ nu volymen i pipetten till 25,0 µL och upprepa punkt 1.2.2 till 1.2.4 med 25,0 µL. Gör samma sak med 50,0 µL, 60,0 µL, 75,0 µL, 80.0 µL och 85,0 µL metanol.
    6. Dosera med en 1 µL precision mellan 63 µL och 70 µL för metanol. Upprepa punkt 1.2.2 till 1.2.4 använder 63,0 µL, 64,0 µL, 66,0 µL, 67,0 µL, 68,0 µL och 69,0 µL metanol.
    7. Följ 1.1.10. Det breda utbudet för metanol är 25 till 100 µL och smala utbudet är 60 – 79 µL.

2. Sammanfattning av formulär A och formulär B av ball mill slipning

  1. Preliminär undersökning av slipningstid krävs för att syntetisera formulär A av ball mill NG till jämvikt
    1. Ren de malande burkarna av sonicating dem i aceton. Tvätta med rengöringsmedel, skölj med vatten och sedan med aceton. Torr slipning burkarna i ett torkskåp vid 70 ° C för över 30 min. Låt slipning burkarna svalna innan användning.
    2. Väger 104.82 ± 0,1 mg 1-1 kristaller (0,34 mmol, 1,0 motsvarande) använda en 5 decimal siffra balans. Överför kvantitativt vägde pulvret till den manliga hälften av en 14 mL rostfritt stål knäppning slipning burk.
      Obs: Det fungerar bäst när en väger båten är gjord av vägning bakplåtspapper skär i en U-form som pulvret inte fastnar på väger båten när de överförs. Gör det tillräckligt liten för att passa enkelt inuti öppnandet av slipning burken att undvika spill. Som en försiktighetsåtgärd, Använd breda bladet rundade pincett, som de greppa bättre, för att transportera fylld väger båten från saldot på insidan av slipning burken. Använda dem även senare att hantera kullager.
    3. Väger 97.66 ± 0,1 mg 2-2 kristaller (0,34 mmol, 1,0 motsvarande). Överför kvantitativt vägde pulvret till den manliga hälften av slipning burken. Burken innehåller redan 1-1.
    4. Blanda de två fasta ämnen reagenserna inuti slipning burken med en mikro spatel.
    5. Infoga två 7,0 mm diameter (1,37 g) härdat rostfritt stål kullager. Placera dem försiktigt på toppen av pulvret.
    6. Pipettera 2 µL dbu med 1-10 µL pipett och leverera bas katalysatorn på toppen av en av två kullager.
      Obs: se till att inte tillåta kullager med dbu att rulla över pulvret. Detta skulle resultera i pulvret att vara belagda med dbu innan slipning påbörjas.
    7. Snap stänga slipning burken. Se till att ingen lucka finns kvar i korsningen. Säkra utsidan av korsningen med isolerande tejp som en ytterligare försiktighetsåtgärd.
    8. Installera slipning burken i justerbara klämman från en av de två grenarna av bollen kvarn kvarnen. Dra åt skruven på säkerhet klämman tills burken är orörlig.
    9. Vrid den självlåsande fastspänningsenhet till lås förhindrar att vara utkastade medan slipning av burken. Säkerställa den andra armen bär en liknande vikt burken så att kvarnen är jämnt balanserad medan slipning och inte skadas. Installera en säkerhet skärm framför kvarnen.
      Obs: Bygget säkerhet skärmen har avlägsnats från bollen kvarn kvarnen och ersättas med en extern säkerhet skärm. Detta är att undvika den värme ventilation från motor värma upp det slutna utrymme där slipning burkarna är installerade och värme dem under slipningen.
    10. Ange frekvensen av bollen kvarn kvarnen till 30 Hz och timern till, exempelvis 5.0 min.
    11. Nu, starta kvarnen genom att trycka på knappen START . När tiden har förflutit, stannar kvarnen automatiskt. Omedelbart ta bort isolerande tejpen från korsningen och öppna den malande burken.
    12. Analysera produkten omedelbart på slutförandet av slipning. Kör först pulver röntgen diffractogram (PXRD) genomsökningen.
    13. Överföra pulvret från slipning burken till en liten agat mortel. Bryta klumpar med agat mortelstöten tills pulvret är slät. Överföra vissa pulver i 2 mm rektangulär fördjupningen i glas PXRD prov bilden. Komprimera pudret med en glasskiva att jämnt platta pulver ytan till samma nivå som resten av glasskiva. Ta bort återstående pulvret på ytan. Märk bilden.
    14. Montera PXRD prov bilden på bilden fästet av den pulver Xray diffractometer. Skanna provet. Den pulver Xray diffractometer används är utrustad med Cu Kα strålning och en detektor i reflektion geometri med följande parametrar: spänner 5 till 45° i 2θ, stegstorlek 0,03 °, tid/steg 100 s med en sammanlagd tid av 13 min, 0,04 rad soller, VxA 40 x 40. Stäng luckan till PXRD och börja PXRD scan på Data Collector programvara.
    15. Utföra en Rietveld förfining (hitta Rietveld förfining riktlinjer i avsnitt 4.1) på PXRD data samlas in. Detta ger fas sammansättningen av solid provet i % WT beräkna fas sammansättning som %M start material 1-1 , 2-2 och varje polymorph produktens formulär A och Formulär B.
    16. Analysera den kemiska sammansättningen av pulvret av hög Performance Liquid Chromatography (HPLC). Förbereda prov spädningsvätskan genom att tillföra 0,2 mL trifluorättiksyra (TFA) med en glas gas snäva spruta 100 ml av HPLC grade acetonitril till form ”MeCN+0.2% TFA” lösning. Blanda väl.
    17. Förbereda provlösning för HPLC analys på en koncentration av 1mg/mL i ”MeCN+0.2% TFA”. Använda en 5 figur balans, noll en 1,8 mL tydlig HPLC injektionsflaska av glas. Lägga till en liten mängd av pulvret att nå en vikt mellan 0,7 och 1,0 mg. posten vikt (t.ex. 0,88 mg). Justera en 1 mL automatisk pipett för att ge en volym i µL motsvarar det belopp som vägde (t.ex. 880 µL för 880 µg vägde). Pipettera denna volym av provet spädningsvätska (MeCN+0.2%TFA). Det ska resultera i en 1 mg/mL provlösning.
    18. Keps injektionsflaskan med HPLC med en lämplig HPLC-mössa med septa. Snurra flaskan manuellt för att få pulvret i lösning. Sonikera injektionsflaskan för maximalt 5 min så att pulvret i lösning. Kontrollera mot ljuset för att säkerställa det inte finns några oupplösta partiklar. Detta prov är nu redo för HPLC-analysen.
    19. Installera en C18 HPLC-kolonnen på HPLC-utrustningen. Installera i HPLC-kolonnen inlopp på utloppet av värmeväxlaren ligger i kolumnen ugnen och utlopp i HPLC-kolonnen på öppningen av den Ultraviolett/synligt ljus (UV/VIS) spektrofotometer flowcell.
    20. Förbereda HPLC systemet med lösningsmedel A som ”vatten + 0,1% myrsyra” och vätska B som ”acetonitril + 0,1% myrsyra”. Rensa systemets HPLC med både lösningsmedel. Inställt UV/VIS detektorn på λ = 260 nm, med en 8 nm bandbredd och λreferens = 550 nm med en 100 nm-bandbredd. Ange injektionsvolymen för 1 µL och ange HPLC kolumn värmaren till 60 ° C. Jämvikt i HPLC-kolonnen med 75% vätska B. injicera och kör lösningsmedel övertoningen från 75 till 85% lösningsmedel B över 2 min med en flödeshastighet av 2 mL/min. jämvikta över 1 min före nästa injektion. Injicera provet. 1-1 eluerar vid 0.55 min, 1-2 eluerar vid 0.9 min och 2-2 eluerar vid 1,65 min.
      Obs The UV/VIS parametrar väljs experimentellt så att topparean för 1-1 är densamma som för 2-2. 1-1 och 2-2 förväntas alltid vara equimolar i denna halvledar-reaktion. Bäst match av peak områden för 1-1 - och 2-2 fås med UV/VIS detektorn används med λ = 260 nm (topp bredd 8nm); ΛREF = 550 nm (topp bredd 100nm).
    21. Bestäm toppens för var och en av dessa 3 toppar och beräkna den totala topparean. Beräkna % toppareorna (PAR %) genom att dividera peak områdena enskilda toppar av den totala topparean. Rapportera de värden som erhålls som koncentrationen uttryckt som %M 1-1, 2-2 och 1-2. Dessa värden är likvärdiga med deras motsvarande % PAR.
    22. Upprepa experimentet (steg 2.1.2 till 2.1.21) genom att endast ändra längden på slipningstid till 10 min, 15 min, 20 min, 25 min, 30 min, 32 min, 34 min, 36 min, 38 min, 40 min och 45 min som i 2.1.10. Alltid köra ett extra experiment efter att nå jämvikt genom slipning för längre tid för att säkerställa att jämvikt är konstant.
      Obs: Dessa specifika slipning tider har valts att definiera exponentiell segmentet av kinetiska kurvan slutar på jämvikter efter den inledande försening perioden. Vid jämvikt överensstämmer fas sammansättning med kvantitativa formulär A medan den kemiska sammansättningen är förenlig med 97% M 1-2, 1,5 M 1 - 1 och 1,5% M 2-2.
    23. Rita den kemiska sammansättningen som erhållits från HPLC analys av 1-1, 2-2 och 1-2 som %M i y-axeln och slipningstid i min i x-axeln. Detta ger en kinetic kurva för den kemiska sammansättningen. Figur 3a visar ett exempel på kinetiska kurva plottning den kemiska sammansättningen av klumpa ihop sig mal snyggt slipning jämfört med slipning tid.
      Obs: Kvantitativa bildandet av 1-2 visar att experimentet har nått termodynamisk jämvikt.
    24. Rita fas sammansättning erhållits från Rietveld förfining av 1-1, 2-2, formulär A och Formulär B som %M i y-axeln och slipningen gången i min i x-axeln. Detta ger en kinetic kurva plottning fas sammansättning. Figur 3b) visar ett exempel på kinetiska kurva för fas sammansättning av klumpa ihop sig mal snyggt slipning jämfört med slipning tid.

Figure 2
Figur 2: Rietveld förfining tomt exempel för jämvikt blandningen under fräsning villkor när du använder 67 µL metanol.
Experimentell mönster (svart linje), beräknat mönster för formulär A (blå), beräknat mönster för Form B (röd) och skillnaden mönster (grå). Förfining sammanstrålade med Rwp=10,82% och χ2 = 2,65. För detta exempel R var 41%, och crystal storlek uppskattades till 71 och 86 nm för formulär A och Formulär B respektive. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: Kinetic kurvor erhålls för bollen mala nätt slipning reaktion av 1-1 + 2-2 + 2 %M dbu (a, b).
Ingen montering utfördes - linjerna är endast en guide för ögat. Diagrammet visar sammansättningen av reaktanterna (1-1 & 2-2) och heterodimer bildade (formulär A och Formulär B) som %M kontra slipning tid en) HPLC analyser visar kemisk sammansättning av pulvret på varje kinetiska punkt; (b) Rietveld förfining av PXRD skannar visar fas sammansättning av pulvret vid varje kinetic. Det visar att formulär A bildas uteslutande medan Form B inte bildas när som helst kinetic. Omtryckt med tillåtelse från Karin, 2014, 136, 16156 (Ref. 27). Copyright 2014 American Chemical Society. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Förundersökning av slipning tidsåtgången att syntetisera Form B av ball mill EFTERSLÄPNING med 50µL MeCN till jämvikt
    1. Följ steg 2.1.2 till 2.1.6.
    2. Dispensera 50 µL MeCN över pulvret med 100 µL pipett undvika kontakt av våta pipettspetsen med pulvret. Se avsnitt 1.1 och 1.2 på rekommenderade procedurer för pipettering organiska lösningsmedel i omvänd pipettering och pipettering normalläge.
      Obs: Rör inte pulvret med pipettspetsen innehållande MeCN rester. Pulvret kommer omedelbart klampa runt våta pipettspetsen vilket resulterar i dålig stökiometri för pulvret och vätskan. Detta kommer att påverka kinetiken och göra experimentet ogiltiga. Någon manuell pipett eller automatisk pipett i omvänd pipettering eller normala pipettering kommer att vara lämpliga för detta experiment. 50 µL MeCN är väl överstiger den 23 µL MeCN krävs för att utföra denna reaktion. Därför behövs exakt pipettering inte här.
    3. Följ steg 2.1.7 till 2.1.12.
    4. Analysera fas sammansättningen av Rietveld förfining som i steg 2.1.13 att 2.1.15 och den kemiska sammansättningen genom HPLC som i 2.1.16 till 2.1.21.
      Obs: Formulär A observeras aldrig bollen mill EFTERSLÄPNING villkor.
    5. Upprepa experimentet (steg 2.2.1. till 2.2.4) genom att endast ändra längden på slipningstid till 10 min, 13 min, 14 min, 15 min, 17 min, 18 min, 20 min, 25 min och 30 min. alltid köra ett extra experiment efter att nå jämvikt genom slipning för längre tid för att säkerställa att th e jämviktsnivå är konstant.
      Obs: Dessa slipning gånger har valts att definiera exponentiell segmentet av kinetiska studien slutar på jämvikter efter den inledande försening perioden. Vid jämvikt, fas sammansättning är förenlig med kvantitativ Form B medan den kemiska sammansättningen är förenlig med 97 %M 1-2, 1.5%M 1 - 1 och 1.5%M 2 -2.
    6. Förbereda kinetiska grafen för den kemiska sammansättningen som i 2.1.23 (se figur 4a) och fas sammansättning som i 2.1.24 (se figur 4b)

Figure 4
Figur 4: Kinetic kurvor erhålls för bollen kvarnen EFTERSLÄPNING reaktion av 1-1 + 2-2 + 2 %M dbu + 50 µL MeCN. (a, b)
Ingen montering utfördes - linjerna är endast en guide för ögat. Diagrammet visar sammansättningen av reaktanterna (1-1 & 2-2) och heterodimer bildade (formulär A och Formulär B) som %M kontra slipning tid en) HPLC analyser visar kemisk sammansättning av pulvret på varje kinetiska punkt; (b) Rietveld förfining av PXRD skannar visar fas sammansättning av pulvret vid varje kinetic. Det visar att Form B bildas uteslutande medan formulär A inte bildas när som helst kinetic. Omtryckt med tillåtelse från Karin, 2014, 136, 16156 (Ref. 27). Copyright 2014 American Chemical Society. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Syntesen av formulär A av ball mill NG
    1. Följ alla steg i avsnitt 2.1. Slipa endast för 45 min vid 30 Hz som räcker för att nå jämvikt.
      Obs: Formulär A bildas kvantitativt. Den kemiska sammansättningen av produkten är förenlig med 97 %M 1-2, 1.5%M 1 - 1 och 1.5%M 2 -2.
  2. Syntesen av Form B av ball mill EFTERSLÄPNING
    1. Följ alla steg i avsnitt 2.2. Slipa endast för 30 min vid 30 Hz vilket räcker för att nå jämvikt.
      Obs: Form B bildas kvantitativt. Den kemiska sammansättningen av produkten är förenlig med 97 %M 1-2, 1.5%M 1 - 1 och 1.5%M 2 -2.

3. beredning av formulär A och/eller Form B av ball mill släpa med hjälp av olika typer och mängder av organiska lösningsmedel som LAG lösningsmedel.

  1. Procedur 1: Ball mill EFTERSLÄPNING reaktion med EFTERSLÄPNING lösningsmedel med hög affinitet för pulvret
    Obs: Procedur 1 har utformats för EFTERSLÄPNING lösningsmedel som uppvisar hög affinitet för equimolar blandningen av 1-1 och 2-2. Exempel är MeCN, aceton, THF, DMF, EtOAc och CHCl3. Som ett exempel på detta förfarande kommer vi att diskutera tillägg av 17,0 µL aceton som LAG lösningsmedel.
    1. Följ 2.1.1 till 2.1.6 men använder en 14 mL skruv förslutning slipning burk.
      Obs: För dessa precisa EFTERSLÄPNING experiment, använd skruv-stängning rostfritt stål slipning burkar med en Teflon tätning införlivas vid korsningen så att fälla kvantitativt lösningsmedlet och fast under slipningen inuti burken. En snap stängning slipning burk kan läcka vätska från korsningen.
    2. Fixa den nedre delen av den manliga hälften av slipningen burk till bänken med återanvändbara självhäftande spackel, att förhindra kullager från rullande senare under proceduren.
    3. Ställ in elektroniska luft deplacement pipetten till ”omvänd pipettering”, utvärderingsenheten och dispensering hastigheten till inställningen långsammaste och volymen, exempelvis till 17,0 µL för aceton. Följa de procedurer som diskuteras för användning av ”omvänd pipettering” i avsnitt 1.1.
    4. Var särskilt försiktig att likartad droppa 17,0 µL aceton på den exponerade ytan av pulver.
      Obs: Rör inte pulvret med pipettspetsen som innehåller aceton rester. Pulvret kommer omedelbart klampa runt våta pipettspetsen vilket resulterar i dålig stökiometri för pulvret och vätskan. Denna händelse kommer att göra experimentet ogiltiga. Det är inga problem med en hög affinitet vätska kvar på insidan väggen av slipning burken eller på att kullager som inte är laddad med dbu. Dessa lösningsmedel har sådan en hög affinitet för pulvret, att de kommer att kvantitativt absorberas av pulvret under slipningen.
    5. Ta den tomma kvinnligt hälften av slipning burken och försiktigt skruva på manlign hälften med pulver. Gör detta så snart som möjligt efter tillsats av aceton. Skruva tight för att säkerställa att polytetrafluoreten (PTFE) brickan gör en läckagesäker tätning. Tejpa på utsidan av korsningen ordentligt med isolerande tejp som en ytterligare försiktighetsåtgärd.
    6. Följ 2.1.8 till 2.1.12 men ställa in timern till 45 min.
      Obs: Preliminära kinetiska experiment med aceton som LAG lösningsmedlet har visat att 45 min slipning räcker för bollen kvarnen slipning reaktion att nå den önska balansen.
    7. Analysera fas sammansättningen av PXRD som i 2.1.13 att 2.1.15 och den kemiska sammansättningen genom HPLC som i 2.1.16 till 2.1.21.
      Obs: det är avgörande för dessa experiment som analysen av HPLC är förenligt med kvantitativa bildandet av 1-2 visar att halvledar-reaktionen har nått termodynamisk jämvikt.
    8. Beräkna termen R. R är förhållandet mellan den % mol av Form B och % mol av totala mängden heterodimer 1-2 = formulär A+ Form B.
    9. Upprepa steg 3.1.1 till 3.1.8 genom pipettering av olika volymer av samma lösningsmedel (aceton) att definiera balansen kurvan (se 3.1.9 nedan). Utföra slipning experiment genom att självständigt 10.0µL, 14.0µL, 15.0µL, 16.0µL, 18.0µL, 20.0µL, 30.0µL och 50.0µL aceton till pulvret.
    10. Rita kurvan jämvikt för aceton genom att ange %R värdena i y-axeln och µL aceton i x-axeln. X-axeln uttrycks som µL aceton per 200 mg pulver eller mol aceton per mol av totala pulver.
      Obs: när det gäller aceton, tillägg av 16 µL eller mindre aceton resulterar i kvantitativa formulär A (0 %R) medan tillägg av 17 µL eller mer av aceton resultat i kvantitativ Form B (100 %R). Ett exempel på kemiska och fas analysen leder till lösningsmedel Jämviktstiden kurvan av klumpa ihop sig mal EFTERSLÄPNING slipning med DMF EFTERSLÄPNING lösningsmedel kan ses i figur 7.

Figure 7
Figur 7: Ball mill LAG 1-1 + 2-2 + 2 %M dbu för 3 h vid 30 Hz med DMF som LAG lösningsmedel. (a-e)
HPLC kromatogram och PXRD söker efter 3 exempel: på equililbrium, tillägg av b) 13µL DMF resulterar i kvantitativa formulär A, c) 30 µL DMF resultat i kvantitativ Form B och d) 19 µL DMF resultat i en blandning av formulär A och Formulär B. (e) THF Jämviktstiden kurvan visas för alla de 17 experiment som utförs med DMF, plottning i %R bestäms kontra µL DMF tillsätts 200 mg pulver. Denna siffra har varit omtryckt från den kompletterande informationen i Chem. Sci., 2016 7, 6617 (Ref. 25). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Förfarande 2: Ball mill EFTERSLÄPNING reaktion med EFTERSLÄPNING lösningsmedel med låg affinitet för pulvret
    Obs: Procedur 2 är lämplig för EFTERSLÄPNING lösningsmedel som uppvisar mycket låg affinitet för equimolar blandningen av 1-1 och 2-2. Exempel är metanol, etanol, isopropanol, dimetyl sulfoxid, bensen, toluen, cyklohexan och vatten. Som exempel kommer vi att diskutera tillägg av 65,0 µL metanol som LAG lösningsmedel.
    1. Följ 2.1.1 till 2.1.4.
    2. Överföra runt 60 mg av blandningen till en viktning båt. Reservera den för senare användning.
    3. Ställ in elektroniska luft deplacement pipetten att ”normala pipettering”, utvärderingsenheten och dispensering hastigheten till inställningen långsammaste och volymen, exempelvis till 65,0 µL för metanol. Följa de procedurer som diskuteras för användning av ”normal pipettering” mode i avsnitt 1.2.
    4. Fixa den nedre delen av den manliga hälften av slipningen burk till bänken med återanvändbara självhäftande spackel, att förhindra kullager från rullande senare under proceduren.
    5. Droppa 65,0 µL metanol likartad på den exponerade ytan av pulver. Ta hand under dispensering av metanol att inte droppa eller insida väggar av burken.
    6. Vila våta pipettspetsen på ytan av pulvret att kvantitativt leverera mängden metanol. Pulvret kommer inte klampa på kontakt med den våta änden av pipettspetsen.
      Obs: Kineticsen av absorptionen av dessa lösningsmedel i pulvret är mycket långsam. Därför kommer att något lösningsmedel inte direkt kontakt med pulvret inte delta i bollen kvarnen mala reaktion ger resultat överensstämmer med att ha lagt mindre lösningsmedel.
    7. Häll pulvret kvar i reserv över den fuktade fläckar av pulver i slipning burken. Detta bör fälla vätskan inuti pulvret. Tryck försiktigt burken till kompakta fuktade pulver.
    8. Följ 2.1.5 till 2.1.6.
    9. Cap den manliga hälften med den tomma kvinnliga halvan av slipning burken. Se till att inte rulla på pulvret kullager laddad med dbu.
    10. Lämna slipning burken stå orörd under 20 min. Detta bör aktivera lösningsmedlet att suga in pulvret.
    11. Efter blötläggning perioden har förflutit, skruva ordentligt korsningen i slipning burken för att säkerställa att PTFE brickan gör en läckagesäker stängning. Tejpa korsningen ordentligt med isolerande tejp som en ytterligare försiktighetsåtgärd.
    12. Följ 2.1.8 till 2.1.9.
    13. Ställa in bollen kvarn kvarnen frekvensen 30 Hz och timern till 60 min. Kvarnen behöver köras för 4 uppsättningar av 60 min. Detta görs automatiskt med hemmagjord ”tryckknapp” setup.
      Obs: Preliminära kinetiska experiment har visat att över 3 till 4 h krävs för bollen kvarnen slipning reaktion att nå önskad equilibriumen med metanol som LAG lösningsmedlet.
    14. Starta programmet ”Tryck på en knapp”. Ange de 4 värden som krävs för att initiera slipning och att hålla slipning under perioden timmar krävs. Antal push-meddelanden: 4; Tryck håll (s): 10; Tryck Period (min): 65; Com-portnummer: 3.
    15. Klicka på knappen START i programvaran ”Tryck på en knapp” och slipning startar. Kvarnen stannar automatiskt efter 60 min slipning som set på bollen kvarn kvarn. En instruktion att aktivera solenoiden för att trycka ner på bollen kvarn kvarn START -knappen och starta om slipning skickar programvaran på att nå 65 min. Denna cykel skall upprepas så många gånger som efterfrågades i programvaran ”tryckknapp”.
      Obs: Klicka på knappen START på ”Tryck på en knapp” programvara, reläet aktiveras solenoiden ligger i en fast position direkt över knappen START från bollen kvarn kvarnen. Solenoiden kommer omedelbart slå på START knappen på MM400 kvarnen, Parafering slipningen. Solenoiden släpper sitt grepp på START knappen efter det inställda antalet sekunder in i tryck håll. Det rekommenderas att låta kvarnen vila i 5 min mellan perioder av 60 min sliptid och i början av nästa slipning session att förhindra motorn från överhettning.
    16. Analysera fas sammansättningen av Rietveld förfining som i 2.1.13 att 2.1.15 och den kemiska sammansättningen genom HPLC som i 2.1.16 till 2.1.21.
    17. Beräkna uttrycket R liksom 3.1.8.
    18. Upprepa hela proceduren med olika volymer av samma lösningsmedel att definiera jämvikt kurvan. I det här exemplet utför oberoende experiment 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 och 85,0 µL metanol.
    19. Rita kurvan lösningsmedel jämvikt som i 3.1.10.
      Obs: när det gäller metanol, tillägg av 64µL eller mindre av metanol resultat i kvantitativa formulär A (0 %R) medan tillägg av 68 µL eller mer av metanol resultat i kvantitativ Form B (100 %R). Ett exempel på lösningsmedel Jämviktstiden kurvan av klumpa ihop sig mal släpa slipning med MeOH EFTERSLÄPNING lösningsmedel kan ses i figur 6b.
      Obs: Tillägg av bensen, toluen, cyklohexan och vatten till equimolar blandningen av 1-1 och 2-2 resultat alltid efter ball mill slipning i bildandet av formuläret. Form B inte bildas.

Figure 6
Figur 6: Lösningsmedel jämvikt kurvor för ball mill slipning reaktion för 1-1 + 2-2 + 2 %M dbu när du använder metanol som LAG lösningsmedlet. (a, b)
Ingen montering utfördes - linjen är endast en guide för ögat. Equilibrium kurvan (%R kontra µL metanol tillsätts 200 mg pulver) i en) ger mycket dålig korrelation med experimentell förfarande 1 medan i b) där är en god korrelation när experimentell förfarande 2. Denna siffra har varit omtryckt från den kompletterande informationen i Chem. Sci., 2016 7, 6617 (Ref. 25). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

4. bestämning av fas sammansättning av PXRD

Obs: Fasen halvledar sammansättningen av pulver blandningar som erhållits i slutet av fräsning experimentet studeras av Rietveld förfining av ex situ pulver diffraktion data. 32 några riktlinjer ges här.

  1. Bestämning av fas sammansättning
    1. Hämta kristall struktur modellerna för 1-1, 2-2, formulär A och Formulär B från Cambridge strukturella databasen. 33
    2. Minimera antalet strukturella och Mikrostrukturens variabler och bakgrunden parametrar krävs för att få en bra en passform med programvaran Rietveld förfining av val - färre de raffinerade parametrarna, ju mindre de uppskatta standardavvikelserna.
      Obs: Preliminära strukturella förbättringar av rena enfas slipat prover är bra i denna mening, eftersom de tillåter för att optimera de strukturella modellen och adress komplikationerna såsom önskad orientering kristallografiska riktningar. De som vi identifierade var (0 1 0) för 1-1; (0 0 1) till 2-2. (1 0 2) och (0 0 1) för formulär A; (0 1 0) för Form B. Rietveld förfining utförs med antagandet att 1-1 och 2-2 är alltid equimolar: begränsa Skalningsfaktorerna 1-1 och 2-2 tillsammans för att uppnå detta.
    3. Upprepa de pulver diffraktion prov förberedelse och insamling av uppgifter för några utvalda prover att uppskatta precisionen i de Rietveld kvantitativa analyserna. (Se figur 2)
      Obs: Avtalet mellan PXRD och HPLC analys befanns vara utmärkta (se figur 3 och figur 4).
    4. Utföra Rietveld förbättringar med en kommersiell programvara. 34 men det finns ett antal freeware och kommersiella Rietveld förfining mjukvaror som kan användas för samma ändamål.
  2. Förfining av instrumentella parametrarna
    1. Förfina den instrumentella bidragen till peak breddas för att minska antalet topp form parametrar. Använda en specifik kristallina standard såsom lantan hexaboride (LaB6) eller Yttrium(III) oxid (Y2O3) för att studera den instrumentella bidragen till linje breddning av PXRD data före samlingen av experimentella data.
    2. Kör bilden med LaB6 enligt beskrivningen i steg 2.1.13 att 2.1.14.
    3. Hämta kristall struktur modellen av standarden från kristallografiska öppna databasen,35 och göra en Rietveld förfining av standarden förutsatt att inget bidrag till toppbreddning från standarden själv.
    4. När utför Rietveld förfining av formulär A och/eller Form B använder topp forma parametrar som raffinerade för standard och inkludera villkor som tar hänsyn till exempel bidrag till linje breddning i topp form funktion. 36 en enda isotropiskt term för crystal storlek bidrag till linje bredda visade sig fungera väl i våra exempel.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Detta protokoll är alltid Startat av den experimentalist validera sin pipettering kompetens och inspektera kvaliteten och prestandan av pipetter eller sprutor används. Detta sker bäst genom att utföra utbildning uppsättningar på pipettering av korrekta volymer av specifika lösningsmedel avsedd att användas för bollen kvarnen mala experiment. Riktigheten av volymerna som portioneras ut valideras genom vägning kontroller och denna validering upprepas tills önskad noggrannhet och precision uppnås. Denna validering måste göras för varje lösningsmedel som används för bollen kvarnen mala experiment. Figur 5 visar ett exempel på sådan en validering av den korrekta pipettering med acetonitril.

HPLC data samlades för att få den kemiska sammansättningen och PXRD skanningar samlades för att få fas sammansättningen av pulvret från ball mill slipning reaktioner (se figur 1 för reaktionsformel och nyckelbegreppet lösningsmedel jämvikt kurvor) . HPLC data kvantifierar den kemiska sammansättningen som %M av de 2 homodimers (1-1 och 2-2) och heterodimer (1-2) i pulvret. Rietveld förfining beredd från PXRD skannar används till att kvantifiera fas sammansättning som %M homodimers utgångsmaterial (1-1 och 2-2) och de två polymorphs (formulär A och Formulär B) produktens heterodimer 1-2 . HPLC kan användas därför att validera riktigheten av fas sammansättning resultaten av Rietveld förfining av samma prov; kombinerade koncentrationen av formulär A och Formulär B som %M bestäms av PXRD bör jämställas med koncentrationen av 1-2 som %M bestäms genom HPLC, medan 1-1 och 2-2 bör ha samma koncentration i %M bestäms genom HPLC och PXRD. Detta visas tydligt på bild 3 och bild 4 där det är en god korrelation mellan kinetic kurvorna plottning kemiska sammansättning erhålls genom HPLC analys och kinetiska kurvorna plottning fas sammansättning framställs genom PXRD analys.

Framgången för utarbetandet av korrekta och exakta lösningsmedel jämvikt kurvor för bollen kvarnen mala reaktion är beroende av 3 faktorer: en) korrekt och exakt pipettering av experimentalist; (b) att veta när bollen kvarnen mala reaktion har uppnått jämvikt, som kan läras genom att utföra relevanta kinetiska studier som visas i figur 3 och figur 4. och c) med hjälp av just experimentell procedur för varje lösningsmedel. Equilibrium kurvan i figur 7 visar god korrelation mellan %R och µL av DMF tillsätts slipning reaktionen när du använder experimentell förfarande 1. Experimentell förfarande 1 ger dock mycket dålig korrelation mellan %R och µL av metanol tillsätts slipning reaktionen som visas i figur 6a, medan användningen av experimentell förfarande 2 för metanol ger god korrelation enligt figur 6b . Figur 8 visar individuellt och kombinerade hur olika lösningsmedel (aceton, EtOAc, THF, MeCN, DMF, CHCl3, DCM, MeOH, EtOH, IPA och DMSO) resulterar i olika lösningsmedel jämvikt kurvor för ball mill EFTERSLÄPNING reaktioner. Figur 8 visar att god korrelation mellan %R och mängden lösningsmedel tillsätts bollen kvarnen mala reaktion kan uppnås om vård och god experimentell design tillämpas när du utför dessa experiment.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Medan de flesta av litteraturen om mechanochemistry fokuserar på pragmatiska resultat eller reaktionsmekanismer åtgärdar detta papper termodynamiska slutpunkt ball mill slipning. Ur detta perspektiv är kinetiska studier ett nödvändigt steg till definitionen av de slutliga jämvikt platåerna. Genom våra kinetiska och slutliga jämvikt studier vet vi att bollen mill slipning reaktionerna här diskuterade drivs av termodynamik, vilket resulterar i den mest stabila polymorph sammansättningen på viss fräsning villkor. Detta är också första gången till vår kännedom att experimentella beredningsmetoder - såsom pipettering metoder och fräsning burk setup - för mechanochemical experiment presenteras och diskuteras i detalj.

Det är avgörande för ett lyckat resultat av bollen kvarnen EFTERSLÄPNING experiment att en kinetic förstudie är företas för att fastställa för hur lång boll kvarnen mala experiment behöver köra för att nå jämvikt. Termodynamiska villkor kan ball mill slipning reaktioner presentera tre scenarier som diskuteras i detta manuskript; (a) att lägga inte tillräckligt med volym av viss lösningsmedlet för bollen kvarnen mala reaktion, varvid resultatet är kvantitativa bildandet av formulär A; (b) med åtminstone tillräckligt med volym av givna vätskan, vilket resulterar i kvantitativa bildandet av Form B; (c) det tredje fallet är gapet mellan båda ytterligheterna, där kunskap, omsorg och experimentell design av experimentalist blir viktigast. Den framgångsrika experimentalist kommer att kunna påvisa att koncentrationen av Form B ökar med ökad extra lösningsmedel volym given lösningsmedel i en sigmoidal sätt tills tillräckligt lösningsmedel tillsätts leda till kvantitativa bildandet av Form B i en ball mill EFTERSLÄPNING reaktion. För vissa lösningsmedel är denna förändring så skarp att en skillnad på bara 1 µL räcker för att få kvantitativt formulär A eller Form B, som i fallet med acetonitril och aceton. Figur 8 sammanfattar denna diskussion.

Figure 8
Figur 8: Enskilda och kombinerade vätska fräsning jämvikt kurvor ritas som lösningsmedel koncentration kontra %R index.
Ingen montering utfördes - linjerna är endast en guide för ögat. Lösningsmedel som undersökts är: MeCN, aceton, THF, DMF, EtOAc, CHCl3, DCM, DMSO, MeOH, EtOH, IPA och vatten. Vatten leder inte till bildandet av Form B. Munstycket i DCM som LAG lösningsmedel utfördes med en spruta för gas-tight glas. Denna siffra har varit omtryckt från den kompletterande informationen i Chem. Sci., 2016 7, 6617 (Ref. 25). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Eftersom termodynamiska begrepp allmän bör fräsning jämvikter som en funktion av lösningsmedel koncentration ball mill EFTERSLÄPNING villkor vara mottagliga för studie för praktiskt taget för givet system ställa in liknande förfaranden. Därför finns det potential att utforska och upptäcka nya polymorphs av variation av extra vätska, som kan ha praktiska konsekvenser i olika industriella miljöer, och detta inkluderar de flesta organiska och oorganiska reaktioner, såväl som Supramolekylära föreningar.

Laboratoriemiljö (temperatur, lufttryck, luftfuktighet) under provberedning och experiment kan påverka kinetik och jämvikt slutpunkten av fräsning processen - se Tumanov o.a. (2017) 37 som exempel. Vår erfarenhet, även små variationer i storlek och form av fräsning burken och kullager - samt materialet de är gjorda av - och totala mängden pulver kan avsevärt påverka reaktionshastigheten och slutliga jämvikt av fräsning experimenten. Experimentalist behöver ta stor omsorg i utformningen och utförandet av dessa experiment, överväger: (i) vilken pipettering teknik måste antas för en specifik lösningsmedel. (ii) hur föreningar måste läggas till fräsning burken och blandat; (iii) storlek och form av fräsning burk och kullager; (iv) huruvida en rostfri eller transparent material bör - vilket är nödvändigt för in situ-tekniker såsom Raman21,38 - antas för fräsning burk och kullager. Plexiglas burkar kan lätt skadas av många lösningsmedel som används med fördröjning och lösningsmedel som används för att rengöra burkar. 3D-utskrift av genomskinliga burkar från polylactic acid (PLA) tillåter mer invecklad konstruktion av yttre geometri av burkar, som visar god mekanisk och kemisk beständighet jämfört med plexiglas, och därför är mer lämplig för boll-fräsning experiment. 39 jämvikt experiment måste utföras så konsekvent som möjligt, både i experimentella förfarandet och hårdvara, dvs använda identiska beredningsmetoder, burkar, kullager och totala mängden pulver.

Var noga med att inte overgrind onödigt som nedbrytning kan förekomma. För våra disulfid system, kan sönderdelningsprodukter noteras till exempel HPLC analys eller NMR. Om detta händer, en nedbrytning kinetiska studie är nödvändigt. Ball mill slipning måste utföras för kortast tid som leder till jämvikt.

Den nuvarande experimentella metoden har begränsningar i att vi inte styr makroskopiska temperatur effektivt och vet inte lokala temperaturer inom stål reaktionskärlet. Vi är också för närvarande inte att övervaka utvecklingen av kristallinitet, som refererar till graden av strukturella ordning i ett kristallint fast ämne och crystal morfologi under slipning. I ett nanokristallin pulver, är kristallinitet främst relaterade till den genomsnittliga crystal storlek, som ytterst kan påverka de polymorph stabiliteter. 25 förbättringar på dessa områden skulle kraftigt öka vår förmåga att utforska och förstå underliggande processer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har ingenting att avslöja

Acknowledgments

AMB och JKMS är tacksamma att EPSRC för ekonomiskt stöd. Vi tackar C. A. Bland för design och den mekaniska installationen och P. Donnelly för programvarudesign av automatisering av slipmaskinerna för upprepa slipning. Vi tackar Richard Nightingale, Ollie Norris och Simon Dowe från mekanisk verkstad för tillverkning av slipning burkar, och innehavaren av magnetventil för den ”tryck på en knapp” setup och Keith Parmenter från glas verkstad på Institutionen för kemi för den tillverkning av glas prov PXRD bilderna. Vi tackar C. A. Bland för underhåll och reparation av skruv stängningen slipning burkar. Vi tackar Professor Bill Jones för användning av PXRD utrustning på Institutionen för kemi och Professor Chris Hunter för användning av hans laboratorium. Vi tackar den institutionen för geovetenskaper (GIL) för allmän support.

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

Kemi fråga 131 ekologiska mechanochemistry ball mill slipning reaktioner nanokristaller halvledar-dynamisk kovalent kemi termodynamisk kontroll polymorph transformation lösningsmedel jämvikt kurvor
Tillförlitlig Mechanochemistry: Protokoll för reproducerbara resultat snyggt och vätska assisterad boll-mill slipning experiment
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