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Chemistry

Entdeckung und Syntheseoptimierung von isoretikulären al(III)-phosphonat-basierten metallorganischen Gerüstverbindungen mit Hochdurchsatzmethoden

Published: October 6, 2023 doi: 10.3791/65441
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Inorganic Chemistry, Kiel University

Summary

Die gezielte Synthese neuer metallorganischer Gerüstverbindungen (MOFs) ist schwierig, und ihre Entdeckung hängt vom Wissen und der Kreativität des Chemikers ab. Hochdurchsatzmethoden ermöglichen die schnelle und effiziente Erforschung komplexer synthetischer Parameterfelder, wodurch der Prozess der Suche nach kristallinen Verbindungen und die Identifizierung synthetischer und struktureller Trends beschleunigt wird.

Abstract

Hochdurchsatzmethoden (HT) sind ein wichtiges Werkzeug für das schnelle und effiziente Screening von Syntheseparametern und die Entdeckung neuer Materialien. Dieses Manuskript beschreibt die Synthese von metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs) aus Lösung unter Verwendung eines HT-Reaktorsystems, was zur Entdeckung verschiedener phosphonatbasierter MOFs der Zusammensetzung[Al2H12-x(PMP)3]Cl x∙6H2O (H4PMP= N,N'-piperazinbis(methylenphosphonsäure)) fürx = 4, 6 führte, die als Al-CAU-60-xHCl bezeichnet werden und dreiwertige Aluminiumionen enthalten. Dies wurde unter solvothermen Reaktionsbedingungen erreicht, indem der Einfluss des molaren Verhältnisses des Linkers zum Metall und des pH-Werts des Reaktionsgemisches auf die Produktbildung systematisch untersucht wurde. Das Protokoll für die HT-Untersuchung umfasst sechs Schritte: a) Syntheseplanung (DOE = Design of Experiment) innerhalb der HT-Methodik, b) Dosierung und Arbeit mit selbst entwickelten HT-Reaktoren, c) solvothermale Synthese, d) Syntheseaufarbeitung mit eigens entwickelten Filtrationsblöcken, e) Charakterisierung mittels HT-Pulver-Röntgenbeugung und f) Auswertung der Daten. Die HT-Methodik wurde zunächst verwendet, um den Einfluss des Säuregehalts auf die Produktbildung zu untersuchen, was zur Entdeckung von Al-CAU-60∙xHCl (x = 4 oder 6) führte.

Introduction

Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) sind poröse, kristalline Verbindungen, deren Strukturen aus metallhaltigen Knoten wie Metallionen oder Metall-Sauerstoff-Clustern bestehen, die durch organische Moleküle (Linker) verbunden sind1. Durch Variation der metallhaltigen Knoten sowie des Linkers kann eine Vielzahl von Verbindungen erhalten werden, die ein breites Spektrum an Eigenschaften aufweisen und daher potenzielle Anwendungen in verschiedenen Bereichen haben1.

Die Stabilität eines Materials ist wichtig für seine Anwendung 1,2,3. Daher stehen MOFs, die drei- oder vierwertige Metallionen, wie z.B.Al3+, Cr3+, Ti4+ oderZr4+, mit Carboxylat-2- oderPhosphonat-4-Linkermolekülen enthalten, im Mittelpunkt vieler Untersuchungen 5,6,7. Neben der direkten Synthese stabiler MOFs ist die Erhöhung der Stabilität durch postsynthetische Modifikationen sowie die Bildung von Kompositen ein Interessengebiet2. Über MOFs auf Phosphonatbasis wurde im Vergleich zu MOFs auf Carboxylatbasis seltener berichtet8. Ein Grund dafür ist die höhere Koordinationsflexibilität der CPO32-Gruppe im Vergleich zur -CO2-Gruppe, die häufig zur Bildung dichter Strukturen und einer größeren strukturellen Diversität führt 8,9,10,11. Darüber hinaus müssen häufig Phosphonsäuren synthetisiert werden, da sie auf dem Markt nur selten verfügbar sind. Während einige Metallphosphonate eine außergewöhnliche chemische Stabilität aufweisen10, ist der systematische Zugang zu isoretikularen Metallphosphonat-MOFs, der die Abstimmung von Eigenschaften ermöglicht, immer noch ein Thema von hoher Relevanz12,13. Es wurden verschiedene Strategien für die Synthese von porösen Metallphosphonaten untersucht, wie z. B. der Einbau von Defekten in ansonsten dichte Schichten, z. B. durch teilweisen Ersatz von Phosphonat durch Phosphatliganden 4,14. Da defekte Strukturen jedoch schlecht reproduzierbar sind und die Poren nicht gleichmäßig sind, wurden andere Strategien entwickelt. In den letzten Jahren hat sich die Verwendung sterisch anspruchsvoller oder orthogonalisierter Phosphonsäuren als Linkermoleküle als geeignete Strategie für die Herstellung von porösen Metallphosphonatenherauskristallisiert 4,8,10,11,13,15,16,17,18 . Ein universeller Syntheseweg für poröse Metallphosphonate wurde jedoch noch nicht entdeckt. Infolgedessen ist die Synthese von Metallphosphonaten oft ein Prozess von Versuch und Irrtum, der die Untersuchung vieler Syntheseparameter erfordert.

Der Parameterraum eines Reaktionssystems umfasst chemische und Prozessparameter und kann sehr groß sein19. Es besteht aus Parametern wie der Art des Ausgangsmaterials (Metallsalz), den Molverhältnissen der Ausgangsstoffe, den Additiven zur pH-Einstellung, den Modulatoren, der Art des Lösungsmittels, den Lösungsmittelmischungen, den Volumina, den Reaktionstemperaturen, den Zeiten usw.19,20. Eine moderate Anzahl von Parametervariationen kann leicht zu mehreren hundert Einzelreaktionen führen, was einen sorgfältig durchdachten Syntheseplan und einen gut gewählten Parameterraum erforderlich macht. Zum Beispiel kann eine einfache Studie mit sechs molaren Verhältnissen des Linkers zum Metall (z. B. M:L = 1:1, 1:2, ... auf 1:6) und vier verschiedenen Konzentrationen eines Additivs und dem Konstanthalten des anderen Parameters, führt bereits zu 6 x 4 = 24 Experimenten. Bei Verwendung von vier Konzentrationen, fünf Lösungsmitteln und drei Reaktionstemperaturen müssten die 24 Experimente 60 Mal durchgeführt werden, was zu 1.440 Einzelreaktionen führte.

Hochdurchsatzmethoden (HT) basieren auf den Konzepten der Miniaturisierung, Parallelisierung und Automatisierung, je nach wissenschaftlicher Fragestellung in unterschiedlichem Maße19,20. Als solche können sie verwendet werden, um die Untersuchung von Multiparametersystemen zu beschleunigen und sind ein ideales Werkzeug für die Entdeckung neuer Verbindungen sowie für die Syntheseoptimierung19,20. HT-Methoden werden erfolgreich in verschiedenen Bereichen eingesetzt, von der Wirkstoffforschung bis zur Materialwissenschaft20. Sie wurden auch für die Untersuchung von porösen Materialien wie Zeolithen und MOFs in solvothermen Reaktionen verwendet, wie kürzlich zusammengefasst20. Ein typischer HT-Arbeitsablauf für die solvothermale Synthese besteht aus sechs Schritten (Abbildung 1)19,20,21: a) Auswahl des interessierenden Parameterraums (d. h. der Versuchsplanung [DOE]), die manuell oder mithilfe von Software erfolgen kann; b) Dosierung der Reagenzien in die Gefäße; c) solvothermale Synthese; d) Isolierung und Aufarbeitung; e) Charakterisierung, die typischerweise mit Pulver-Röntgenbeugung (PXRD) erfolgt; und f) Datenauswertung, auf die sich wieder Schritt eins anschließt.

Parallelisierung und Miniaturisierung werden bei solvothermen Reaktionen durch die Verwendung von Multiklaven erreicht, die häufig auf dem etablierten 96-Well-Plattenformat basieren, das am häufigsten in der Biochemie und Pharmazie verwendet wird 19,20,22,23. Es wurde über verschiedene Reaktorkonstruktionen berichtet und mehrere Gruppen haben ihre eigenen Reaktoren gebaut 19,20. Die Wahl des Reaktors hängt vom interessierenden chemischen System ab, insbesondere von der Reaktionstemperatur, dem (autogenen) Druck und der Reaktorstabilität19,20. In einer systematischen Studie zu zeolithischen Imidazolat-Gerüsten (ZIFs) haben Banerjee et al.25 verwendeten das 96-Well-Glasplattenformat, um über 9600 Reaktionendurchzuführen 24. Für Reaktionen unter solvothermen Bedingungen wurden unter anderem kundenspezifische Polytetrafluorethylen (PTFE)-Blöcke oder Multiklaven mit 24 oder 48 einzelnen PTFE-Einsätzen von der Stockgruppe19,20 beschrieben. Sie werden beispielsweise routinemäßig bei der Synthese von Metallcarboxylaten und Phosphonaten eingesetzt. Reinsch et al.25 berichteten über die Vorteile der Methodik auf dem Gebiet der porösen Aluminium-MOFs25. Die hauseigenen HT-Reaktorsysteme (Abbildung 2), mit denen 24 oder 48 Reaktionen gleichzeitig untersucht werden können, enthalten PTFE-Einsätze mit einem Gesamtvolumen von 2,655 ml bzw. 0,404 ml (Abbildung 2A,B). In der Regel wird nicht mehr als 1 ml bzw. 0,1 ml verwendet. Während diese Reaktoren in konventionellen Öfen verwendet werden, wurde auch über eine mikrowellenunterstützte Erwärmung mit SiC-Blöcken und kleinen Glasgefäßen berichtet26.

Die Automatisierung von Studien führt zu Zeitersparnis und verbesserter Reproduzierbarkeit, da der Einfluss des menschlichen Faktors minimiert wird20. Der Grad der Nutzung von Automatisierung variiert stark19,20. Vollautomatische kommerzielle Systeme, einschließlich Pipettier- 20 oder Wägefunktionen20, sind bekannt. Ein aktuelles Beispiel ist der Einsatz eines Liquid-Handling-Roboters zur Untersuchung von ZrMOFs, über den die Gruppe von Rosseinsky27 berichtet. Die automatisierte Analyse kann mittels PXRD mit einem Diffraktometer durchgeführt werden, das mit einem xy-Tisch ausgestattet ist. In einem anderen Beispiel wurde ein Plattenleser verwendet, um Festkörperkatalysatoren, hauptsächlich MOFs, für das HT-Screening des Nervengiftabbaus zu screenen28. Proben können in einem einzigen Lauf charakterisiert werden, ohne dass manuelle Proben- oder Positionsänderungen erforderlich sind. Die Automatisierung eliminiert menschliche Fehler nicht, aber sie verringert die Wahrscheinlichkeit, dass sie auftreten19,20.

Im Idealfall sollten alle Schritte in einem HT-Workflow in Bezug auf Parallelisierung, Miniaturisierung und Automatisierung angepasst werden, um mögliche Engpässe zu beseitigen und die Effizienz zu maximieren. Wenn es jedoch nicht möglich ist, einen HT-Workflow in seiner Gesamtheit zu etablieren, kann es hilfreich sein, ausgewählte Schritte/Werkzeuge für die eigene Forschung zu übernehmen. Der Einsatz von Multiklaven für 24 Reaktionen ist hier besonders sinnvoll. Die technischen Zeichnungen der in dieser Studie (und anderen) verwendeten selbst hergestellten Geräte werden zum ersten Mal veröffentlicht und sind in der Ergänzungsdatei 1, der Ergänzungsdatei 2, der Ergänzungsdatei 3 und der Ergänzungsdatei 4 zu finden.

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Protocol

In diesem Protokoll wird die HT-Untersuchung chemischer Systeme zur Entdeckung neuer kristalliner Materialien am Beispiel von Al-CAU-6029 beschrieben.

1. Versuchsplanung (DOE)

HINWEIS: Der erste Schritt besteht darin, einen Syntheseplan aufzustellen, der Kenntnisse über den Reaktoraufbau (Abbildung 2), die verwendeten Reaktanten und Lösungsmittel erfordert. Dieses Syntheseplanungsverfahren ist so angepasst, dass 24 oder 48 Reaktionen unter einem bestimmten Temperatur-Zeit-Programm durchgeführt werden, wobei intern hergestellte Stahl-Multiklaven verwendet werden, um 24 (Abbildung 2A) oder 48 Reaktionen (Abbildung 2B) gleichzeitig durchzuführen. Bei den Reaktoren handelt es sich um selbst hergestellte PTFE-Einsätze mit einem gebrauchten Reagenz-/Lösungsmittelvolumen von 1 mL (PTFE-Reaktor zur Durchführung von 24 Reaktionen im Stahl-Multiklaven) bzw. 100 μL (PTFE-Reaktor zur Durchführung von 48 Reaktionen im Stahl-Multiklaven). Die technischen Zeichnungen des Reaktoraufbaus finden Sie in der Ergänzungsdatei 1 bzw. in der Ergänzungsdatei 2.

  1. Bestimmen Sie zunächst den zu untersuchenden Parameterraum. Treffen Sie daher Entscheidungen über eine anfängliche Anzahl von Reaktionen, Metallquelle und Linkermolekül sowie die Verwendung von Additiven und Lösungsmitteln.
    1. Für das gewählte Beispiel von Al-CAU-60 werden 24 Reaktionen mit AlCl3∙6H2Oals Metallquelle und N,N′-Piperazin-Bis(methylenphosphonsäure) (H4PMP) als Linkermolekül durchgeführt. Darüber hinaus sollten wässrige Lösungen von NaOH und HCl als Additive verwendet werden, um den Einfluss des pH-Werts der Reaktionsmischung auf die Produktbildung zu untersuchen.1
      HINWEIS: Die Wahl der Parameter basiert in der Regel auf veröffentlichten Syntheseverfahren oder Prinzipien, die auf grundlegendem chemischem Wissen basieren. Für die erfolgreiche Entdeckung neuer Materialien sollte jedoch eine breitere Variation der Reaktionsparameter angewendet werden (d. h. ein gewisses Maß an Diversität der Reaktionsparameter sollte berücksichtigt werden). Die Anzahl der zu variierenden Parameter und die Art der Variationen können auf unterschiedlichen Prinzipien beruhen. In der einfachsten Form sollte jeweils nur ein Parameter geändert werden. So kann beispielsweise eine feste Metallsalzkonzentration in Kombination mit variierenden Linkermolekülkonzentrationen verwendet werden, um unterschiedliche Linker-zu-Metall-Verhältnisse zu untersuchen. Bei der Untersuchung können jedoch auch unterschiedliche Molverhältnisse des Linkers zum Metall und anderer Lösungsmittel oder Additive verwendet werden. Der zugängliche Parameterraum ist durch die Löslichkeit der Ausgangsstoffe (Menge und Lösungsmitteltyp) in Fällen begrenzt, in denen nur Lösungenverwendet werden 21. Die Dosierung von Feststoffen erweitert den zugänglichen Parameterraum20.
  2. Geben Sie den Parameterraum an. Wählen und berechnen Sie dazu Mengen an Ausgangsstoffen (Molverhältnisse) und Lösungsmittelvolumina.
    1. Für das gewählte Beispiel von Al-CAU-60 variieren Sie das molare Verhältnis vonH4PMPzuAl3+ zwischen 4:1 und 0,3:1 in sechs Schritten: 4:1, 3:1, 2:1, 1:1, 0,5:1, 0,3:1. Führen Sie alle sechs Synthesen mit unterschiedlichen Additivverhältnissen durch; Es wird ein molares Verhältnis von NaOH zu Al 3+ (1:1) und zwei molare Verhältnisse von HCl zu Al3+ (20:1 und 40:1) sowie ein Verhältnis ohne Zusatzstoffe untersucht. Berechnen Sie anhand einer Tabelle die Mengen an Ausgangsstoffen, die dafür benötigt werden, die Sie in den Zusatzinformationen finden.

2. Dosierung und solvothermale Synthese

  1. Bereiten Sie die Stammlösungen in einem Abzug vor, indem Sie das Standardprotokoll für die Herstellung von Stammlösungen der Reagenzien befolgen.
    ACHTUNG:H4PMP, AlCl3∙6H2O, HCl und NaOH sind ätzende Substanzen, die bei Kontakt schwere Hautverbrennungen und Augenschäden verursachen. Tragen Sie persönliche Schutzausrüstung, wenn Sie mit diesen Substanzen arbeiten.
    1. Für das gewählte Beispiel von Al-CAU-60 sind die folgenden Reagenzien gemäß der Tabelle in den unterstützenden Informationen (Ergänzende Tabelle 1) herzustellen: Salzsäurelösung mit einer Konzentration von 10 mol/l, Natronlauge mit einer Konzentration von 1 mol/l und eine AlCl3∙6H2O-Lösung miteiner Konzentration von 1 mol/l.
      HINWEIS: Die Produktbildung kann auch vom Aggregationsstatus der zugesetzten Reagenzien abhängen. Bei Feststoffen kann die Partikelgröße aufgrund der Auflösungsgeschwindigkeit einen Einfluss haben. Zu Beginn der Studie sollte entschieden werden, ob Feststoffe oder Lösungen verwendet werden sollen, um eine systematische Bewertung zu ermöglichen.
  2. Legen Sie die Scheiben in die Probenplatte ein (Abbildung 3A).
  3. Reagenzien, Additive und Lösungsmittel in die PTFE-Einsätze überführen (Abbildung 3B).
    1. Für das gewählte Beispiel von Al-CAU-60 wird zunächst der LinkerH4PMP als Feststoff zu den PTFE-Einsätzen gegeben, dann die Aluminiumchloridlösung, das demineralisierte Wasser und die Lösung von Additiven (NaOH oder HCl) mit einer Pipette gemäß den in der Tabelle berechneten Werten in den Begleitinformationen (Ergänzende Tabelle 1) zugegeben.
      HINWEIS: Die Reihenfolge, in der die PTFE-Einsätze gefüllt werden, kann ebenfalls die Produktbildung beeinflussen. Daher sollte die Reihenfolge der Ausgangsstoffe im Voraus ausgewählt und während der gesamten Studie beibehalten werden, um eine systematische Bewertung zu ermöglichen.
  4. Setzen Sie die gefüllten PTFE-Einsätze in die Probenplatte ein.
  5. Markieren Sie die Grundplatte des Reaktors so, dass die PTFE-Einsätze später identifiziert werden können. Setzen Sie die Probenplatte mit den gefüllten PTFE-Einsätzen in die Grundplatte des Reaktors ein (Abbildung 3C).
  6. Bereiten Sie zwei PTFE-Platten (mit einer Dicke von 0,1 mm) vor, um die Probenplatten abzudecken.
  7. Legen Sie die PTFE-Platten auf die Probenplatte (Abbildung 3D).
  8. Stellen Sie sicher, dass die PTFE-Folie richtig positioniert ist und mit den Führungsstiften (Abbildung 3E) auf die Kopfplatte passt, fügen Sie die Schrauben hinzu und ziehen Sie sie von Hand fest.
  9. Dichten Sie den zunächst geschlossenen Reaktor z. B. mit Hilfe einer mechanischen oder hydraulischen Presse (Bild 4A) so weit ab, dass die federbelasteten Druckstücke noch 2 mm Freiraum haben (Bild 4B). Ziehen Sie dann die Schrauben wieder von Hand fest (Abbildung 4C). Beachten Sie, dass ein zu starkes Anziehen die Multiklaven beschädigen (verbiegen) kann.
  10. Stellen Sie den Multiklaven in einen programmierbaren Umluftofen (Abbildung 4D) und stellen Sie dann das ausgewählte Temperatur-Zeit-Programm ein und starten Sie es. Es empfiehlt sich, einen Umluftofen zu verwenden, um eine gleichmäßige Erwärmung zu gewährleisten.
    1. Für die Entdeckung von Al-CAU-60 stellen Sie folgendes Temperatur-Zeit-Programm ein: Den Ofen in 12 h auf 160 °C vorheizen, die Zieltemperatur 36 h halten und in 12 h auf Raumtemperatur (RT) abkühlen.
      HINWEIS: Die Wahl des Temperatur-Zeit-Programms kann die Produktbildungbeeinflussen 30. Dazu gehören die gebildeten Phasen, häufiger aber auch die Kristallgröße und -morphologie30.

3. Isolierung und Aufarbeitung

  1. Nehmen Sie den Multiklaven aus dem Ofen, wenn die Temperatur Raumtemperatur erreicht hat.
  2. Legen Sie den Multiklaven z. B. in eine mechanische oder hydraulische Presse und drücken Sie ihn vorsichtig zusammen, bis sich die Schrauben von Hand lösen lassen (Abbildung 5A).
  3. Legen Sie den Multiklaven in einen Abzug und entfernen Sie die Kopfplatte des Reaktors, entfernen Sie dann die PTFE-Platten und entfernen Sie die Probenplatte mit den PTFE-Einsätzen von der Grundplatte des Reaktors (Abbildung 5B).
  4. Prüfen Sie die PTFE-Einsätze und prüfen Sie sie auf Kristalle (Abbildung 5C). Falls vorhanden, isolieren Sie einige von ihnen zusammen mit etwas Mutterlauge.
  5. Als nächstes montieren Sie den hauseigenen Hochdurchsatz-Filterblock (Abbildung 6A): Verbinden Sie den Filterblock über zwei Waschflaschen mit einer Vakuumpumpe und legen Sie zwei Filterpapiere zwischen zwei Silikondichtungsmatten mit den entsprechenden Aussparungen (Abbildung 6B-D) im Filterblock. Setzen Sie den PTFE-Füllblock darauf und achten Sie darauf, dass die entsprechenden Aussparungen zu den Dichtmatten und dem Filterblock passen (Abbildung 6E). Ziehen Sie die Lagen mit dem Klemmrahmen fest, der von vier Stehbolzen gehalten wird. Um das Gerät ordnungsgemäß abzudichten, verwenden Sie Flügelmuttern an den Stehbolzen und ziehen Sie sie von Hand fest (Abbildung 6F).
    ANMERKUNG: Die technischen Zeichnungen des Filtrationsblocks sind in den unterstützenden Informationen (Zusatzdatei 3) enthalten. Sollte kein Filterblock vorhanden sein, können die Produkte auch einzeln gefiltert werden.
  6. Verschließen Sie die Aussparungen des Füllblocks, die nicht mit Stopfen gefüllt werden sollen (Bild 6F).
    1. Versiegeln Sie später die bereits entleerten Vertiefungen. Dadurch können auch die anderen Brunnen entleert werden.
  7. Schalten Sie die Membran-Vakuumpumpe ein und stellen Sie sie auf einen Modus ein, in dem sie auf das bestmögliche Vakuum (5-12 mbar) abpumpt.
  8. Mit Hilfe von Einwegpipetten wird der Inhalt der PTFE-Einsätze in die dafür vorgesehenen Vertiefungen des Füllblocks überführt (Abbildung 7A).
    HINWEIS: Wenn schädliche Lösungsmittel (z. B. Dimethylformamid) verwendet werden, sollten die Produkte mit Ethanol oder einem anderen weniger giftigen und flüchtigeren Lösungsmittel gewaschen werden, um den Kontakt mit schädlichen Substanzen während der folgenden Schritte zu reduzieren.
  9. Nachdem alle Einsätze leer sind, suchen Sie ein zweites Mal nach Kristallen und isolieren Sie sie, falls vorhanden (Abbildung 7B). HINWEIS: Es wird empfohlen, ein optisches Mikroskop mit der Möglichkeit zu verwenden, verschiedene Vergrößerungen zu verwenden, um die Größe der Kristallite zu bestimmen.
  10. Demontieren Sie den Filterblock vorsichtig, sobald alle Vertiefungen entleert sind (Abbildung 7C).
  11. Auf dem Filterpapier steht nun eine sogenannte "Produktbibliothek" zur Verfügung (Abbildung 7D).
  12. Trocknen Sie die Produktbibliothek, indem Sie sie in einem Abzug an der Luft trocknen lassen. Bei ungiftigen und nicht korrosiven Lösungsmitteln können die PXRD-Messungen mit nassen Produkten durchgeführt werden.

4. Charakterisierung

HINWEIS: Für die Entdeckung neuer kristalliner Verbindungen werden die erhaltenen Produkte durch HT-PXRD charakterisiert. Neue kristalline Phasen werden identifiziert und für die weitere Charakterisierung verwendet. Die Arbeit mit dem Pulver-Röntgendiffraktometer folgt einem Standardverfahren, das in der Bedienungsanleitung zu finden ist. Es kann auch ein handelsübliches Pulver-Röntgendiffraktometer verwendet werden, was die Charakterisierung mühsamer macht.

  1. Platzieren Sie die Produktbibliothek zwischen zwei Metallplatten (Grundplatte und Deckplatte; Abbildung 7E und Ergänzungsdatei 4) so, dass die Aussparungen in den Platten mit den Produktstellen übereinstimmen, um eine Prüfung mittels PXRD zu ermöglichen. Richten Sie die Platten vorsichtig aus und befestigen Sie sie mit zwei Schrauben (Abbildung 7F).
  2. Legen Sie die Produktbibliothek in den Probenhalter des Diffraktometers ein (Abbildung 8A,B).
    HINWEIS: Für andere Probenhalter sind möglicherweise andere Halterungen erforderlich. Weitere Informationen finden Sie im Benutzerhandbuch.
  3. Setzen Sie den geladenen Probenhalter vorsichtig in den xy-Tisch des Diffraktometers ein und schließen Sie das Gerät (Abbildung 8C).
  4. Das Diffraktometer wird über die WinXPOW-Software 31 gesteuert. Stellen Sie im Fenster " Diffraktometersteuerung " den Messmodus ein, indem Sie auf das Menü " Bereiche " klicken und "Scan-Modus" wählen. Es öffnet sich ein neues Fenster. Wählen Sie dazu Scan-Modus: Übertragung, PSD-Modus: Bewegen, Scan-Typ: 2Theta und Omega-Modus: Fest und Bestätigen Sie den Dialog.
  5. Um die Messparameter einzustellen, klicken Sie auf das Menü Bereiche und wählen Sie Scanbereich.
    1. Es öffnet sich ein neues Fenster. Klicken Sie hier auf das Plus-Symbol und bearbeiten Sie die angezeigten Standardeinstellungen mit einem Doppelklick.
    2. Um die Produktbibliothek zu charakterisieren, führen Sie eine kurze 4-minütige Messung jeder Probe mit den folgenden Einstellungen durch: (a) 2Theta (Beginn, Ende): 2, 47 , (b) Schritt: 1,5, (c) Zeit/PSD Schritt [s]: 2, (d) Omega: 0. Bestätigen Sie beide Dialoge.
  6. Um die Proben auszuwählen, die auf dem xy-Tisch gemessen werden sollen, klicken Sie auf das Menü " Bereiche " und wählen Sie " Scan-Verwendung".
    1. Es öffnet sich ein neues Fenster. Setzen Sie die Scan-Verwendung auf Mehrere Samples und aktivieren Sie die Option Einzelne Bereiche/Dateien.
    2. Klicken Sie anschließend auf die Schaltfläche Bereiche/Dateien; Es öffnet sich ein neues Fenster ("HT_Editor") mit 48 wählbaren Sample-Positionen. Wählen Sie alle Positionen mit Proben auf der Probenplatte aus, indem Sie bei gedrückter 'Control'-Taste auf die Position klicken.
    3. Um die Positionen zu aktivieren, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Measure Samples. Bestätigen Sie beide Dialoge.
  7. Speichern Sie die Dateien, indem Sie im Menü auf Datei klicken und Speichern unter wählen. Nachdem Sie ein Verzeichnis und einen Dateinamen ausgewählt haben, klicken Sie auf die Schaltfläche Speichern .
  8. Starten Sie die Messung, indem Sie im Menü auf Messen klicken und den ersten Eintrag Datenerfassung auswählen. Es öffnet sich ein neues Fenster. Klicken Sie auf die Schaltfläche Ok , um die Messung zu starten.
    HINWEIS: Die Standardeinstellungen und das Verfahren zur Kalibrierung des Diffraktometers sollten der Bedienungsanleitung entnommen werden. Die Wahl der Messparameter (Abtastwinkel, Schrittweite, Zeit pro Abtastschritt) ist auch von der Dichte des Materials, dem Gewicht der beugenden Atome usw. abhängig und muss ggf. angepasst werden. Die Absorption der Röntgenstrahlung kann ein Problem darstellen, wenn zu viel Probe gebildet wird und schwere Elemente verwendet werden.

5. Datenauswertung

HINWEIS: Für die Auswertung der Daten wird ein internes Verfahren verwendet; Andere Verfahren sind denkbar. Die PXRD-Daten werden im ".raw" -Dateiformat erhalten. Um die Diffraktogramme in anderer Software auswerten zu können, muss dieses Dateiformat z.B. in das Dateiformat ".xyd" konvertiert werden.

  1. Öffnen Sie die WinXPOW-Software 31. Um die Pulver-Röntgendiffraktogramme zu öffnen, verwenden Sie das Menü Rohdaten und wählen Sie Rohdatenverarbeitung. Es öffnet sich ein neues Fenster.
  2. Klicken Sie auf das Symbol für Batch Open und wählen Sie alle Dateien über Add Files aus. Nachdem Sie alle Dateien ausgewählt haben, klicken Sie auf Öffnen und bestätigen Sie mit Ok.
  3. Normalisieren Sie die Intensitäten auf einen Maximalwert von 10.000, indem Sie auf die Bereiche klicken und Intensitäten anpassen auswählen. Es öffnet sich ein neues Fenster. Wählen Sie die Option Intensitäten auf max. Int. normalisieren und schreiben Sie 10000. Klicken Sie auf OK.
    ANMERKUNG: Die WinXPOW-Software31 überschreibt die Rohdaten, wenn die Daten geändert werden; Stellen Sie sicher, dass Sie mit Kopien der Daten arbeiten.
  4. Exportieren Sie die Dateien über das Export-Symbol in ein für Evaluierungsprogramme geeignetes Dateiformat. Wählen Sie ein Ausgabeverzeichnis aus und verwenden Sie das X/Y-Dateiformat . Klicken Sie auf OK , um den Export abzuschließen.
  5. Zeigen Sie die PXRD-Daten in einer gestapelten oder getrennten Ansicht in einem geeigneten Programm an. Identifizieren Sie die kristallinsten Produkte, indem Sie die Anzahl der Reflexionen, die Halbwertsbreite (volle Breite bei halbem Maximum [FWHM]) und das Signal-Rausch-Verhältnis untersuchen.
    HINWEIS: Für eine erste Analyse kann auch die WinXPOW-Software31 mit dem Unterprogramm Grafik und der Funktion Suchen und Abgleichen verwendet werden.

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Representative Results

Die PXRD-Daten sind in Abbildung 9 dargestellt. Für die erste Auswertung werden die erhaltenen Ergebnisse mit den Syntheseparametern des untersuchten Parameterraums verknüpft. Die Untersuchung wurde mit sechs verschiedenen molaren Verhältnissen von Linker zu Metall und vier verschiedenen molaren Verhältnissen von NaOH/HCl zu Al3+ durchgeführt. Durch die Verknüpfung dieser Informationen mit den erhaltenen PXRD-Daten (Abbildung 9) ist zu erkennen, dass Produkte mit geringer Kristallinität aus Synthesen bei einem molaren Verhältnis von NaOH:Al3+ von 1:1 (Serie A1 bis A6) und in Abwesenheit von NaOH oder HCl (Serie C1 bis C6) gewonnen wurden. Dies spiegelt sich in der geringen Anzahl von Reflexionen, dem hohen Signal-Rausch-Verhältnis und der großen Halbwertsbreite (FWHM) der Reflexionen wider. Die Anzahl und Position der Reflexionen variiert in den einzelnen Pulvermustern, was auf die Bildung unterschiedlicher Produkte oder Phasengemische hinweist. Innerhalb dieser Reihen zeigen insbesondere die Synthesen bei mittleren oder niedrigen molaren Verhältnissen von Linker zu Metall (2:1, 1:1, 0,5:1) Produkte mit höherer Kristallinität.

Bei den Reaktionen, die bei den beiden höchsten molaren Verhältnissen von HCl:Al3+ von 20:1 und 40:1 durchgeführt werden, bilden sich sehr ähnliche Reaktionsprodukte. Betrachtet man die Datenreihen E1 bis E6 (HCl:Al3+ = 20:1), so zeigt sich ein geringeres Signal-Rausch-Verhältnis in den PXRD-Daten der Produkte, die mit einem hohen molaren Verhältnis von Linker zu Metall hergestellt wurden. Darüber hinaus zeigen die Beugungsmuster der Produkte, die mit einem niedrigeren molaren Verhältnis von Linker zu Metall (E5 und E6) erhalten wurden, zusätzliche Reflexionen, die auf das Vorhandensein einer anderen Phase oder eines Phasengemisches hinweisen. Analysiert man die Reihen G1 bis G6 (HCl:Al3+ = 40:1), so erhält man in allen Reaktionen die gleiche kristalline Phase. Auch hier steigt das Signal-Rausch-Verhältnis mit abnehmenden molaren Verhältnissen von Linker zu Metall.

Im nächsten Schritt werden die PXRD-Muster mit dem höchsten Signal-Rausch-Abstand und den kleinsten Halbwertsbreiten (hier Probe G1 aus den Reihen E1 bis E6 und G1 bis G6) mit berechneten Pulvermustern verglichen. Dazu kann in kristallographischen Datenbanken nach Verbindungen mit dem gleichen Linkermolekül gesucht werden. Beispielsweise kann die MOF-Teilmenge der CSD-Datenbank des CCDC32 verwendet werden. Die CSD-Datenbank kann mit dem Programm ConQuest33 oder direkt auf der CCDC-Websitedurchsucht werden 32. Der Einsatz von ConQuest33erlaubt es unter anderem, die Suche auf MOF-Teilmengen und darüber hinaus auf Kristallstrukturen zu beschränken, die z.B. bestimmte Elemente oder funktionelle Gruppen enthalten oder explizit nicht enthalten. In diesem Fall sind Verbindungen, die ein dreiwertiges Metallion und das Linkermolekül enthalten, von Interesse, und Al-MIL-9134 ist eine Verbindung von Interesse. Der übereinstimmende Eintrag wird heruntergeladen und ein PXRD-Muster wird in der WinXPOW-Software31 berechnet. In Abbildung 10 wird das berechnete PXRD-Muster von Al-MIL-91 mit den gemessenen PXRD-Mustern verglichen. Durch den Vergleich der Reflexionspositionen lassen sich einige Pulvermuster identifizieren, in denen Reflexionen auftreten, die Al-MIL-91 zugeordnet werden können (Abbildung 10; z.B. A4), aber nicht als reine Phase in einer Synthese. Die PXRD-Muster von Produkten, die mit HCl als Additiv erhalten werden, unterscheiden sich völlig von denen von MIL-91 und anderen Verbindungen, die das Linkermolekül enthalten. Diese Informationen sind in Abbildung 11 zusammengefasst, die als Discovery-Bibliothek bezeichnet werden kann. Tabelle 1 listet die molaren Verhältnisse der Reagenzien, die Konzentrationen der Lösungen, die verwendeten Volumina und die Menge des Linkers auf. Eine vereinfachte Form der Versuchstabelle und des Farbschemas, das nur die molaren Verhältnisse zeigt, ist in Tabelle 2 bzw. ergänzender Abbildung 1 dargestellt.

PXRD-Muster von Proben, die mit NaOH als Additiv (A1 bis A6) oder in Abwesenheit eines Additivs (C1 bis C6) erhalten wurden, sind nicht geeignet, um eindeutige Reaktionstrends zu identifizieren. Nichtsdestotrotz kann man mit Erfahrung einige Informationen extrahieren. Zum Beispiel: a) die gleichen PXRD-Muster werden für das Produkt in der A- und C-Reihe beobachtet (z. B. A2 und C2), und b) es werden Phasenmischungen gefunden (A3 könnte eine Mischung aus A2 und A4 sein und C3 könnte eine Mischung aus C2 und C4 sein). Daher sollte im nächsten Schritt der Untersuchung der Parameterraum so modifiziert werden, dass kleinere Schritte in der Variation der molaren Verhältnisse von Ligand zu Metall zu Additiv verwendet werden.

Zusammenfassend lassen sich in den Reihen der Synthesen, die mit HCl als Zusatzstoff durchgeführt werden, klare Trends erkennen. Ein Überschuss des Linkers (Molverhältnis des Linkers zu Metall von 4:1) und ein hohes Molverhältnis von HCl zu Metall (40:1) führen zu einer neuen, hochkristallinen Verbindung. Weitere Untersuchungen ermöglichten es uns, Einkristalle zu erhalten, die für die Einkristall-Röntgenbeugung geeignet sind, was zur strukturellen Aufklärung der neuen Verbindung führte.

Aus den hier vorgestellten Ergebnissen ergibt sich ein Schlüsselfaktor für den erfolgreichen Einsatz von HT-Methoden in der sinnvollen Auswahl des zu untersuchenden Parameterraums und der Verknüpfung des Versuchsdesigns (Parameterraums) mit den Charakterisierungsdaten.

Figure 1
Abbildung 1: Die Schritte in einem HT-Workflow. 1) DOE, Auswahl des interessierenden Parameterraums; 2) Dosierung der Reagenzien; 3) solvothermale Synthese; 4) Isolierung und Aufarbeitung; 5) Charakterisierung, die typischerweise mit PXRD durchgeführt wird; 6) Datenauswertung, an die sich wieder Schritt 1 anschließt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Links die Einzelteile der Anlage und rechts die montierte Apparatur. (A) Der eigens gebaute HT-Reaktor für 24 Reaktionen besteht aus einer Grundplatte, die an den kurzen Seiten von zwei Führungsstiften flankiert wird, und hat eine Aussparung, in die die Probenplatte, die zur Aufnahme der 24 PTFE-Einsätze eingelassen ist, eingefügt werden. Die unterstützenden Informationen enthalten die technischen Zeichnungen (Ergänzungsdatei 1). (B) Die hauseigenen Stahl-Multiklaven für 48 Synthesen. Der Aufbau ist im Wesentlichen identisch mit dem des 24-Reaktionsreaktors. Die unterstützenden Informationen enthalten technische Zeichnungen (Ergänzungsdatei 2). (C) der selbst hergestellte Filtrationsblock für die Filtration von 48 Reaktionsgemischen; Links sind die Einzelteile zu sehen, rechts der montierte Filterblock. Die unterstützenden Informationen enthalten die technische Zeichnung (Ergänzungsdatei 3). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Zusammenbau des HT-Reaktors . (A) Insgesamt werden 24 Scheiben mit einer Höhe von 2 mm in die Probenplatte eingeführt, um die Löcher abzudecken. Dadurch passen die PTFE-Einsätze korrekt und sind leicht herausnehmbar. (B) Nach dem Füllen des PTFE-Einsatzes mit dem Feststoff werden die Lösungen mit Hilfe von Pipetten zugegeben. Anschließend wird der Reaktor zusammengebaut. (C) Die Probenplatte mit den PTFE-Einsätzen wird in die Grundplatte eingesetzt. Die Grundplatte ist markiert, um die PTFE-Einsätze zu identifizieren (oben links). (D) Die PTFE-Platten werden auf die Probenplatte gelegt. (E) Die Kopfplatte wird auf die Grundplatte gelegt, die die Probenplatte und zwei PTFE-Platten enthält. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Abdichtung und Einsetzung des Reaktors in den Umluftofen . (A) Der Multiklave wird in eine Presse gelegt, die gerade genug Druck auf den Reaktor ausübt, um 2 mm Freiraum (mit roten Zyklen gekennzeichnet) in den federbelasteten Druckstücken zu lassen. (B) In der Presse wird Druck auf den Reaktor ausgeübt, so dass die federbelasteten Druckstücke 2 mm Freiraum haben. (C) Nachdem Druck ausgeübt wurde, werden die Schrauben von Hand angezogen. (D) Der Reaktor wird in den Umluftofen gestellt. Dies sorgt für eine gleichmäßige und kontinuierliche Erwärmung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 5
Abbildung 5: Entfernen des Multiklaven und Prüfen auf Kristalle . (A) In der Presse wird der Reaktor so weit unter Druck gesetzt, dass die Schrauben von Hand gelöst werden können. (B) Der Reaktor wird im Abzug vorsichtig zerlegt. (C) Die PTFE-Einsätze werden nun auf das Vorhandensein von Kristalliten untersucht; Falls vorhanden, sollten diese mit etwas Mutterlauge isoliert werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 6
Abbildung 6: Zusammenbau des HT-Filtrationsblocks . (A) Teile des Filtrationsblocks und des Reaktors. Zwei Filterpapiere werden so zugeschnitten, dass sie in den Filterblock passen. Der Filterblock ist ebenfalls mit der Vakuumpumpe verbunden. (B) Eine Dichtmatte (aus Silikon) wird in den Filterblock eingelegt. (C) Die beiden Filterpapiere werden auf die Dichtmatte gelegt. (D) Die zweite Dichtmatte (aus Silikon) wird in den Filterblock eingelegt. (E) Der Füllblock (aus PTFE) wird auf die Dichtmatten in den Filterblock aufgesetzt. (F) Darauf wird ein Stahlrahmen aufgesetzt und mit Flügelschrauben befestigt. Unbenutzte Filteröffnungen werden mit Gummistopfen verschlossen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 7
Abbildung 7: Übertragung des Inhalts der PTFE-Einsätze, Demontage des Filtrationsblocks und Vorbereitung der Produktbibliothek für die Charakterisierung mittels PXRD . (A) Der Probenhalter mit den PTFE-Einsätzen wird nun vor den Filterblock gestellt. Mit Hilfe von Einwegpipetten wird der Inhalt der PTFE-Einsätze in die entsprechenden Löcher des Filterblocks überführt. (B) Die PTFE-Einsätze werden ein zweites Mal auf nicht übertragene Kristallite untersucht. (C) Der Filterblock wird nun vorsichtig zerlegt. Es muss besonders darauf geachtet werden, dass die benachbarten Proben nicht kontaminiert werden. Dies kann passieren, wenn der Filterblock nicht senkrecht abgehoben wird oder wenn die Hälfte des Filterpapiers am Filterblock haftet. (D) Die Produktbibliothek auf Filtrationspapier. (E) Die Produktbibliothek wird vorsichtig aus dem Filterblock entnommen und auf eine Metallplatte gelegt (die unterstützenden Informationen enthalten technische Zeichnungen; Ergänzungsdatei 4) Und zwar so, dass die Löcher mit den Positionen der Proben ausgerichtet sind. Zwei Schrauben werden verwendet, um das Oberteil an der Bodenplatte zu befestigen. (F) Die Produktbibliothek ist nun zwischen zwei Metallplatten befestigt. Die einzelnen Reaktionsprodukte konnten nun ein drittes Mal unter dem Lichtmikroskop auf das Vorhandensein von Kristalliten untersucht werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 8
Abbildung 8: HT-PXRD-Messung. (A) Für die HT-PXRD-Messung wird die Produktbibliothek zwischen den Metallplatten (unten) mit zwei Schrauben am Probenhalter (oben) befestigt. (B) Produktbibliothek im HT-PXRD-Probenhalter. (C) Pulver-Röntgendiffraktometer mit einem xy-Tisch. Die Röntgenröhre befindet sich unten und der Detektor oben links. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 9
Abbildung 9: Gestapeltes Diagramm aller gemessenen PXRD-Muster. Die Diffraktogramme sind gemäß Tabelle 1 markiert, die die Molverhältnisse der Reagenzien enthält. Die Informationen aus Tabelle 1 werden als Balken auf der rechten Seite des Diagramms hinzugefügt, wobei die Zusatzstoffe hervorgehoben werden - blau: NaOH; grün: kein Zusatzstoff; rot: HCl-gemäß dem in Tabelle 2 verwendeten Farbschema. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 10
Abbildung 10: Vergleich der PXRD-Muster der kristallinsten Phasen mit dem berechneten PXRD-Muster von Al-MIL-9134. Balken auf der rechten Seite des Diagramms markieren die verwendeten Zusatzstoffe - blau: NaOH; grün: kein Zusatzstoff; rot: HCl (gemäß dem in Tabelle 2 verwendeten Farbschema). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 11
Abbildung 11: Discovery-Bibliothek und die Ergebnisse der ersten HT-Studie im chemischen System AlCl3∙6H 2 O/H4PMP/NaOH/HCl/H2O. Die Nummerierung folgt der Nummerierung der Diffraktometer-Software und entspricht Tabelle 1, Abbildung 9 und Abbildung 10. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Tabelle 1: Die molaren Verhältnisse der Reagenzien, die Konzentrationen der Lösungen, die verwendeten Volumina und die Menge des Linkers. Die vollständige Tabelle finden Sie in den unterstützenden Informationen (Ergänzende Tabelle 1). Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 2: Eine vereinfachte Form der Versuchstabelle, die nur die Molverhältnisse zeigt. Die Synthesen 1-6 werden mit NaOH als Additiv durchgeführt (dargestellt als bläuliche und weiße Streifen). Die Synthesen 7-12 erfolgen ohne Zusatzstoff (grüne und weiße Streifen) und die Synthesen 13-24 werden mit HCl als Additiv in zwei verschiedenen molaren Verhältnissen zum Metall (beide mit rötlichen und weißen Streifen) durchgeführt. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 1: Farbschema, das die molaren Verhältnisse darstellt. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle 1: Die vollständige Tabelle mit den molaren Verhältnissen, Konzentrationen, verwendeten Volumina und der Menge des Linkers, der zur Herstellung der Reagenzien verwendet wird. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzungsdatei 1: Die technischen Zeichnungen des 24-Reaktions-Reaktors. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Datei 2: Die technischen Zeichnungen des 48-Reaktions-Reaktors. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Datei 3: Die technischen Zeichnungen des Filtrationsblocks. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Datei 4: Die technischen Zeichnungen des Probenhalters für HT-PXRD. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

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Discussion

Aufgrund der Komplexität der HT-Methode werden in den folgenden Abschnitten auf die einzelnen Schritte und die Methode selbst eingegangen. Der erste Teil befasst sich mit den kritischen Schritten für jeden Arbeitsschritt des HT-Workflows (Abbildung 1), möglichen Modifikationen und gegebenenfalls Einschränkungen der Technik. Abschließend wird eine allgemeine Diskussion vorgestellt, die auch die Bedeutung der HT-Methode im Hinblick auf bestehende Methoden und zukünftige Anwendungen einschließt.

Im ersten Schritt des HT-Workflows, dem DOE, muss man die relevanten Parameter für die Studie gut auswählen, um maximale Informationen über ein bestimmtes Experiment zu erhalten, da "ein schlecht konzipiertes Experiment schlechte Informationen mit beispielloser Geschwindigkeit und in herausragender Menge liefert"35. Sobald die Parameter festgelegt sind, wird häufig eine Tabellenkalkulationssoftware verwendet, um die Mengen an Ausgangsstoffen und Lösungsmittelmassen und -volumina zu berechnen. Kleine Fehler, z. B. in molaren Massen, Formeln usw., führen zu einer Reihe von unbeabsichtigten Reaktionsparametern: "Wenn überhaupt, muss noch sorgfältiger geplant werden, da wir jetzt die Möglichkeit haben, schneller als je zuvor in die falsche Richtung zu gehen"35. Die Anpassung der HT-Methodik an solvothermale Synthesen mit selbst hergestellten Multiklaven hat einige allgemeine Einschränkungen hinsichtlich der Arten von Experimenten, die durchgeführt werden können. Die Arbeitstemperatur des PTFE-Einsatzes ist nicht nur begrenzt, weil PTFE ein hohes Kriechen aufweist, sondern auch aufgrund von Abbauprozessen36. Für Informationen über die maximale Arbeitstemperatur müssen die technischen Informationen der PTFE-Hersteller berücksichtigt werden. Darüber hinaus muss der autogene Druck bei der Reaktionstemperatur oder die Bildung flüchtiger Reaktionsprodukte berücksichtigt werden. Der Druck kann für die Dichtungen zu hoch werden und es kann zu Leckagen kommen. Für die generellen Einschränkungen der Multiklaven sollte die Produktionsstätte, die die Reaktoren herstellte, in Frage gestellt werden. Zukünftige Entwicklungen in der Materialwissenschaft könnten die zugänglichen Temperatur- und Druckbereiche von PTFE-Gefäßen und Multiklaven erweitern.

Der zweite Schritt im HT-Workflow ist die Dosierung kleiner Mengen von Reagenzien. Stammlösungen definierter Konzentrationen müssen vor der Zugabe der Ausgangsstoffe in die Reaktionsgefäße genau hergestellt werden, da kleine Dosierungsfehler in Verbindung mit Fehlern bei der Dosierung kleiner Mengen zu großen Abweichungen von den angegebenen Molverhältnissen der Ausgangsstoffe führen können 19,20. Die Dosierung von Feststoffen im Milligramm-Maßstab ist sehr anspruchsvoll, daher müssen hochpräzise Waagen verwendet werden. Darüber hinaus müssen Abweichungen von den angegebenen Beträgen (definiert in Abschnitt 1) dokumentiert werden. Die Reihenfolge der Dosierung der Reagenzien und Lösungsmittel sollte immer gleich bleiben. Es sollten nur Ausgangsstoffe von hoher Reinheit verwendet und Reagenzlösungen frisch zubereitet werden (oder zumindest der Tag der Herstellung dokumentiert werden), da es durch Alterung z.B. zu Polykondensationsreaktionen oder zur Ausfällung von Metallspezies kommen kann. In einigen Fällen ist eine Homogenisierung der Reaktionsgemische zwingend erforderlich, obwohl dies in der Regel nicht erfolgt. Der einfachste Fehler, den man machen kann, ist, beim Befüllen der Autoklaven unvorsichtig zu sein. Da es sehr eintönig sein kann, zwei oder mehr Reaktanten in unterschiedlichen Mengen zu den 24 oder 48 Reaktionsgefäßen hinzuzufügen, muss man sehr genau und vorsichtig sein. Eine Automatisierung mit Dosierrobotern würde diese Fehlerquelle eliminieren, aber die passende Ausrüstung ist komplex und damit teuer und erfordert eine umfangreiche Wartung.

Der dritte Schritt, die solvothermale Synthese, führt zur Bildung der Produkte unter einem bestimmten Temperatur-Zeit-Programm. Die einzelnen PTFE-Einlagen, wie auch die ganzen Multiklaven innerhalb einer systematischen Studie, sollten auf die gleiche Weise behandelt werden. Unterschiedliche Alterungszeiten (z.B. durch Wartezeiten zwischen der Montage der Autoklaven und dem Einlegen in den Ofen) können sich auf die Produktbildung auswirken. Darüber hinaus kann die Position des Multiklaven im Ofen aufgrund von Temperaturgradienten im Inneren des Ofens eine Rolle spielen. Dies ist weniger wichtig, wenn Umluftöfen verwendet werden. Eine regelmäßige Kalibrierung des Ofens wird ebenfalls empfohlen. Bezüglich des Temperatur-Zeit-Programms ist zu beachten, dass es Stunden dauert, bis die Stahl-Multiklaven auf die erforderliche Reaktionstemperatur erhitzt sind, und daher sind kurze Reaktionszeiten von nur wenigen Stunden nicht zu empfehlen.

Der vierte Schritt, die Produktisolierung und Aufarbeitung, wird manuell durchgeführt. Kreuzkontaminationen während des Filtrationsschritts können zu Ausreißern in den Trends führen, die nicht erklärt werden können. Insbesondere bei der Synthese von porösen Materialien sollten die Aufarbeitungsverfahren, einschließlich der Art der Lösungsmittel zum Waschen oder verschiedener Trocknungsmethoden, während der gesamten Studie gleich bleiben. Außerdem sollte man die Reaktionsgefäße am Boden der Wände visuell auf Kristallite untersuchen, da diese im Filtrationsschritt manchmal nicht überführt werden.

Der fünfte Schritt des HT-Workflows, die Produktcharakterisierung, wird am Reaktionsprodukt aus Abschnitt 4 durchgeführt. Die Identifizierung kristalliner Phasen durch PXRD und die Datenqualität können durch die Menge, Morphologie und Kristallinität des Produkts erschwert werden19,20. Kleine Mengen führen zu Daten mit einem großen Signal-Rausch-Verhältnis, während große Mengen zu Röntgenabsorption führen können, insbesondere wenn das Reaktionsprodukt schwere Elemente enthält. Die bevorzugte Orientierung kann ein Problem darstellen, wenn stark anisotrope Kristallformen auftreten, da dies zu signifikanten Änderungen der relativen Intensitäten im PXRD-Muster führt. Das Gleiche gilt für große Kristalle, aber in der Regel werden scharfe Reflexionen von hoher Intensität beobachtet. Es ist daher ratsam, die Proben vor der Datenerfassung unter einem Lichtmikroskop zu untersuchen und die Probe zu zermahlen, wenn größere Kristalle vorhanden sind. Ein weiterer Aspekt, der beim Vergleich des gemessenen PXRD-Musters mit denen zu berücksichtigen ist, die aus bekannten Kristallstrukturen aus einer Strukturdatenbank berechnet wurden, ist die Tatsache, dass einige Strukturen möglicherweise nicht veröffentlicht wurden. Manchmal wurden Strukturen mit unterschiedlichen Zellparametern oder für Verbindungen veröffentlicht, die unterschiedliche Lösungsmittel oder Gegenionen enthalten. Ein seltener Fall, der für MOFs spezifisch ist, ist ihre mögliche strukturelle Flexibilität (d.h. die Menge und Art des Gastmoleküls führen zu starken Änderungen des Gerüsts), die sich in großen Änderungen der Positionen und relativen Intensitäten in den PXRD-Mustern widerspiegelt. In diesen Fällen müssen die Proben auf die gleiche Weise behandelt werden. Darüber hinaus wurden auch andere HT-Charakterisierungsmethoden (katalytische Reaktionen, Gassorptionsmessungen) beschrieben, aber PXRD ist für die Entdeckung neuer kristalliner Verbindungen zwingend erforderlich.

Der letzte Schritt des HT-Workflows ist die Datenauswertung. Aufgrund einer großen Datenmenge, in diesem Fall der Anzahl der PXRD-Muster, ist eine sorgfältige Auswertung zwingend erforderlich, insbesondere wenn Phasengemische vorhanden sind. Dies wird noch schwieriger, wenn neue Verbindungen gebildet werden, aber mit etwas Übung ist es möglich, Phasenmischungen zu identifizieren. Dazu müssen die chemischen Parameter aus dem ersten Abschnitt mit den resultierenden Reaktionsprodukten (PXRD-Muster) korreliert werden. In der Regel lassen sich zwischen ihnen Trends erkennen. Während die Datenauswertung durch visuelle Inspektion der PXRD-Muster erfolgen kann, kann auch Software für die qualitative Phasenanalyse verwendet werden.

Abschließend noch einige allgemeine Bemerkungen zur Anwendung von HT-Methoden. Sie ermöglichen die systematische Untersuchung komplexer Parameterfelder und die Gewinnung von Informationen über Entstehungsfelder und Synthesetrends. Je nach verfügbarem HT-Aufbau kann dies mit unterschiedlichen Parallelisierungs-, Miniaturisierungs- und Automatisierungsgraden erfolgen 19,20. In allen Fällen werden die Untersuchungen beschleunigt, der Verbrauch von Ausgangsstoffen reduziert und die Reproduzierbarkeit durch die Reduzierung menschlicher Fehler verbessert19,20. Ein wichtiger Vorteil vieler Datenpunkte besteht darin, dass Ausreißer (d. h. Ergebnisse, die nicht zu den Trends passen) darauf hindeuten, dass es einen Fehler bei der Dosierung von Ausgangsstoffen (z. B. falsche Mengen) oder unerwünschte Verunreinigungen in den Reaktoren gegeben haben könnte. Letzteres kann bei der Wiederverwendung von PTFE-Reaktoren leicht passieren. Dennoch können einige Fallstricke auftreten, die mit den oben erwähnten sechs Schritten des HT-Workflows zusammenhängen. Im Allgemeinen ist Vorsicht geboten, da sich Fehler ausbreiten, die die Reproduzierbarkeit erschweren. Weitere allgemeine Aspekte, die zu berücksichtigen sind, sind das Scale-up von Reaktionen und der Einsatz anderer Reaktorsysteme, die ebenfalls als zusätzliche Reaktionsparameter berücksichtigt werden müssen. Diese können die Kinetik der Reaktion verändern, aber in anderen Fällen, z. B. für CAU-10 37, wurde das Scale-up und die Verwendung anderer Reaktoren vom Milliliter- in den Literbereich unter Verwendung von PTFE- oder Glasreaktoren37 durchgeführt. Die hier vorgestellte Studie ist nur ein Beispiel. Die Methodik kann auf jede Reaktion in Lösung angewendet werden, solange die limitierenden Parameter beachtet werden.

Während über verschiedene Reaktordesigns berichtet wurde19,20, ist die Anpassung von HT-Methoden im Allgemeinen die einzige Möglichkeit, große experimentelle Parameterräume zu verwalten. Die zukünftige Entwicklung der Reaktionsgefäße und der Multiklaven wird den zugänglichen Parameterraum um zugängliche Temperatur- und Druckbereiche erweitern. Da andere HT-Systeme wie Dosierroboter oder HT-Charakterisierungssysteme und neue Software-Tools erschwinglicher und einfacher zu bedienen werden, werden immer mehr Schritte des HT-Workflows optimiert, wodurch die Entdeckung neuer Verbindungen oder unbekannter Eigenschaften bekannter Verbindungen beschleunigt wird.

Mit diesem Beitrag wollen wir unsere Methodik im Detail mit der wissenschaftlichen Community teilen.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Die Arbeiten wurden von der Christian-Albrechts-Universität, dem Land Schleswig-Holstein und der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt (insbesondere STO-643/2, STO-643/5 und STO-643/10).

Norbert Stock bedankt sich bei den B.Sc., M.Sc. und Doktoranden, sowie den Kooperationspartnern, die viele interessante Projekte mit der Hochdurchsatzmethodik durchgeführt haben, insbesondere Prof. Bein von der Ludwig-Maximilians-Universität in München, der maßgeblich an der Entwicklung der Reaktoren beteiligt war.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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Entdeckung und Syntheseoptimierung von isoretikulären al(III)-phosphonat-basierten metallorganischen Gerüstverbindungen mit Hochdurchsatzmethoden
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