Summary
הסינתזה הממוקדת של מסגרות מתכת-אורגניות חדשות (MOFs) היא קשה, וגילוין תלוי בידע וביצירתיות של הכימאי. שיטות תפוקה גבוהה מאפשרות לחקור שדות פרמטרים סינתטיים מורכבים במהירות וביעילות, להאיץ את תהליך מציאת תרכובות גבישיות ולזהות מגמות סינתטיות ומבניות.
Abstract
שיטות תפוקה גבוהה (HT) הן כלי חשוב לסינון מהיר ויעיל של פרמטרים של סינתזה וגילוי חומרים חדשים. כתב יד זה מתאר את הסינתזה של מסגרות מתכתיות-אורגניות (MOFs) מתמיסה באמצעות מערכת כור HT, וכתוצאה מכך התגלו MOFs שונים מבוססי פוספונטים של הרכב [Al 2 H12-x(PMP)3]Cl x∙6H2O (H 4 PMP = N,N '-piperazine bis(methylenephosphonic acid)) עבורx =4, 6, המסומן כ- Al-CAU-60-xHCl, המכיל יוני אלומיניום טריוולנטיים. זה הושג בתנאי תגובה סולוותרמית על ידי סינון שיטתי של ההשפעה של היחס המולרי של המקשר למתכת ואת ה- pH של תערובת התגובה על היווצרות המוצר. הפרוטוקול לחקירת HT כולל שישה שלבים: א) תכנון סינתזה (DOE = תכנון ניסוי) במסגרת מתודולוגיית HT, ב) מינון ועבודה עם כורי HT שפותחו בתוך החברה, ג) סינתזה סולבותרמית, ד) עיבוד סינתזה באמצעות בלוקי סינון שפותחו בתוך החברה, ה) אפיון על ידי עקיפה של קרני רנטגן באבקת HT, ו) הערכה של הנתונים. מתודולוגיית HT שימשה לראשונה לחקר השפעת החומציות על היווצרות המוצר, מה שהוביל לגילוי Al-CAU-60∙xHCl (x = 4 או 6).
Introduction
מסגרות מתכתיות-אורגניות (MOFs) הן תרכובות נקבוביות גבישיות שהמבנים שלהן מורכבים מצמתים המכילים מתכת, כמו יוני מתכת או צבירי מתכת-חמצן, המחוברים באמצעות מולקולות אורגניות (מקשרים)1. על ידי שינוי הצמתים המכילים מתכת כמו גם המקשר, ניתן לקבל מגוון של תרכובות המציגות מגוון רחב של תכונות ולכן יש יישומים פוטנציאליים בתחומים שונים1.
יציבות החומר חשובה ליישומו 1,2,3. לכן, MOFs המכילים יוני מתכת תלת-או טטרוולנטיים, כגון Al 3+, Cr3+, Ti 4+ או Zr4+, עם מולקולות קישור קרבוקסילט2 או פוספונט4 עמדו במוקד מחקרים רבים5,6,7. בנוסף לסינתזה ישירה של MOFs יציבים, שיפור היציבות באמצעות שינויים פוסט-סינתטיים, כמו גם היווצרות של חומרים מרוכבים הוא תחום עניין2. MOFs מבוססי פוספונטים דווחו בתדירות נמוכה יותר בהשוואה ל-MOFs8 מבוססי קרבוקסילט. סיבה אחת היא גמישות הקואורדינציה הגבוהה יותר של קבוצת CPO3 2- בהשוואה לקבוצת -CO2, מה שמוביל לעתים קרובות להיווצרות מבנים צפופים ומגוון מבני גדול יותר 8,9,10,11. בנוסף, חומצות פוספוניות לעתים קרובות חייב להיות מסונתז, כפי שהם זמינים לעתים רחוקות בשוק. בעוד שחלק מהפוספונטים המתכתיים מפגינים יציבות כימית יוצאת דופן10, גישה שיטתית לפוספונטים של מתכת איזורטיקולרית, המאפשרת כוונון של תכונות, היא עדיין נושא בעל רלוונטיות גבוהה12,13. אסטרטגיות שונות לסינתזה של פוספונטים מתכתיים נקבוביים נחקרו, כגון שילוב פגמים בשכבות צפופות אחרת, למשל, על ידי החלפה חלקית של פוספונט בליגנדות פוספט 4,14. עם זאת, מכיוון שמבנים פגומים אינם ניתנים לשחזור בצורה גרועה, והנקבוביות אינן אחידות, פותחו אסטרטגיות אחרות. בשנים האחרונות, השימוש בחומצות פוספוניות תובעניות סטריליות או אורתוגונליות כמולקולות קישור התגלו כאסטרטגיה מתאימה להכנת פוספונטים מתכתיים נקבוביים 4,8,10,11,13,15,16,17,18 . עם זאת, נתיב סינתזה אוניברסלי עבור פוספונטים מתכתיים נקבוביים עדיין לא התגלה. כתוצאה מכך, סינתזה של פוספונטים מתכתיים היא לעתים קרובות תהליך של ניסוי וטעייה, הדורש חקירה של פרמטרים סינתזה רבים.
מרחב הפרמטרים של מערכת תגובה כולל פרמטרים כימיים ותהליכיים ויכול להיות עצום19. הוא מורכב מפרמטרים כגון סוג חומר המוצא (מלח מתכת), יחסים מולאריים של חומרי התחלה, תוספים להתאמת pH, אפננים, סוג הממס, תערובות ממס, נפחים, טמפרטורות תגובה, זמנים וכו '19,20. מספר מתון של וריאציות פרמטרים יכול בקלות לגרום לכמה מאות תגובות בודדות, מה שהופך תוכנית סינתזה שקולה בקפידה ומרחב פרמטרים שנבחר היטב הכרחי. לדוגמה, מחקר פשוט המשתמש בשישה יחסים מולאריים של המקשר למתכת (למשל, M:L = 1:1, 1:2, ... ל 1:6) וארבעה ריכוזים שונים של תוסף ושמירה על הפרמטר השני קבוע, מוביל כבר 6 x 4 = 24 ניסויים. שימוש בארבעה ריכוזים, חמישה ממסים ושלוש טמפרטורות תגובה יחייב ביצוע 24 ניסויים 60 פעמים, וכתוצאה מכך 1,440 תגובות בודדות.
שיטות תפוקה גבוהה (HT) מבוססות על מושגים של מזעור, מקבילה ואוטומציה, בדרגות שונות בהתאם לשאלה המדעית המטופלת19,20. ככאלה, הם יכולים לשמש כדי להאיץ את החקירה של מערכות מרובות פרמטרים והם כלי אידיאלי לגילוי של תרכובות חדשות, כמו גם אופטימיזציה סינתזה19,20. שיטות HT שימשו בהצלחה בתחומים שונים, החל מגילוי תרופות ועד מדע החומרים20. הם שימשו גם לחקר חומרים נקבוביים כגון זאוליטים ו- MOFs בתגובות סולוותרמיות, כפי שסוכם לאחרונה20. זרימת עבודה טיפוסית של HT לסינתזה סולוותתרמית מורכבת משישה שלבים (איור 1)19,20,21: א) בחירה של מרחב הפרמטרים המעניינים (כלומר, תכנון הניסוי [DOE]), שניתן לעשות באופן ידני או באמצעות תוכנה; ב) מינון של ריאגנטים לתוך כלי השיט; ג) סינתזה סולבותרמית; ד) בידוד ועבודה; ה) אפיון, אשר נעשה בדרך כלל עם עקיפה רנטגן אבקה (PXRD); ו) הערכת נתונים, שלאחריה מופיע שוב השלב הראשון.
תקבולת ומזעור מושגים בתגובות סולוותרמיות באמצעות שימוש במולטיקלאבים, המבוססים לעתים קרובות על פורמט צלחת 96 בארות המבוסס ביותר בביוכימיה וברוקחות 19,20,22,23. דווח על תכנונים שונים של כורים וכמה קבוצות בנו כורים משלהם19,20. בחירת הכור תלויה במערכת הכימית המעניינת, במיוחד טמפרטורת התגובה, הלחץ (האוטוגני) ויציבות הכור 19,20. לדוגמה, במחקר שיטתי של מסגרות אימידזולאט זאוליטיות (ZIFs), Banerjee et al.25 השתמשו בפורמט צלחת זכוכית 96 בארות כדי לבצע מעל 9600 תגובות24. עבור תגובות בתנאים סולבותרמיים, בלוקים מותאמים אישית של פוליטטרה-פלואוראתילן (PTFE), או מולטיקלאבים עם 24 או 48 תוספות PTFE בודדות, תוארו בין היתר על ידי קבוצת סטוק19,20. הם משמשים באופן שגרתי, למשל, בסינתזה של קרבוקסילטים מתכת ופוספונטים. ככאלה, ריינש ואחרים.25 דיווחו על יתרונות המתודולוגיה בתחום MOFs אלומיניום נקבובי25. מערכות כורי HT מתוצרת הבית (איור 2), שמאפשרות לחקור 24 או 48 תגובות בו-זמנית, מכילות תוספות PTFE בנפח כולל של 2.655 מ"ל ו-0.404 מ"ל, בהתאמה (איור 2A,B). בדרך כלל, לא יותר מ 1 מ"ל או 0.1 מ"ל, בהתאמה, משמש. בעוד כורים אלה משמשים תנורים קונבנציונליים, חימום בסיוע מיקרוגל באמצעות בלוקים SiC וכלי זכוכית קטנים דווח גם26.
אוטומציה של מחקרים מובילה לחיסכון בזמן ושיפור יכולת השחזור, כמו ההשפעה של הגורם האנושי ממוזער20. מידת השימוש באוטומציה משתנה מאוד19,20. מערכות מסחריות אוטומטיות לחלוטין, כולל צנרת 20 או יכולות שקלול20, ידועות. דוגמה עדכנית היא השימוש ברובוט לטיפול בנוזלים לחקר ZrMOFs, שדווח על ידי קבוצת Rosseinsky27. ניתוח אוטומטי יכול להתבצע על ידי PXRD באמצעות דיפרקטומטר מצויד בשלב xy. בדוגמה אחרת, נעשה שימוש בקורא לוחות כדי לסנן זרזים במצב מוצק, בעיקר MOFs, לבדיקת HT של פירוק סוכן עצבי28. ניתן לאפיין דוגמאות בריצה אחת ללא צורך בדגימה ידנית או שינויי מיקום. אוטומציה אינה מבטלת טעויות אנוש, אך היא מפחיתה את האפשרות שהיא תתרחש19,20.
באופן אידיאלי, יש להתאים את כל השלבים בזרימת עבודה של HT במונחים של מקביליות, מזעור ואוטומציה כדי למנוע צווארי בקבוק אפשריים ולמקסם את היעילות. עם זאת, אם לא ניתן להקים זרימת עבודה HT בשלמותה, זה עשוי להיות מועיל לאמץ צעדים / כלים נבחרים עבור המחקר שלך. השימוש multiclaves עבור 24 תגובות שימושי במיוחד כאן. השרטוטים הטכניים של הציוד הפנימי ששימש במחקר זה (כמו גם אחרים) מתפרסמים לראשונה וניתן למצוא אותם בקובץ משלים 1, קובץ משלים 2, קובץ משלים 3 ותיק משלים 4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
בפרוטוקול זה מתוארת חקירת HT של מערכות כימיות לגילוי חומרים גבישיים חדשים, תוך שימוש ב- Al-CAU-6029 כדוגמה.
1. תכנון ניסוי (DOE)
הערה: הצעד הראשון הוא להגדיר תוכנית סינתזה, אשר דורשת ידע על הגדרת הכור (איור 2), מגיבים וממסים שבהם נעשה שימוש. הליך תכנון הסינתזה הזה מותאם לביצוע 24 או 48 תגובות במסגרת תוכנית זמן טמפרטורה ספציפית, שעבורה רב-מובעי פלדה מתוצרת בית משמשים לביצוע 24 (איור 2A) או 48 תגובות (איור 2B) בבת אחת. הכורים הם תוספות PTFE מתוצרת פנימית עם נפח מגיב/ממס משומש של 1 מ"ל (כור PTFE לביצוע 24 תגובות במולטיקלבה פלדה) או 100 מיקרוליטר (כור PTFE לביצוע 48 תגובות במולטיקלבה פלדה). את השרטוטים הטכניים של הגדרת הכור ניתן למצוא בקובץ משלים 1 ובקובץ משלים 2 בהתאמה.
- ראשית, קבע את מרחב הפרמטרים שיש לחקור. לכן, לקבל החלטות על מספר ראשוני של תגובות, מקור מתכת, מולקולת linker, כמו גם את השימוש תוספים ממס.
- עבור הדוגמה הנבחרת של Al-CAU-60, בצע 24 תגובות באמצעות AlCl3∙6H2O כמקור מתכת ו- N , N′-piperazine-bis(חומצה מתילנפוספונית) (H4PMP) כמולקולת קישור. יתר על כן, השתמשו בתמיסות מימיות של NaOH ו-HCl כתוספים כדי לחקור את השפעת ה-pH של תערובת התגובה על היווצרות מוצרים.1
הערה: בחירת הפרמטרים מבוססת בדרך כלל על הליכי סינתזה שפורסמו או עקרונות המבוססים על ידע כימי בסיסי. עם זאת, לצורך גילוי מוצלח של חומרים חדשים, יש ליישם וריאציה רחבה יותר של פרמטרי התגובה (כלומר, יש לשקול מידה מסוימת של גיוון של פרמטרי התגובה). מספר הפרמטרים שיש לגוון וסוג הווריאציות יכול להתבסס על עקרונות שונים. בצורה הפשוטה ביותר, יש לשנות רק פרמטר אחד בכל פעם. לדוגמה, ניתן להשתמש בריכוז קבוע של מלח מתכת בשילוב עם ריכוזים משתנים של מולקולות קישור כדי לחקור יחסים שונים בין מקשר למתכת. עם זאת, המחקר יכול גם להשתמש ביחסים מולאריים שונים של המקשר למתכת ולממסים או תוספים אחרים. מרחב הפרמטר הנגיש מוגבל על ידי מסיסות חומרי המוצא (כמות וסוג ממס) במקרים בהם נעשה שימוש בתמיסות בלבד21. מינון המוצקים מרחיב את מרחב הפרמטר הנגיש20.
- עבור הדוגמה הנבחרת של Al-CAU-60, בצע 24 תגובות באמצעות AlCl3∙6H2O כמקור מתכת ו- N , N′-piperazine-bis(חומצה מתילנפוספונית) (H4PMP) כמולקולת קישור. יתר על כן, השתמשו בתמיסות מימיות של NaOH ו-HCl כתוספים כדי לחקור את השפעת ה-pH של תערובת התגובה על היווצרות מוצרים.1
- ציין את רווח הפרמטרים. לשם כך, לבחור ולחשב כמויות של חומרים התחלתיים (יחסים מולריים) ונפחי ממס.
- עבור הדוגמה הנבחרת של Al-CAU-60, שנה את היחס המולרי של H 4 PMP ל- Al3+ בין 4:1 ל- 0.3:1 בשישה שלבים:4:1, 3:1, 2:1, 1:1, 0.5:1, 0.3:1. לבצע את כל שש הסינתזות עם יחסי תוסף שונים; למד יחס מולארי אחד של NaOH ל- Al 3+ (1:1) ושני יחסים מולאריים של HCl ל- Al3+ (20:1 ו- 40:1), כמו גם אחד ללא כל תוסף. השתמש בגיליון אלקטרוניכדי לחשב את כמויות החומרים ההתחלתיים הדרושים לכך, אשר ניתן למצוא במידע הנוסף.
2. מינון וסינתזה סולבותרמית
- הכן את תמיסות המלאי במכסה אדים על ידי ביצוע הפרוטוקול הסטנדרטי להכנת פתרונות מלאי של הריאגנטים.
זהירות: H4PMP, AlCl3∙6 H2O, HCl ו-NaOH הם חומרים מאכלים, הגורמים לכוויות עור חמורות ולנזק לעיניים במגע. ללבוש ציוד מגן אישי בעת עבודה עם חומרים אלה.- עבור הדוגמה הנבחרת של Al-CAU-60, הכן את הריאגנטים הבאים בהתאם לגיליון האלקטרוני במידע התומך (טבלה משלימה 1): תמיסת חומצה הידרוכלורית בריכוז של 10 mol/L, תמיסת נתרן הידרוקסידי בריכוז של 1 mol/L, ותמיסת AlCl3∙6H2O בריכוז של 1 mol/L.
הערה: היווצרות המוצר עשויה להיות תלויה גם במצב הצבירה של הריאגנטים שהתווספו. עבור מוצקים, גודל החלקיקים יכול להשפיע עקב קצב המסה. יש לקבל החלטה בתחילת המחקר האם להשתמש במוצקים או בתמיסות שיאפשרו הערכה שיטתית.
- עבור הדוגמה הנבחרת של Al-CAU-60, הכן את הריאגנטים הבאים בהתאם לגיליון האלקטרוני במידע התומך (טבלה משלימה 1): תמיסת חומצה הידרוכלורית בריכוז של 10 mol/L, תמיסת נתרן הידרוקסידי בריכוז של 1 mol/L, ותמיסת AlCl3∙6H2O בריכוז של 1 mol/L.
- הכנס את הדיסקים ללוח הדגימה (איור 3A).
- העבירו ריאגנטים, תוספים וממסים לתוך תוספות PTFE (איור 3B).
- עבור הדוגמה שנבחרה של Al-CAU-60, תחילה הוסף את המקשר H4PMP כמוצק לתוספות PTFE, ולאחר מכן הוסף את תמיסת האלומיניום כלוריד, המים הדה-מינרליים ותמיסת התוספים (NaOH או HCl) עם פיפטה בהתאם לערכים המחושבים בגיליון האלקטרוני במידע התומך (טבלה משלימה 1).
הערה: סדר מילוי תוספות ה-PTFE יכול גם הוא להשפיע על היווצרות המוצר; לכן, יש לבחור מראש את סדר חומרי ההתחלה ולשמור על אותו הדבר לאורך כל המחקר כדי לאפשר הערכה שיטתית.
- עבור הדוגמה שנבחרה של Al-CAU-60, תחילה הוסף את המקשר H4PMP כמוצק לתוספות PTFE, ולאחר מכן הוסף את תמיסת האלומיניום כלוריד, המים הדה-מינרליים ותמיסת התוספים (NaOH או HCl) עם פיפטה בהתאם לערכים המחושבים בגיליון האלקטרוני במידע התומך (טבלה משלימה 1).
- הכנס את תוספות ה- PTFE שמולאו ללוח הדגימה.
- סמן את לוחית הקרקע של הכור באופן שיאפשר זיהוי של תוספות PTFE מאוחר יותר. הכניסו את לוח הדגימה עם תוספות ה-PTFE המלאות ללוח הארקה של הכור (איור 3C).
- הכינו שתי יריעות PTFE (בעובי של 0.1 מ"מ) לכיסוי לוחות הדגימה.
- הניחו את יריעות ה-PTFE על לוח הדגימה (איור 3D).
- ודא שיריעת ה-PTFE ממוקמת כראוי ומתאימה ללוחית הראש באמצעות הפינים המנחים (איור 3E), הוסף את הברגים והדק אותם ביד.
- אטמו את הכור שנסגר בתחילה בעזרת, למשל, מכבש מכני או הידראולי (איור 4A), רחוק מספיק כדי שלחלקי הלחץ העמוסים בקפיץ עדיין יהיה 2 מ"מ של מקום פנוי (איור 4B). לאחר מכן, הדקו שוב את הברגים ביד (איור 4C). היו מודעים לכך שהידוק יתר עלול לפגוע (לכופף) את הרב-קלאבים.
- הניחו את הרב-קלאבה בתנור הסעה מאולצת הניתן לתכנות (איור 4D), ולאחר מכן כוונו והתחילו את תוכנית זמן הטמפרטורה שנבחרה. מומלץ להשתמש בתנור הסעה כדי להבטיח חימום אחיד.
- לגילוי Al-CAU-60, הגדר את תוכנית הטמפרטורה-זמן הבאה: מחממים את התנור ל-160°C ב-12 שעות, שומרים על טמפרטורת היעד למשך 36 שעות, ומקררים לטמפרטורת החדר (RT) תוך 12 שעות.
הערה: הבחירה בתוכנית זמן הטמפרטורה יכולה להשפיע על היווצרות המוצר30. זה כולל את השלבים שנוצרו, אבל לעתים קרובות יותר את גודל הגביש ואת המורפולוגיה30.
- לגילוי Al-CAU-60, הגדר את תוכנית הטמפרטורה-זמן הבאה: מחממים את התנור ל-160°C ב-12 שעות, שומרים על טמפרטורת היעד למשך 36 שעות, ומקררים לטמפרטורת החדר (RT) תוך 12 שעות.
3. בידוד ועבודה
- מוציאים את המולטיקלאבה מהתנור כשהטמפרטורה מגיעה לטמפרטורת החדר.
- הניחו את הרב-קלאב, לדוגמה, במכבש מכני או הידראולי ודחסו אותו בעדינות עד שניתן יהיה לשחרר את הברגים ביד (איור 5A).
- הניחו את המולטיקלבה במכסה אדים והסירו את לוחית הראש של הכור, ואז הסירו את יריעות ה-PTFE והוציאו את לוחית הדגימה עם תוספות ה-PTFE מלוחית הקרקע של הכור (איור 5B).
- בדקו את תוספות ה-PTFE ובדקו אם יש גבישים (איור 5C). אם הם קיימים, בודדו חלק מהם יחד עם קצת משקה אם.
- לאחר מכן, הרכיבו את בלוק הסינון הפנימי בעל התפוקה הגבוהה (איור 6A): חברו את בלוק המסנן למשאבת ואקום באמצעות שני בקבוקי שטיפה, והניחו שני ניירות סינון בין שני שטיחוני איטום סיליקון עם הגומחות המתאימות (איור 6B-D) בבלוק המסנן. הניחו את בלוק המילוי PTFE למעלה, וודאו שהגומחות המתאימות תואמות לשטיחוני האיטום ולבלוק המסנן (איור 6E). הדקו את השכבות באמצעות מסגרת ההידוק, המוחזקת במקומה על ידי ארבעה ברגי חתיכה. כדי לאטום כראוי את היחידה, השתמשו באומי כנף על ברגי הרבעה והדקו ביד (איור 6F).
הערה: השרטוטים הטכניים של בלוק הסינון מוצגים במידע התומך (קובץ משלים 3). אם בלוק מסנן אינו זמין, ניתן גם לסנן את המוצרים בנפרד. - סגור את הגומחות של גוש המילוי שאין למלא בתקעים (איור 6F).
- בהמשך התהליך, אטמו את הגומחות שכבר נוקזו. זה מאפשר לנקז גם את הבארות האחרות.
- הפעל את משאבת הוואקום של הממברנה והגדר אותה למצב שבו היא תשאב לוואקום הטוב ביותר האפשרי (5-12 mbar).
- בעזרת פיפטות חד-פעמיות מעבירים את תכולת תוספות ה-PTFE לבארות הייעודיות של גוש המילוי (איור 7A).
הערה: אם משתמשים בממסים מזיקים (למשל, דימתילפורממיד), יש לשטוף את המוצרים באתנול או בממס אחר פחות רעיל ויותר נדיף כדי להפחית מגע עם חומרים מזיקים במהלך השלבים הבאים. - לאחר שכל התוספות ריקות, הסתכלו שנית אחר גבישים ובודדו אותם אם יש כאלה (איור 7B). הערה: מומלץ להשתמש במיקרוסקופ אופטי עם אפשרות להשתמש בהגדלות שונות על מנת לקבוע את גודל הגבישים.
- יש לפרק בזהירות את גוש הסינון לאחר ניקוז כל הבארות (איור 7C).
- מה שנקרא "ספריית מוצרים" זמין כעת על נייר הסינון (איור 7D).
- יבש את ספריית המוצרים על ידי מתן אפשרות לייבוש באוויר במכסה אדים; במקרה של ממיסים לא רעילים ולא קורוזיביים, ניתן לבצע את מדידות PXRD עם מוצרים רטובים.
4. אפיון
הערה: לגילוי תרכובות גבישיות חדשות, המוצרים המתקבלים מאופיינים ב- HT-PXRD. פאזות גבישיות חדשות מזוהות ומשמשות לאפיון נוסף. עבודה עם אבקה רנטגן diffractometer בצע הליך סטנדרטי, אשר ניתן למצוא במדריך ההפעלה. ניתן להשתמש גם בדיפרקטומטר רנטגן אבקתי סטנדרטי, מה שהופך את האפיון למייגע יותר.
- מקם את ספריית המוצרים בין שני לוחות מתכת (צלחת בסיס וצלחת כיסוי; איור 7E וקובץ משלים 4) באופן שהשקעים בלוחות תואמים את מיקומי המוצרים כדי לאפשר בדיקה על ידי PXRD. יישרו בזהירות את הלוחות והדקו אותם באמצעות שני ברגים (איור 7F).
- הכנס את ספריית המוצרים למחזיק הדגימה של הדיפרקטומטר (איור 8A,B).
הערה: מחזיקי מדגם אחרים עשויים לדרוש סוגריים מרובעים שונים. עיין במדריך למשתמש לקבלת מידע נוסף. - הניחו בזהירות את מחזיק הדגימה הטעון בשלב xy של הדיפרקטומטר וסגרו את המכשיר (איור 8C).
- הדיפרקטומטר נשלט באמצעות תוכנת WinXPOW 31. בחלון בקרת דיפרקטומטר , הגדר את מצב המדידה על ידי לחיצה על תפריט טווחים ובחר מצב סריקה. נפתח חלון חדש; כאן, בחר מצב סריקה: שידור, מצב PSD: העברה, סוג סריקה: 2Theta ומצב אומגה: תוקן ואשר את תיבת הדו-שיח.
- כדי להגדיר את פרמטרי המדידה, לחץ על תפריט טווחים ובחר טווח סריקה.
- נפתח חלון חדש; כאן, לחץ על סמל הפלוס וערוך את ההגדרות הסטנדרטיות המופיעות על ידי לחיצה כפולה עליו.
- כדי לאפיין את ספריית המוצרים, בצע מדידה קצרה של 4 דקות של כל דגימה עם ההגדרות הבאות: (א) 2Theta(התחלה, סוף): 2, 47 , (ב) שלב: 1.5, (ג) זמן/PSD שלב [s]: 2, (d) אומגה: 0. אשר את שתי תיבות הדו-שיח.
- כדי לבחור את הדגימות שיימדדו בשלב xy, לחץ על תפריט טווחים ובחר שימוש בסריקה.
- נפתח חלון חדש; כאן, הגדר את השימוש בסריקה לדוגמאות מרובות וסמן את האפשרות טווחים/קבצים בודדים.
- לאחר מכן, לחץ על כפתור טווחים / קבצים; נפתח חלון חדש ("HT_Editor") עם 48 מיקומי מדגם הניתנים לבחירה. בחר את כל המיקומים עם דוגמאות על לוח הדגימה על ידי לחיצה על המיקום עם מקש 'שליטה' לחוץ.
- כדי להפעיל את המיקומים, השתמש בלחיצה הימנית על מדידת דגימות. אשר את שתי תיבות הדו-שיח.
- שמור את הקבצים על ידי לחיצה על קובץ בתפריט ובחר שמירה בשם. לאחר בחירת ספרייה ושם קובץ, לחץ על להציל לחצן.
- התחל את המדידה על ידי לחיצה על מדידה בתפריט ובחר את הערך הראשון, איסוף נתונים. נפתח חלון חדש; לחץ על בסדר כפתור כדי להתחיל את המדידה.
הערה: יש לקחת את הגדרות ברירת המחדל ואת הליך כיול הדיפרקטומטר מתוך המדריך למשתמש. בחירת פרמטרי המדידה (זווית סריקה, גודל צעד, זמן לכל שלב סריקה) תלויה גם היא בצפיפות החומר, משקל אטומי הדיפרקציה וכו', וייתכן שיהיה צורך להתאים אותה. קליטה של צילומי רנטגן יכול להיות בעיה אם יותר מדי מדגם נוצר אלמנטים כבדים משמשים.
5. הערכת נתונים
הערה: הליך פנימי משמש להערכת הנתונים; הליכים אחרים מתקבלים על הדעת. נתוני PXRD מתקבלים בפורמט קובץ ".raw". כדי להעריך את הדיפרקטוגרמות בתוכנות אחרות, יש להמיר תבנית קובץ זו, לדוגמה, לתבנית קובץ ".xyd".
- פתח את תוכנתWinX POW 31. לפתיחת דיפרקטוגרמות קרני רנטגן של אבקה, השתמשו בתפריט Raw Data ובחרו Raw Data Handling. נפתח חלון חדש.
- לחץ על הסמל עבור אצווה פתח ובחר את כל הקבצים באמצעות הוסף קבצים. לאחר בחירת כל הקבצים, לחץ על פתח ואשר עם אישור.
- נרמל את העוצמות לערך מקסימלי של 10,000 על ידי לחיצה על הטווחים ובחירה בעוצמות התאמה; נפתח חלון חדש. בחר באפשרות נרמל עוצמות למקסימום Int . וכתוב 10000. לחץ על אישור.
הערה: תוכנתWinX POW31 דורסת את הנתונים הגולמיים כאשר הנתונים משתנים; הקפד לעבוד על עותקים של הנתונים. - יצא את הקבצים באמצעות סמל ייצוא בפורמט קובץ המתאים לתוכניות הערכה. בחר ספריית פלט והשתמש בתבנית הקובץ X/Y . לחץ על אישור כדי לסיים את הייצוא.
- הצג את נתוני PXRD בתצוגה מוערמת או מופרדת בתוכנית מתאימה. זהה את המוצרים הגבישיים ביותר על-ידי בחינת מספר ההשתקפויות, חצאי רוחב (רוחב מלא בחצי מקסימום [FWHM]) ויחס אות לרעש.
הערה: לצורך ניתוח ראשון, ניתן להשתמש גם בתוכנתWinX POW31 עם שגרת המשנה Graphics והפונקציה Search and Match.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
נתוני PXRD מוצגים באיור 9. עבור ההערכה הראשונה, התוצאות המתקבלות קשורות לפרמטרי הסינתזה של מרחב הפרמטרים הנחקר. החקירה בוצעה באמצעות שישה יחסים מולאריים שונים של מקשר למתכת וארבעה יחסים מולאריים שונים של NaOH/HCl ל-Al3+. על-ידי קישור מידע זה עם נתוני PXRD שהתקבלו (איור 9), ניתן לראות כי תוצרים של גבישיות נמוכה התקבלו מסינתזות ביחס מולארי של NaOH:Al 3+ של 1:1 (סדרות A1 עד A6) ובהיעדר NaOH או HCl (סדרות C1 עד C6). זה משתקף על ידי מספר קטן של השתקפויות, יחס אות לרעש גבוה, וחצי רוחב גדול (FWHM) של ההשתקפויות. מספר ומיקום ההשתקפויות משתנים בדפוסי האבקה הבודדים, מה שמצביע על היווצרות מוצרים שונים או תערובות פאזה. בתוך סדרות אלה, הסינתזות ביחסים מולאריים בינוניים או נמוכים של מקשר למתכת (2:1, 1:1, 0.5:1) מציגות במיוחד תוצרים של גבישיות גבוהה יותר.
בתגובות שבוצעו בשני היחסים המולריים הגבוהים ביותר של HCl:Al3+ של 20:1 ו- 40:1, נוצרים תוצרי תגובה דומים מאוד. בהסתכלות על סדרת הנתונים E1 עד E6 (HCl:Al3+ = 20:1), נצפים יחסי אות לרעש נמוכים יותר בנתוני PXRD של המוצרים שהוכנו עם יחס מולארי גבוה של מקשר למתכת. יתר על כן, דפוסי העקיפה של המוצרים המתקבלים עם יחס מולארי נמוך יותר של מקשר למתכת (E5 ו- E6) מראים השתקפויות נוספות, המעידות על נוכחות של פאזה שונה או תערובת פאזה. ניתוח סדרת G1 עד G6 (HCl:Al3+ = 40:1), אותה פאזה גבישית מתקבלת בכל התגובות. שוב, יחס האות לרעש עולה ככל שהיחסים המולריים של המקשר למתכת יורדים.
בשלב הבא, תבניות PXRD עם יחס אות לרעש הגבוה ביותר וחצי רוחב הקטן ביותר (כאן, מדגם G1 מהסדרה E1 עד E6 ו- G1 עד G6) מושוות עם תבניות אבקה מחושבות. כדי לעשות זאת, ניתן לחפש במאגרי מידע קריסטלוגרפיים תרכובות עם אותה מולקולה מקשרת. לדוגמה, ניתן להשתמש בקבוצת המשנה MOF של מסד הנתונים CSD של CCDC32. ניתן לחפש במסד הנתונים CSD באמצעות תוכנית ConQuest33 או ישירות מאתר CCDC32. השימוש ב- ConQuest33מאפשר, בין היתר, להגביל את החיפוש לתת-קבוצות MOF ובהמשך למבנים גבישיים, אשר, למשל, מכילים או במפורש אינם מכילים אלמנטים מסוימים או קבוצות פונקציונליות. במקרה זה, תרכובות המכילות יון מתכת טריוולנטי ומולקולת הקישור הן מעניינות, ו- Al-MIL-9134 הוא מתחם עניין אחד. הערך התואם יורד ותבנית PXRD מחושבת בתוכנתWinX POW31. באיור 10, תבנית PXRD המחושבת של Al-MIL-91 מושווית לתבניות PXRD שנמדדו. על-ידי השוואת מיקומי ההשתקפות ניתן לזהות כמה תבניות אבקה, שבהן מופיעות השתקפויות שניתן להקצות ל-Al-MIL-91 (איור 10; למשל; A4), אבל לא כשלב טהור בכל סינתזה. דפוסי PXRD של מוצרים המתקבלים באמצעות HCl כתוסף שונים לחלוטין מאלה של MIL-91 ותרכובות אחרות המכילות את מולקולת המקשר. המידע הזה מסוכם באיור 11, שאפשר לקרוא לו ספריית תגליות. טבלה 1 מפרטת את היחסים המולריים של הריאגנטים, ריכוזי התמיסות, הנפחים המשומשים וכמות המקשר. צורה פשוטה יותר של טבלת הניסוי וערכת הצבעים המציגה רק את היחסים המולריים מיוצגת בטבלה 2 ובאיור משלים 1, בהתאמה.
דפוסי PXRD של דגימות שהתקבלו עם NaOH כתוסף (A1 עד A6) או היעדר תוסף (C1 עד C6) אינם מתאימים לזיהוי מגמות תגובה ברורות. עם זאת, עם ניסיון, אפשר לחלץ קצת מידע. לדוגמה: א) אותן תבניות PXRD נצפות עבור המכפלה בסדרות A ו-C (למשל, A2 ו-C2), וב) נמצאות תערובות פאזה (A3 יכולה להיות תערובת של A2 ו-A4 ו-C3 יכולה להיות תערובת של C2 ו-C4). לכן, בשלב הבא של החקירה, יש לשנות את מרחב הפרמטרים באופן כזה שייעשה שימוש בצעדים קטנים יותר בווריאציה של היחסים המולריים של ליגנד למתכת לתוסף.
לסיכום, מגמות ברורות ניתן לראות בסדרה של סינתזות שבוצעו עם HCl כתוסף. עודף של המקשר (יחס מולארי של המקשר למתכת של 4:1) ויחס מולארי גבוה של HCl למתכת (40:1) מובילים לתרכובת חדשה וגבישית מאוד. חקירות נוספות אפשרו לנו להשיג גבישים בודדים המתאימים לעקיפה של קרני רנטגן חד-גבישיות, מה שהוביל להבהרה מבנית של התרכובת החדשה.
מהתוצאות המוצגות כאן, גורם מפתח לשימוש מוצלח בשיטות HT הוא הבחירה הנבונה של מרחב הפרמטרים שייחקר וקישור תכנון הניסוי (מרחב הפרמטרים) לנתוני האפיון.
איור 1: השלבים בתהליך עבודה של HT. 1) DOE, בחירת מרחב הפרמטרים של עניין; 2) מינון של ריאגנטים; 3) סינתזה סולבותרמית; 4) בידוד ועבודה; 5) אפיון, אשר נעשה בדרך כלל עם PXRD; 6) הערכת נתונים, ואחריה שלב 1 שוב. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: החלקים הבודדים של הציוד משמאל והמנגנון המורכב מימין. (A) כור HT שנבנה בתוך הבית עבור 24 תגובות מורכב מלוח בסיס שמשני צדדיו שני פינים מנחים בצדדים הקצרים, ויש לו הפסקה שלתוכה לוחית הדגימה, שקועה כדי להחזיק את 24 תוספות PTFE, ניתן להכניס. המידע התומך מכיל את השרטוטים הטכניים (קובץ משלים 1). (B) מולטיקלאבים מפלדה מתוצרת הבית עבור 48 סינתזות. העיצוב זהה ביסודו לזה של כור התגובה 24. המידע התומך מכיל שרטוטים טכניים (קובץ משלים 2). (ג) בלוק הסינון הפנימי לסינון של 48 תערובות תגובה; החלקים הבודדים מוצגים משמאל, וגוש המסנן שהורכב נמצא בצד ימין. המידע התומך מכיל את השרטוט הטכני (קובץ משלים 3). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: הרכבת כור HT . (A) 24 דיסקים בגובה 2 מ"מ מוכנסים ללוח הדגימה כדי לכסות את החורים. הדבר מאפשר לתוספות PTFE להתאים כראוי וניתנות להסרה בקלות. (B) לאחר מילוי עלון ה-PTFE במוצק, מוסיפים את התמיסות באמצעות פיפטה. לאחר מכן מורכב הכור. (C) לוח הדגימה עם תוספות PTFE מוכנס ללוח הבסיס. לוח הבסיס מסומן לזיהוי תוספות PTFE (למעלה משמאל). (D) יריעות ה-PTFE מונחות על לוח הדגימה. (E) לוחית הראש מונחת על גבי לוחית הבסיס המכילה את לוח הדגימה ושתי יריעות PTFE. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: איטום ומיקום הכור בתנור ההסעה הכפויה . (A) הרב-קלבי ממוקם במכבש שמפעיל לחץ מספיק על הכור כדי להשאיר 2 מ"מ של מקום פנוי (מסומן במחזורים אדומים) בחלקי הלחץ הטעונים בקפיץ. (B) במכבש מופעל לחץ על הכור כך שלחלקי הלחץ העמוסים בקפיץ יש 2 מ"מ של מקום פנוי. (C) לאחר הפעלת לחץ, הידוק הברגים ביד. (ד) הכור ממוקם בתנור הסעה כפוי. הדבר מבטיח חימום אחיד ורציף. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: הסרת המולטיקלאבה ובדיקת גבישים . (A) במכבש מופעל לחץ על הכור עד לנקודה שבה ניתן לשחרר את הברגים ביד. (B) הכור מפורק בזהירות במכסה האדים. (C) תוספות ה-PTFE נבדקות כעת לנוכחות גבישים; אם קיימים, אלה צריכים להיות מבודדים עם קצת משקה אם. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: הרכבת בלוק סינון HT . (A) חלקים מגוש הסינון ומהכור. שני ניירות סינון נחתכים כדי להתאים לבלוק המסנן. בלוק הסינון מחובר גם למשאבת הוואקום. (B) משטח איטום (עשוי סיליקון) מוכנס לתוך בלוק המסנן. (C) שני ניירות הסינון מונחים על גבי משטח האיטום. (D) משטח האיטום השני (עשוי סיליקון) מוכנס לתוך גוש המסנן. (E) בלוק המילוי (עשוי PTFE) מונח על גבי שטיחוני האיטום לתוך גוש המסנן. (ו) מסגרת פלדה מונחת על גבי ומקובעת באמצעות ברגי כנף. פתחי מסנן שאינם בשימוש נסגרים באמצעות תקעי גומי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7: העברת התוכן של תוספות ה-PTFE, פירוק בלוק הסינון והכנת ספריית המוצרים לאפיון באמצעות PXRD . (A) מחזיק הדגימה עם תוספות PTFE ממוקם כעת לפני בלוק המסנן. בעזרת פיפטות חד פעמיות, התוכן של מוסיף PTFE מועברים חורים המתאימים של בלוק סינון. (B) תוספות ה-PTFE נבדקות פעם שנייה עבור גבישים שלא הועברו. (C) גוש הסינון מפורק כעת בקפידה. יש לנקוט זהירות מיוחדת כדי לא לזהם את הדגימות השכנות. מצב זה עשוי להתרחש אם בלוק הסינון אינו מוסר אנכית או אם מחצית מנייר הסינון נשאר מחובר לבלוק הסינון. (ד) ספריית המוצרים על נייר סינון. (ה) ספריית המוצרים מוסרת בזהירות מבלוק הסינון ומונחת על לוח מתכת (המידע התומך מכיל שרטוטים טכניים; קובץ משלים 4) באופן כזה שהחורים מיושרים עם מיקומי הדגימות. שני ברגים משמשים לאבטחת החלק העליון לצלחת התחתונה. (F) ספריית המוצרים קבועה כעת בין שני לוחות מתכת. תוצרי התגובה הבודדים יכולים כעת להיבחן בפעם השלישית תחת מיקרוסקופ אור לנוכחות גבישים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 8: מדידת HT-PXRD. (A) עבור מדידת HT-PXRD, ספריית המוצרים בין לוחות המתכת (למטה) מחוברת למחזיק הדגימה (למעלה) באמצעות שני ברגים. (B) ספריית מוצרים במחזיק הדגימה HT-PXRD. (C) דיפרקטומטר קרני רנטגן אבקתי עם שלב xy. צינור הרנטגן נמצא בתחתית, והגלאי נמצא בפינה השמאלית העליונה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 9: תרשים מוערם של כל תבניות PXRD שנמדדו. הדיפרקטוגרמות מסומנות לפי טבלה 1, המכילה את היחסים המולריים של הריאגנטים. מידע מטבלה 1 נוסף כסורגים בצד ימין של העלילה, תוך הדגשת התוספים-כחולים: NaOH; ירוק: ללא תוסף; אדום: HCl - בהתאם לערכת הצבעים המשמשת בטבלה 2. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 10: השוואה בין תבניות PXRD של השלבים הגבישיים ביותר לבין תבנית PXRD המחושבת של Al-MIL-9134. ברים בצד ימין של העלילה מדגישים את התוספים שהיו בשימוש - כחול: NaOH; ירוק: ללא תוסף; אדום: HCl (בהתאם לערכת הצבעים המשמשת בטבלה 2). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 11: ספריית גילוי ותוצאות מחקר HT הראשון במערכת הכימית AlCl3∙6H 2 O/H4PMP/NaOH/HCl/H2O. המספור עוקב אחר המספור של תוכנת הדיפרקטומטר ומתאים לטבלה 1, איור 9 ואיור 10. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
טבלה 1: היחסים המולריים של הריאגנטים, ריכוזי התמיסות, נפחים משומשים וכמות המקשר. את הטבלה המלאה ניתן למצוא במידע התומך (טבלה משלימה 1). אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.
טבלה 2: צורה פשוטה של טבלת הניסויים, המציגה רק את היחסים המולריים. סינתזות 1-6 מבוצעות עם NaOH כתוסף (מוצג כפסים כחלחלים ולבנים). סינתזות 7-12 מתבצעות ללא כל תוסף (פסים ירוקים ולבנים) וסינתזות 13-24 מתבצעות עם HCl כתוסף בשני יחסים מולאריים שונים למתכת (שניהם עם פסים אדמדמים ולבנים). אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.
איור משלים 1: ערכת צבעים המייצגת את היחסים המולריים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
טבלה משלימה 1: הטבלה המלאה עם היחסים המולריים, הריכוזים, הנפחים המשומשים וכמות המקשר המשמש להכנת הריאגנטים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ משלים 1: השרטוטים הטכניים של כור 24 התגובות. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ משלים 2: השרטוטים הטכניים של הכור בעל 48 התגובות. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ משלים 3: השרטוטים הטכניים של בלוק הסינון. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ משלים 4: השרטוטים הטכניים של מחזיק הדגימה עבור HT-PXRD. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
בשל המורכבות של שיטת HT, השלבים האישיים ואת השיטה עצמה נדונים בסעיפים הבאים. החלק הראשון מכסה את השלבים הקריטיים עבור כל שלב עבודה בתהליך העבודה של HT (איור 1), שינויים אפשריים ומגבלות של הטכניקה, היכן שהדבר ישים. בסופו של דבר מוצג דיון כללי הכולל גם את משמעותה של שיטת HT ביחס לשיטות קיימות ויישומים עתידיים.
בשלב הראשון של זרימת העבודה של HT, DOE, יש לבחור היטב את הפרמטרים הרלוונטיים למחקר כדי לקבל מידע מקסימלי על ניסוי מסוים, שכן "ניסוי מתוכנן גרוע ייתן מידע רע במהירות חסרת תקדים ובכמות יוצאת מן הכלל"35. לאחר תיקון הפרמטרים, תוכנת גיליון אלקטרוני משמשת לעתים קרובות לחישוב כמויות החומרים ההתחלתיים והמסות ואמצעי האחסון. טעויות קטנות, למשל, במסות טוחנות, נוסחאות וכו', גורמות למערכת של פרמטרי תגובה לא מכוונים: "אם כבר, התכנון חייב להיעשות בזהירות רבה עוד יותר, שכן כעת יש לנו אפשרות ללכת בכיוון הלא נכון מהר יותר מאי פעם"35. להתאמה של מתודולוגיית HT לסינתזות סולבותרמיות באמצעות מולטיקלאבים שנעשו בתוך הבית יש כמה מגבלות כלליות על סוגי הניסויים שניתן לבצע. טמפרטורת העבודה של עלון PTFE מוגבלת לא רק משום ש- PTFE מציג זחילה גבוהה, אלא גם בשל תהליכי השפלה36. לקבלת מידע על טמפרטורת העבודה המרבית, יש להתייחס למידע הטכני של יצרני PTFE. בנוסף, יש לקחת בחשבון את הלחץ האוטוגני בטמפרטורת התגובה או היווצרות תוצרי תגובה נדיפים. הלחץ עלול להיות גבוה מדי עבור האטמים ועלולה להתרחש דליפה. לגבי מגבלות כלליות של הרב-קלאבים, יש להטיל ספק בחנות הייצור שייצרה את הכורים. התפתחויות עתידיות במדעי החומרים עשויות להרחיב את טווחי הטמפרטורה והלחץ הנגישים של כלי שיט ורב-קלאבים מסוג PTFE.
השלב השני בתהליך העבודה של HT הוא מינון של כמויות קטנות של ריאגנטים. יש להכין במדויק תמיסות מלאי של ריכוזים מוגדרים לפני הוספת חומרי המוצא לכלי התגובה, שכן טעויות מינון קטנות בשילוב עם טעויות במינון של כמויות קטנות עלולות לגרום לסטיות גדולות מהיחסים המולריים שצוינו של חומרי המוצא 19,20. המינון של מוצקים בסקאלה מיליגרם הוא מאתגר מאוד, ולכן יש להשתמש בסולמות מדויקים ביותר. בנוסף, יש לתעד חריגות מהסכומים הנקובים (המוגדרים בסעיף 1). סדר המינון של ריאגנטים וממסים צריך תמיד להישאר זהה. יש להשתמש רק בחומרי התחלה בעלי טוהר גבוה ולהכין פתרונות מגיבים טריים (או לפחות יש לתעד את יום ההכנה), שכן הזדקנות יכולה, למשל, לגרום לתגובות polycondensation או משקעים של מיני מתכת. במקרים מסוימים, הומוגניזציה של תערובות התגובה היא חובה, אם כי בדרך כלל זה לא נעשה. הטעות הקלה ביותר לעשות היא להיות רשלני בעת מילוי autoclaves; מכיוון שזה יכול להיות מאוד מונוטוני להוסיף שני מגיבים או יותר בכמויות שונות לכלי התגובה 24 או 48, יש להיות מאוד מדויק וזהיר. אוטומציה באמצעות רובוטי מינון תבטל מקור טעות זה, אך הציוד המתאים הוא מורכב ולכן יקר, ודורש תחזוקה נרחבת.
השלב השלישי, סינתזה solvothermal , מוביל להיווצרות של המוצרים תחת תוכנית זמן טמפרטורה מסוימת. יש להתייחס לתוספות ה-PTFE הבודדות, כמו גם למולטיקלאבים השלמים במסגרת מחקר שיטתי, באותו אופן. זמני התיישנות שונים (למשל, זמני המתנה בין הרכבת האוטוקלב לבין הכנסתם לתנור) יכולים להשפיע על היווצרות המוצר. בנוסף, המיקום של multiclave בתנור יכול לשחק תפקיד עקב שיפועי טמפרטורה בתוך התנור. זה פחות חשוב במקרים בהם נעשה שימוש בתנורי הסעה מאולצים. מומלץ גם כיול קבוע של התנור. באשר לתוכנית זמן הטמפרטורה, יש לזכור כי לוקח שעות לחמם את מולטיקלאבי הפלדה לטמפרטורת התגובה הנדרשת, ולכן לא מומלץ זמני תגובה קצרים של שעות ספורות בלבד.
השלב הרביעי, בידוד המוצר ועבודה, מתבצע באופן ידני. זיהום צולב בשלב הסינון יכול להוביל לחריגות במגמות שלא ניתן להסביר. במיוחד בסינתזה של חומרים נקבוביים, נהלי העבודה, כולל סוג הממסים לכביסה או שיטות ייבוש שונות, צריכים להישמר זהים לאורך כל המחקר. כמו כן, יש לבדוק ויזואלית את כלי התגובה לגבישים בתחתית הדפנות, שכן לעיתים הם אינם מועברים בשלב הסינון.
השלב החמישי של זרימת העבודה של HT, אפיון המוצר, מבוצע על מוצר התגובה מסעיף 4. זיהוי פאזות גבישיות על ידי PXRD ואיכות הנתונים יכול להיפגע על ידי כמות, מורפולוגיה וגבישיות של המכפלה19,20. כמויות קטנות גורמות לנתונים עם יחס אות לרעש גדול, בעוד שכמויות גדולות יכולות להוביל לספיגת קרני רנטגן, במיוחד כאשר מוצר התגובה מכיל אלמנטים כבדים. הכיוון המועדף יכול להוות בעיה כאשר מתרחשות צורות גבישים אנאיזוטרופיות מאוד, שכן הדבר מוביל לשינויים משמעותיים בעוצמות היחסיות בתבנית PXRD. כנ"ל לגבי גבישים גדולים, אבל השתקפויות חדות של עוצמה גבוהה יהיה בדרך כלל נצפה. לכן מומלץ לבדוק את הדגימות תחת מיקרוסקופ אופטי לפני איסוף הנתונים ולטחון את הדגימה אם קיימים גבישים גדולים יותר. היבט נוסף שיש לקחת בחשבון כאשר משווים את דפוס PXRD הנמדד עם אלה המחושבים ממבנים גבישיים ידועים ממסד נתונים מבני הוא העובדה כי מבנים מסוימים עשויים שלא פורסמו. לעיתים, מבנים פורסמו עם פרמטרים שונים של התא או עבור תרכובות המכילות ממסים שונים או יונים נגדיים. מקרה נדיר הספציפי ל-MOFs הוא הגמישות המבנית האפשרית שלהם (כלומר, כמות וסוג המולקולה האורחת מובילים לשינויים חזקים במסגרת), המתבטאת בשינויים גדולים במיקומים ובעוצמות היחסיות בתבניות PXRD. במקרים אלה, יש להתייחס לדגימות באותו אופן. בנוסף, דווחו גם שיטות אפיון HT אחרות (תגובות קטליטיות, מדידות ספיחה של גזים), אך PXRD הוא חובה לגילוי תרכובות גבישיות חדשות.
השלב האחרון בתהליך העבודה של HT הוא הערכת הנתונים. בשל כמות גדולה של נתונים, במקרה זה מספר דפוסי PXRD, הערכה זהירה היא חובה, במיוחד כאשר תערובות שלב קיימים. זה הופך להיות אפילו יותר קשה כמו תרכובות חדשות נוצרים, אבל עם קצת תרגול ניתן לזהות תערובות פאזה. לשם כך יש לקשר בין הפרמטרים הכימיים מהחלק הראשון לבין תוצרי התגובה המתקבלים (תבניות PXRD); בדרך כלל, ניתן לזהות מגמות ביניהם. בעוד שהערכת נתונים יכולה להתבצע על ידי בדיקה חזותית של דפוסי PXRD, ניתן להשתמש גם בתוכנה לניתוח פאזה איכותי.
לבסוף, יש כמה הערות כלליות על השימוש בשיטות HT. הם מאפשרים חקירה שיטתית של שדות פרמטרים מורכבים והפקת מידע על שדות של מגמות היווצרות וסינתזה. בהתאם להגדרת HT הזמינה, ניתן לעשות זאת בדרגות שונות של מקביליות, מזעור ואוטומציה19,20. בכל המקרים, חקירות מואצות, צריכת חומרי מוצא מצטמצמת, ויכולת השחזור משופרת על ידי הפחתת טעויות אנוש19,20. יתרון חשוב של נקודות נתונים רבות הוא שחריגות (כלומר, תוצאות שאינן תואמות את המגמות) מצביעות על כך שייתכן שהייתה טעות כלשהי במינון של חומרי המוצא (למשל, כמויות שגויות) או זיהומים לא רצויים בכורים. זה האחרון יכול לקרות בקלות בעת שימוש חוזר בכורי PTFE. עם זאת, מספר מלכודות יכולות להתרחש, אשר קשורות לששת השלבים של זרימת העבודה HT, כאמור לעיל. באופן כללי, זהירות מומלצת כאשר שגיאות מתפשטות, מה שהופך את יכולת השחזור למאתגרת. היבטים כלליים אחרים שיש לקחת בחשבון הם הרחבת התגובות והשימוש במערכות כור אחרות, שיש לקחת בחשבון גם פרמטרים נוספים לתגובה. אלה יכולים לשנות את הקינטיקה של התגובה, אך במקרים אחרים, למשל, עבור CAU-10 37, קנה מידה ושימוש בכורים אחרים הושגו מהמיליליטר לטווח ליטר באמצעות PTFE או כורי זכוכית37. המחקר המוצג כאן הוא רק דוגמה אחת. ניתן ליישם את המתודולוגיה על כל תגובה בתמיסה כל עוד מטפלים בפרמטרים המגבילים.
בעוד תכנוני כורים שונים דווחו19,20, הסתגלות של שיטות HT באופן כללי היא הדרך היחידה לנהל מרחבי פרמטרים ניסיוניים עצומים. פיתוח עתידי של כלי התגובה והמולטיקלאבים ירחיב את מרחב הפרמטרים הנגישים באמצעות טווחי טמפרטורה ולחץ נגישים. כמו כן, ככל שמערכות HT אחרות כגון רובוטי מינון או מערכות אפיון HT וכלי תוכנה חדשים הופכים לזולים יותר וקלים יותר לשימוש, יותר ויותר שלבים של זרימת העבודה של HT יותאמו, ובכך יאיצו את הגילוי של תרכובות חדשות או תכונות לא ידועות של תרכובות ידועות.
עם תרומה זו, אנו רוצים לחלוק את המתודולוגיה שלנו בפירוט עם הקהילה המדעית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
העבודה נתמכה על ידי האוניברסיטה הנוצרית-אלברכטס, מדינת שלזוויג-הולשטיין וה-Deutsche Forschungsgemeinschaft (במיוחד STO-643/2, STO-643/5 ו-STO-643/10).
נורברט סטוק רוצה להודות לתלמידי B.Sc, M.Sc והדוקטורט, כמו גם לשותפים לשיתוף הפעולה שביצעו פרויקטים מעניינים רבים תוך שימוש במתודולוגיית התפוקה הגבוהה, ובמיוחד לפרופ' ביין מאוניברסיטת לודוויג-מקסימיליאן במינכן, שמילא תפקיד מרכזי בפיתוח הכורים.
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 |
References
- Kaskel, S. The Chemistry of Metal-Organic Frameworks: Synthesis, Characterization, and Applications. , Wiley-VCH. Weinheim. (2016).
- Ding, M., Cai, X., Jiang, H. -L. Improving MOF stability: approaches and applications. Chemical Science. 10 (44), 10209-10230 (2019).
- Stock, N., Biswas, S. Synthesis of metal-organic frameworks (MOFs): routes to various MOF topologies, morphologies, and composites. Chemical Reviews. 112 (2), 933-969 (2012).
- Shimizu, G. K. H., Vaidhyanathan, R., Taylor, J. M. Phosphonate and sulfonate metal organic frameworks. Chemical Society Reviews. 38 (5), 1430-1449 (2009).
- Yuan, S., Qin, J. -S., Lollar, C. T., Zhou, H. -C. Stable metal-organic frameworks with group 4 metals: current status and trends. ACS Central Science. 4 (4), 440-450 (2018).
- Devic, T., Serre, C. High valence 3p and transition metal based MOFs. Chemical Society Reviews. 43 (16), 6097-6115 (2014).
- Rhauderwiek, T., et al. Highly stable and porous porphyrin-based zirconium and hafnium phosphonates-electron crystallography as an important tool for structure elucidation. Chemical Science. 9 (24), 5467-5478 (2018).
- Steinke, F., Otto, T., Ito, S., Wöhlbrandt, S., Stock, N. Isostructural family of rare-earth MOFs synthesized from 1,1,2,2-Tetrakis(4-phosphonophenyl)ethylene. European Journal of Inorganic Chemistry. 2022 (34), 2022005562 (2022).
- Zhu, Y. -P., Ma, T. -Y., Liu, Y. -L., Ren, T. -Z., Yuan, Z. -Y. Metal phosphonate hybrid materials: from densely layered to hierarchically nanoporous structures. Inorganic Chemistry Frontiers. 1 (5), 360-383 (2014).
- Glavinović, M., Perras, J. H., Gelfand, B. S., Lin, J. -B., Shimizu, G. K. H. Orthogonalization of polyaryl linkers as a route to more porous phosphonate metal-organic frameworks. Chemistry. 28 (31), 202200874 (2022).
- Yücesan, G., Zorlu, Y., Stricker, M., Beckmann, J. Metal-organic solids derived from arylphosphonic acids. Coordination Chemistry Reviews. 369, 105-122 (2018).
- Wharmby, M. T., Mowat, J. P. S., Thompson, S. P., Wright, P. A. Extending the pore size of crystalline metal phosphonates toward the mesoporous regime by isoreticular synthesis. Journal of the American Chemical Society. 133 (5), 1266-1269 (2011).
- Zheng, T., et al. Overcoming the crystallization and designability issues in the ultrastable zirconium phosphonate framework system. Nature Communications. 8, 15369 (2017).
- Dines, M. B., Cooksey, R. E., Griffith, P. C., Lane, R. H. Mixed-component layered tetravalent metal phosphonates/phosphates as precursors for microporous materials. Inorganic Chemistry. 22 (6), 1003-1004 (1983).
- Hermer, N., Reinsch, H., Mayer, P., Stock, N. Synthesis and characterisation of the porous zinc phosphonate [Zn2(H2PPB)(H2O)2]·xH2O. CrystEngComm. 18 (42), 8147-8150 (2016).
- Rhauderwiek, T., et al. Crystalline and permanently porous porphyrin-based metal tetraphosphonates. Chemical Communications. 54 (4), 389-392 (2018).
- Steinke, F., et al. Synthesis and structure evolution in metal carbazole diphosphonates followed by electron diffraction. Inorganic Chemistry. 62 (1), 35-42 (2023).
- Taddei, M., et al. The first route to highly stable crystalline microporous zirconium phosphonate metal-organic frameworks. Chemical Communications. 50 (94), 14831-14834 (2014).
- Stock, N. High-throughput investigations employing solvothermal syntheses. Microporous and Mesoporous Materials. 129 (3), 287-295 (2010).
- Clayson, I. G., Hewitt, D., Hutereau, M., Pope, T., Slater, B. High throughput methods in the synthesis, characterization, and optimization of porous materials. Advanced Materials. 32 (44), 2002780 (2020).
- Clearfield, A., Demadis, K. Metal Phosphonate Chemistry: From Synthesis to Applications. , RSC Publishing. (2011).
- Mennen, S. M., et al. The evolution of high-throughput experimentation in pharmaceutical development and perspectives on the future. Organic Process Research & Development. 23 (6), 1213-1242 (2019).
- Yang, L., et al. High-throughput methods in the discovery and study of biomaterials and materiobiology. Chemical Reviews. 121 (8), 4561-4677 (2021).
- Banerjee, R., et al. High-throughput synthesis of zeolitic imidazolate frameworks and application to CO2 capture. Science. 319 (5865), 939-943 (2008).
- Reinsch, H., Stock, N. High-throughput studies of highly porous Al-based MOFs. Microporous and Mesoporous Materials. 171, 156-165 (2013).
- Reimer, N., Reinsch, H., Inge, A. K., Stock, N. New Al-MOFs based on sulfonyldibenzoate ions: a rare example of intralayer porosity. Inorganic Chemistry. 54 (2), 492-501 (2015).
- Tollitt, A. M., et al. High-throughput discovery of a rhombohedral twelve-connected zirconium-based metal-organic framework with ordered terephthalate and fumarate linkers. Angewandte Chemie. 60 (52), 26939-26946 (2021).
- Palomba, J. M., et al. High-throughput screening of solid-state catalysts for nerve agent degradation. Chemical Communications. 54 (45), 5768-5771 (2018).
- Reichenau, T. M., et al. Targeted synthesis of an highly stable aluminium phosphonate metal-organic framework showing reversible HCl adsorption. Angewandte Chemie. , (2023).
- Biemmi, E., Christian, S., Stock, N., Bein, T. High-throughput screening of synthesis parameters in the formation of the metal-organic frameworks MOF-5 and HKUST-1. Microporous and Mesoporous Materials. 117 (1), 111-117 (2009).
- STOE & Cie GmbH. WinXPOW v.3.1. STOE & Cie GmbH. , Darmstadt. (2016).
- Groom, C. R., Bruno, I. J., Lightfoot, M. P., Ward, S. C.
- Bruno, I. J., et al. New software for searching the Cambridge Structural Database and visualizing crystal structures. Acta Crystallographica. Section B, Structural Science. 58, 389-397 (2002).
- Hermer, N., Wharmby, M. T., Stock, N. CCDC 1499757: Experimental Crystal Structure Determination. , (2017).
- Cawse, J. N. Experimental Design for Combinatorial and High Throughput Materials Development. , Wiley-Interscience. Hoboken, NJ. (2003).
- Dhanumalayan, E., Joshi, G. M. Performance properties and applications of polytetrafluoroethylene (PTFE)-a review. Advanced Composites and Hybrid Materials. 1, 247-268 (2018).
- Lenzen, D., et al. Scalable green synthesis and full-scale test of the metal-organic framework CAU-10-H for use in adsorption-driven chillers. Advanced Materials. 30 (6), 1705869 (2018).
