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

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)) für_x = 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+ oder^Zr4+, mit Carboxylat-2- oder^{Phosphonat-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 -CO_2-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 Relevanz^12,13. 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 Metallphosphonaten^{herauskristallisiert} 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 Maße^19,20. 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 Syntheseoptimierung^19,20. 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 Reaktorstabilität^19,20. In einer systematischen Studie zu zeolithischen Imidazolat-Gerüsten (ZIFs) haben Banerjee et al.²⁵ verwendeten das 96-Well-Glasplattenformat, um über 9600 Reaktionen^{durchzuführen 24}. Für Reaktionen unter solvothermen Bedingungen wurden unter anderem kundenspezifische Polytetrafluorethylen (PTFE)-Blöcke oder Multiklaven mit 24 oder 48 einzelnen PTFE-Einsätzen von der Stockgruppe^19,20 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 stark^19,20. 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 auftreten^19,20.

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.

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…

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,…

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 einsc…

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