Ontdekking en synthese optimalisatie van isoreticulaire Al(III) op fosfonaat gebaseerde metaal-organische raamwerkverbindingen met behulp van high-throughput methoden

Summary

De gerichte synthese van nieuwe metaal-organische raamwerken (MOF’s) is moeilijk en hun ontdekking hangt af van de kennis en creativiteit van de chemicus. Met methoden met hoge doorvoer kunnen complexe synthetische parametervelden snel en efficiënt worden verkend, waardoor het proces van het vinden van kristallijne verbindingen en het identificeren van synthetische en structurele trends wordt versneld.

Abstract

High-throughput (HT) methoden zijn een belangrijk hulpmiddel voor de snelle en efficiënte screening van syntheseparameters en de ontdekking van nieuwe materialen. Dit manuscript beschrijft de synthese van metaal-organische raamwerken (MOFs) uit oplossing met behulp van een HT-reactorsysteem, resulterend in de ontdekking van verschillende op fosfonaat gebaseerde MOFs van de samenstelling [Al2 H 12-x(PMP)₃]Cl x∙6H₂O (H 4 PMP = N,N ‘-piperazine bis(methyleenfosfonzuur)) voor_x =₄, 6, aangeduid als Al-CAU-60-xHCl, met driewaardige aluminiumionen. Dit werd bereikt onder solvotherme reactieomstandigheden door systematisch de impact van de molaire verhouding van de linker tot het metaal en de pH van het reactiemengsel op de productvorming te screenen. Het protocol voor het HT-onderzoek omvat zes stappen: a) syntheseplanning (DOE = ontwerp van experiment) binnen de HT-methodologie, b) dosering en werken met in eigen huis ontwikkelde HT-reactoren, c) solvotherme synthese, d) synthese-workup met behulp van in-house ontwikkelde filtratieblokken, e) karakterisering door HT-poeder röntgendiffractie en f) evaluatie van de gegevens. De HT-methodologie werd voor het eerst gebruikt om de invloed van de zuurgraad op de productvorming te bestuderen, wat leidde tot de ontdekking van Al-CAU-60∙xHCl (x = 4 of 6).

Introduction

Metaal-organische raamwerken (MOF’s) zijn poreuze, kristallijne verbindingen waarvan de structuren bestaan uit metaalhoudende knopen, zoals metaalionen of metaal-zuurstofclusters, die verbonden zijn door organische moleculen (linkers)¹. Door zowel de metaalhoudende knopen als de linker te variëren, kan een verscheidenheid aan verbindingen worden verkregen die een breed scala aan eigenschappen vertonen en daarom potentiële toepassingen hebben op verschillende gebieden¹.

De stabiliteit van een materiaal is belangrijk voor de toepassing^ervan 1,2,3. Daarom zijn MOFs die tri- of tetravalente metaalionen bevatten, zoals Al 3+, Cr³+, Ti 4+, of Zr⁴⁺, met carboxylaat² of fosfonaat⁴ linker moleculen de focus geweest van vele onderzoeken^5,6,7. Naast de directe synthese van stabiele MOF’s, is de verbetering van de stabiliteit door postsynthetische modificaties en de vorming van composieten een aandachtsgebied². Op fosfonaat gebaseerde MOFs zijn minder vaak gemeld in vergelijking met op carboxylaat gebaseerde MOFs⁸. Een van de redenen is de hogere coördinatieflexibiliteit van de CPO₃ 2-groep in vergelijking met de -CO ^2-groep, wat vaak leidt tot de vorming van dichte structuren en een grotere structurele diversiteit 8,9,10,11. Bovendien moeten fosfonzuren vaak worden gesynthetiseerd, omdat ze zelden op de markt verkrijgbaar zijn. Hoewel sommige metaalfosfonaten een uitzonderlijke chemische stabiliteit vertonen¹⁰, is systematische toegang tot isoretulaire metaalfosfonaat-MOF’s, die de afstemming van eigenschappen mogelijk maakt, nog steeds een onderwerp van hoge relevantie^12,13. Verschillende strategieën voor de synthese van poreuze metaalfosfonaten zijn onderzocht, zoals het opnemen van defecten in anders dichte lagen, bijvoorbeeld door fosfonaat gedeeltelijk te vervangen door fosfaatliganden ^4,14. Omdat defecte structuren echter slecht reproduceerbaar zijn en de poriën niet uniform zijn, zijn er andere strategieën ontwikkeld. In de afgelopen jaren is het gebruik van sterisch veeleisende of orthogonale fosfonzuren als linkermoleculen naar voren gekomen als een geschikte strategie voor de bereiding van poreuze metaalfosfonaten 4,8,10,11,13,15,16,17,18 . Een universele syntheseroute voor poreuze metaalfosfonaten is echter nog niet ontdekt. Als gevolg hiervan is de synthese van metaalfosfonaten vaak een proces van vallen en opstaan, waarvoor het onderzoek van vele syntheseparameters vereist is.

De parameterruimte van een reactiesysteem omvat chemische en procesparameters en kan enorm zijn¹⁹. Het bestaat uit parameters zoals het type uitgangsmateriaal (metaalzout), molaire verhoudingen van grondstoffen, additieven voor pH-aanpassing, modulatoren, type oplosmiddel, oplosmiddelmengsels, volumes, reactietemperaturen, tijden, ^enz.19,20. Een matig aantal parametervariaties kan gemakkelijk resulteren in enkele honderden individuele reacties, waardoor een zorgvuldig overwogen syntheseplan en goed gekozen parameterruimte noodzakelijk zijn. Bijvoorbeeld een eenvoudige studie met behulp van zes molaire verhoudingen van de linker tot het metaal (bijv. M: L = 1: 1, 1: 2, … tot 1:6) en vier verschillende concentraties van een additief en het constant houden van de andere parameter, leidt al tot 6 x 4 = 24 experimenten. Met behulp van vier concentraties, vijf oplosmiddelen en drie reactietemperaturen zouden de 24 experimenten 60 keer moeten worden uitgevoerd, wat resulteert in 1.440 individuele reacties.

High-throughput (HT) methoden zijn gebaseerd op de concepten van miniaturisatie, parallellisatie en automatisering, in verschillende mate, afhankelijk van de wetenschappelijke vraag die wordt behandeld^19,20. Als zodanig kunnen ze worden gebruikt om het onderzoek van multiparametersystemen te versnellen en zijn ze een ideaal hulpmiddel voor de ontdekking van nieuwe verbindingen, evenals synthese-optimalisatie^19,20. HT-methoden zijn met succes gebruikt op verschillende gebieden, variërend van medicijnontdekking tot materiaalkunde²⁰. Ze zijn ook gebruikt voor het onderzoek van poreuze materialen zoals zeolieten en MOFs in solvotherme reacties, zoals onlangs samengevat²⁰. Een typische HT-workflow voor solvotherme synthese bestaat uit zes stappen (figuur 1)19,20,21: a) selectie van de parameterruimte van belang (d.w.z. het ontwerp van experiment [DOE]), die handmatig of met behulp van software kan worden uitgevoerd; b) dosering van de reagentia in de vaten; c) solvotherme synthese; d) isolatie en work-up; e) karakterisering, die meestal wordt gedaan met poeder röntgendiffractie (PXRD); en f) gegevensevaluatie, die opnieuw wordt gevolgd door stap één.

Parallellisatie en miniaturisatie worden bereikt in solvotherme reacties door het gebruik van multiclaven, vaak gebaseerd op het gevestigde 96-well plaatformaat^dat het meest wordt gebruikt in de biochemie en farmacie 19,20,22,23. Verschillende reactorontwerpen zijn gemeld en verschillende groepen hebben hun eigen reactoren gebouwd^19,20. De reactorkeuze hangt af van het chemische systeem van belang, met name de reactietemperatuur, (autogene) druk en reactorstabiliteit^19,20. Bijvoorbeeld, in een systematische studie van zeolitische imidazolaatkaders (ZIF’s), Banerjee et al.²⁵ gebruikte het 96-well glasplaatformaat om meer dan 9600 reacties uit te voeren²⁴. Voor reacties onder solvotherme omstandigheden zijn aangepaste polytetrafluorethyleen (PTFE) blokken, of multiclaven met 24 of 48 individuele PTFE-inserts, onder andere beschreven door de Stockgroep^19,20. Ze worden routinematig gebruikt, bijvoorbeeld bij de synthese van metaalcarboxylaten en fosfonaten. Als zodanig hebben Reinsch et al.²⁵ rapporteerde de voordelen van de methodologie op het gebied van poreuze aluminium MOFs²⁵. De in eigen huis gemaakte HT-reactorsystemen (figuur 2), waarmee 24 of 48 reacties tegelijkertijd kunnen worden bestudeerd, bevatten PTFE-inserts met een totaal volume van respectievelijk 2,655 ml en 0,404 ml (figuur 2A,B). Meestal wordt niet meer dan respectievelijk 1 ml of 0,1 ml gebruikt. Hoewel deze reactoren worden gebruikt in conventionele ovens, is microgolfondersteunde verwarming met behulp van SiC-blokken en kleine glazen vaten ook gemeld²⁶.

De automatisering van studies leidt tot tijdsbesparing en verbeterde reproduceerbaarheid, omdat de invloed van de menselijke factor wordt geminimaliseerd²⁰. De mate waarin automatisering is toegepast varieert sterk^19,20. Volledig geautomatiseerde commerciële systemen, waaronder pipetteren 20 of wegingsmogelijkheden²⁰, zijn bekend. Een recent voorbeeld is het gebruik van een vloeistofbehandelingsrobot om ZrMOFs te bestuderen, gerapporteerd door de groep Rosseinsky²⁷. Geautomatiseerde analyse kan worden uitgevoerd door PXRD met behulp van een diffractometer uitgerust met een xy-trap. In een ander voorbeeld werd een plaatlezer gebruikt om solid-state katalysatoren, voornamelijk MOFs, te screenen op HT-screening van zenuwgasafbraak²⁸. Monsters kunnen in één keer worden gekarakteriseerd zonder dat handmatige monster- of positiewijzigingen nodig zijn. Automatisering elimineert menselijke fouten niet, maar het vermindert de kans dat het optreedt ^19,20.

Idealiter moeten alle stappen in een HT-workflow worden aangepast in termen van parallellisatie, miniaturisatie en automatisering om mogelijke knelpunten te elimineren en de efficiëntie te maximaliseren. Als het echter niet mogelijk is om een HT-workflow in zijn geheel op te zetten, kan het nuttig zijn om geselecteerde stappen / hulpmiddelen voor eigen onderzoek te gebruiken. Het gebruik van multiclaven voor 24 reacties is hier bijzonder nuttig. De technische tekeningen van de in eigen beheer gemaakte apparatuur die in deze studie (en andere) wordt gebruikt, worden voor het eerst gepubliceerd en zijn te vinden in Aanvullend Dossier 1, Aanvullend Dossier 2, Aanvullend Dossier 3 en Aanvullend Dossier 4.

Protocol

In dit protocol wordt het HT-onderzoek van chemische systemen om nieuwe kristallijne materialen te ontdekken, met Al-CAU-6029 als voorbeeld, beschreven. 1. Ontwerp van experiment (DOE) OPMERKING: De eerste stap is het opstellen van een syntheseplan, waarvoor kennis van de reactoropstelling (figuur 2), reactanten en gebruikte oplosmiddelen vereist is. Deze syntheseplanningsprocedure is aangepast aan…

Representative Results

De PXRD-gegevens zijn weergegeven in figuur 9. Voor de eerste evaluatie worden de verkregen resultaten gekoppeld aan de syntheseparameters van de onderzochte parameterruimte. Het onderzoek werd uitgevoerd met behulp van zes verschillende molaire verhoudingen van linker tot metaal en vier verschillende molaire verhoudingen van NaOH/HCl tot Al3+. Door deze informatie te koppelen aan de verkregen PXRD-gegevens (figuur 9), kan worden gezien dat producten …

Discussion

Vanwege de complexiteit van de HT-methode worden de afzonderlijke stappen en de methode zelf in de volgende secties besproken. Het eerste deel behandelt de kritieke stappen voor elke werkstap van de HT-workflow (figuur 1), mogelijke wijzigingen en beperkingen van de techniek, indien van toepassing. Aan het einde wordt een algemene discussie gepresenteerd waarin ook de betekenis van de HT-methode met betrekking tot bestaande methoden en toekomstige toepassingen wordt opgenomen.

<p class=…

Materials

AlCl3·6H2O	Grüssing	N/A	99%
Filter block for filtration of max. 48 reaction mixtures	In-house made	N/A	Technical drawings in the supplementary files
Hydrochloric acid	Honeywell	258148	Conc. 37 %, p.a.
Multiclaves with 24 individual Teflon inserts	In-house made	N/A	Technical drawings in the supplementary files
N,N ‘-piperazine bis(methylenephosphonic acid	Prepared by coworkers	N/A	H4PMP,  Prepared by coworkers with the method reported by Villemin et al.: D. Villemin, B. Moreau, A. Elbilali, M.-A. Didi, M.’h. Kaid, P.-A. Jaffrès, Phosphorus Sulfur Silicon Relat. Elem. 2010, 185, 2511.
Sample Plate for PXRD	In-house made	N/A	Technical drawings in the supplementary files
Sodium hydroxide	Grüssing	N/A	99%
Stoe Stadi P Combi	STOE	Stadi P Combi	Cu-Kα1 radiation (λ = 1.5406 Å); transmission geometry; MYTHEN2 1K detector; opening angle 18°; curved  monochromator; xy-table
Forced convection oven	Memmert	UFP400