גילוי וסינתזה אופטימיזציה של תרכובות מסגרת מתכת-אורגניות מבוססות פוספונטים Isoreticular Al(III) באמצעות שיטות תפוקה גבוהה

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 H_12-x(PMP)₃]Cl x∙6H₂O (H 4 PMP = N,N ‘-piperazine bis(methylenephosphonic acid)) עבור_x =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 רבים^5,6,7. 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 גבוהה^12,13. 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 המטופלת^19,20. ככאלה, הם יכולים לשמש כדי להאיץ את החקירה של מערכות מרובות פרמטרים והם כלי אידיאלי לגילוי של תרכובות חדשות, כמו גם אופטימיזציה סינתזה^19,20. 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 משלהם^19,20. 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 סטוק^19,20. 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 מאוד^19,20. 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 תתרחש^19,20.

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.

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 …

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 (אי…

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 לש?…

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