उच्च-थ्रूपुट विधियों का उपयोग करके आइसोरेटिकुलर अल (III) फॉस्फोनेट-आधारित धातु-कार्बनिक फ्रेमवर्क यौगिकों की खोज और संश्लेषण अनुकूलन

Summary

नए धातु-कार्बनिक ढांचे (एमओएफ) का लक्षित संश्लेषण मुश्किल है, और उनकी खोज रसायनज्ञ के ज्ञान और रचनात्मकता पर निर्भर करती है। उच्च-थ्रूपुट विधियां जटिल सिंथेटिक पैरामीटर क्षेत्रों को जल्दी और कुशलता से पता लगाने की अनुमति देती हैं, क्रिस्टलीय यौगिकों को खोजने और सिंथेटिक और संरचनात्मक रुझानों की पहचान करने की प्रक्रिया को तेज करती हैं।

Abstract

उच्च-थ्रूपुट (एचटी) विधियां संश्लेषण मापदंडों की तेज और कुशल स्क्रीनिंग और नई सामग्रियों की खोज के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण हैं। यह पांडुलिपि एचटी रिएक्टर प्रणाली का उपयोग करके समाधान से धातु-कार्बनिक ढांचे (एमओएफ) के संश्लेषण का वर्णन करती है, जिसके परिणामस्वरूप संरचना के विभिन्न फॉस्फोनेट-आधारित एमओएफ की खोज होती है [अल 2 एच 12-एक्स (पीएमपी)₃]सीएल एक्स-6 एच₂ओ (एच 4 पीएमपी = एन, एन’-पिपेराज़िन बिस (मिथाइलीनफॉस्फोनिक एसिड))_एक्स =₄, 6, जिसे अल-सीएयू –_{60-एक्सएचसीएल} के रूप में निरूपित किया जाता है, जिसमें ट्राइवेलेंट एल्यूमीनियम आयन होते हैं। यह उत्पाद निर्माण पर लिंकर के दाढ़ अनुपात और प्रतिक्रिया मिश्रण के पीएच के प्रभाव को व्यवस्थित रूप से जांचकर सॉल्वोथर्मल प्रतिक्रिया स्थितियों के तहत पूरा किया गया था। एचटी जांच के लिए प्रोटोकॉल में छह चरण शामिल हैं: ए) एचटी पद्धति के भीतर संश्लेषण योजना (डीओई = प्रयोग का डिजाइन), बी) इन-हाउस विकसित एचटी रिएक्टरों के साथ खुराक और काम करना, सी) सॉल्वोथर्मल संश्लेषण, डी) इन-हाउस विकसित निस्पंदन ब्लॉकों का उपयोग करके संश्लेषण वर्कअप, ई) एचटी पाउडर एक्स-रे विवर्तन द्वारा लक्षण वर्णन, और एफ) डेटा का मूल्यांकन। एचटी पद्धति का उपयोग पहली बार उत्पाद गठन पर अम्लता के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए किया गया था, जिससे अल-सीएयू -60 – एक्सएचसीएल (एक्स = 4 या 6) की खोज हुई।

Introduction

धातु-कार्बनिक ढांचे (एमओएफ) छिद्रपूर्ण, क्रिस्टलीय यौगिक हैं जिनकी संरचनाओं में धातु युक्त नोड्स होते हैं, जैसे धातु आयन या धातु-ऑक्सीजन क्लस्टर, जो कार्बनिक अणुओं (लिंकर^{) 1} से जुड़े होते हैं। धातु युक्त नोड्स के साथ-साथ लिंकर को बदलकर, विभिन्न प्रकार के यौगिक प्राप्त किए जा सकते हैं जो गुणों की एक विस्तृत श्रृंखला प्रदर्शित करते हैं और इसलिए^{विभिन्न क्षेत्रों में} संभावित अनुप्रयोग हैं।

किसी सामग्री की स्थिरता इसके आवेदन ^1,2,3 के लिए महत्वपूर्ण है। इसलिए, कार्बोक्सिलेट 2 या फॉस्फोनेट 4 लिंकर अणुओं के साथ त्रि- या टेट्रावेलेंट धातु आयनों वाले एमओएफ, जैसे कि अल 3 +, सीआर 3 +, टीआई 4 +, या जेडआर 4⁺, कार्बोक्सिलेट² या फॉस्फोनेट ⁴ लिंकर अणुओं के साथ कई^{जांचों} का केंद्र रहा ^है। स्थिर एमओएफ के प्रत्यक्ष संश्लेषण के अलावा, पोस्ट-सिंथेटिक संशोधनों के साथ-साथ कंपोजिट के गठन के माध्यम से स्थिरता की वृद्धि रुचि का एक क्षेत्र^है। कार्बोक्सिलेट-आधारित एमओएफ⁸ की तुलना में फॉस्फोनेट-आधारित एमओएफ को कम बार रिपोर्ट किया गया है। एक कारण -सीओ 2- समूह की तुलना में सीपीओ₃^2- समूह का उच्च समन्वय लचीलापन है, जो अक्सर घने संरचनाओं के निर्माण और अधिक संरचनात्मक विविधता 8,9,10,11 की ओर जाता है। इसके अलावा, फॉस्फोनिक एसिड को अक्सर संश्लेषित किया जाना चाहिए, क्योंकि वे शायद ही कभी बाजार पर उपलब्ध होते हैं। जबकि कुछ धातु फॉस्फोनेट असाधारण रासायनिक स्थिरता¹⁰ प्रदर्शित करते हैं, आइसोरेटिकुलर धातु फॉस्फोनेट एमओएफ तक व्यवस्थित पहुंच, जो गुणों की ट्यूनिंग की अनुमति देता है, अभी भी उच्च प्रासंगिकता का विषय है^12,13. छिद्रपूर्ण धातु फॉस्फोनेट के संश्लेषण के लिए विभिन्न रणनीतियों की जांच की गई है, जैसे कि अन्यथा घने परतों में दोषों को शामिल करना, उदाहरण के लिए, फॉस्फेट लिगेंड ^4,14 के साथ आंशिक रूप से फॉस्फोनेट को बदलकर। हालांकि, चूंकि दोषपूर्ण संरचनाएं खराब प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य हैं, और छिद्र एक समान नहीं हैं, इसलिए अन्य रणनीतियों को विकसित किया गया है। हाल के वर्षों में, लिंकर अणुओं के रूप में स्टेरिक रूप से मांग या ऑर्थोगोनलाइज्ड फॉस्फोनिक एसिड का उपयोग छिद्रपूर्ण धातु फॉस्फोनेट्स 4,8,10,11,13,15,16,17,18 की तैयारी के लिए एक उपयुक्त रणनीति के रूप में उभरा है।. हालांकि, छिद्रपूर्ण धातु फॉस्फोनेट्स के लिए एक सार्वभौमिक संश्लेषण मार्ग अभी तक खोजा नहीं गया है। नतीजतन, धातु फॉस्फोनेट्स का संश्लेषण अक्सर परीक्षण और त्रुटि की एक प्रक्रिया होती है, जिसमें कई संश्लेषण मापदंडों की जांच की आवश्यकता होती है।

एक प्रतिक्रिया प्रणाली के पैरामीटर स्थान में रासायनिक और प्रक्रिया पैरामीटर शामिल हैं और यह विशाल¹⁹ हो सकता है। इसमें प्रारंभिक सामग्री (धातु नमक) के प्रकार, शुरुआती सामग्री के दाढ़ अनुपात, पीएच समायोजन के लिए एडिटिव्स, मॉड्यूलेटर, विलायक का प्रकार, विलायक मिश्रण, वॉल्यूम, प्रतिक्रिया तापमान, समय, आदि जैसे पैरामीटर शामिल ^हैं। पैरामीटर भिन्नताओं की एक मध्यम संख्या आसानी से कई सौ व्यक्तिगत प्रतिक्रियाओं का परिणाम हो सकती है, जिससे सावधानीपूर्वक विचार की गई संश्लेषण योजना और अच्छी तरह से चुने गए पैरामीटर स्थान की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, धातु के लिंकर के छह दाढ़ अनुपात का उपयोग करके एक सरल अध्ययन (उदाहरण के लिए, एम: एल = 1: 1, 1: 2, … 1: 6) और एक योजक की चार अलग-अलग सांद्रता और अन्य पैरामीटर को स्थिर रखते हुए, पहले से ही 6 x 4 = 24 प्रयोगों की ओर जाता है। चार सांद्रता, पांच सॉल्वैंट्स और तीन प्रतिक्रिया तापमान का उपयोग करने के लिए 24 प्रयोगों को 60 बार करने की आवश्यकता होगी, जिसके परिणामस्वरूप 1,440 व्यक्तिगत प्रतिक्रियाएं होंगी।

उच्च-थ्रूपुट (एचटी) विधियां लघुकरण, समानांतरकरण और स्वचालन की अवधारणाओं पर आधारित हैं, जो वैज्ञानिक प्रश्न^19,20 को संबोधित करने के आधार पर अलग-अलग डिग्री पर निर्भर करती हैं। जैसे, उनका उपयोग बहु-पैरामीटर सिस्टम की जांच में तेजी लाने के लिए किया जा सकता है और नए यौगिकों की खोज के लिए एक आदर्श उपकरण है, साथ ही संश्लेषण अनुकूलन^19,20। एचटी विधियों का उपयोग विभिन्न क्षेत्रों में सफलतापूर्वक किया गया है, दवा की खोज से लेकर सामग्री विज्ञान²⁰ तक। उनका उपयोग सोल्वोथर्मल प्रतिक्रियाओं में जिओलाइट्स और एमओएफ जैसे छिद्रपूर्ण सामग्रियों की जांच के लिए भी किया गया है, जैसा कि हाल ही में संक्षेप में²⁰ है। सॉल्वोथर्मल संश्लेषण के लिए एक विशिष्ट एचटी वर्कफ़्लो में छह चरण होते हैं (चित्रा 1)19,20,21: ए) रुचि के पैरामीटर स्थान का चयन (यानी^, प्रयोग का डिजाइन [डीओई]), जिसे मैन्युअल रूप से या सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके किया जा सकता है; बी) जहाजों में अभिकर्मकों की खुराक; सी) सॉल्वोथर्मल संश्लेषण; डी) अलगाव और वर्कअप; ई) लक्षण वर्णन, जो आमतौर पर पाउडर एक्स-रे विवर्तन (पीएक्सआरडी) के साथ किया जाता है; और एफ) डेटा मूल्यांकन, जिसके बाद फिर से चरण एक है।

मल्टीक्लेव के उपयोग के माध्यम से सॉल्वोथर्मल प्रतिक्रियाओं में समानांतरकरण और लघुकरण प्राप्त किया जाता है, जो अक्सर जैव रसायन और फार्मेसी^19,20,22,23 में सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले अच्छी तरह से स्थापित 96-वेल प्लेट प्रारूप पर आधारित होता है। विभिन्न रिएक्टर डिजाइनों की सूचना दी गई है और कई समूहों ने अपने स्वयं के रिएक्टरों^का निर्माण किया ^है। रिएक्टर विकल्प ब्याज की रासायनिक प्रणाली पर निर्भर करता है, विशेष रूप से प्रतिक्रिया तापमान, (ऑटोजेनस) दबाव, और रिएक्टर स्थिरता^19,20। उदाहरण के लिए, ज़ीओलिटिक इमिडाज़ोलेट फ्रेमवर्क (जेडआईएफ) के एक व्यवस्थित अध्ययन में, बनर्जी एट अल।²⁵ ने 9600^{से अधिक} प्रतिक्रियाओं को करने के लिए 96-वेल ग्लास प्लेट प्रारूप का उपयोग किया। सॉल्वोथर्मल स्थितियों के तहत प्रतिक्रियाओं के लिए, अनुकूलित पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन (पीटीएफई) ब्लॉक, या 24 या 48 व्यक्तिगत पीटीएफई प्रविष्टियों के साथ मल्टीक्लेव, स्टॉक समूह^19,20 द्वारा दूसरों के बीच वर्णित किए गए हैं। वे नियमित रूप से नियोजित होते हैं, उदाहरण के लिए, धातु कार्बोक्सिलेट्स और फॉस्फोनेट के संश्लेषण में। जैसे, रेनश एट अल।²⁵ ने छिद्रपूर्ण एल्यूमीनियम एमओएफ²⁵ के क्षेत्र में कार्यप्रणाली के फायदे की सूचना दी। इन-हाउस निर्मित एचटी रिएक्टर सिस्टम (चित्रा 2), जो 24 या 48 प्रतिक्रियाओं को एक साथ अध्ययन करने की अनुमति देता है, में क्रमशः 2.655 एमएल और 0.404 एमएल की कुल मात्रा के साथ पीटीएफई इंसर्ट होते हैं (चित्रा 2 ए, बी)। आमतौर पर, क्रमशः 1 एमएल या 0.1 एमएल से अधिक का उपयोग नहीं किया जाता है। जबकि इन रिएक्टरों का उपयोग पारंपरिक ओवन में किया जाता है, एसआईसी ब्लॉक और छोटे ग्लास जहाजों का उपयोग करके माइक्रोवेव-असिस्टेड हीटिंग^{की भी सूचना} दी गई है।

अध्ययन के स्वचालन से समय की बचत और बेहतर प्रजनन क्षमता होती है, क्योंकि मानव कारक का प्रभाव^{कम हो जाता} है। जिस डिग्री तक स्वचालन का उपयोग किया गया है, वह दृढ़ता से^19,20 भिन्न होता है। पूरी तरह से स्वचालित वाणिज्यिक प्रणालियां, जिनमें पाइपिंग 20 या भार क्षमता²⁰ शामिल हैं, ज्ञात हैं। एक हालिया उदाहरण ZrMOFs का अध्ययन करने के लिए एक तरल-हैंडलिंग रोबोट का उपयोग है, जो Rosseensky²⁷ के समूह द्वारा रिपोर्ट किया गया है। स्वचालित विश्लेषण पीएक्सआरडी द्वारा एक्सवाई चरण से लैस डिफ्रेक्टोमीटर का उपयोग करके किया जा सकता है। एक अन्य उदाहरण में, एक प्लेट रीडर का उपयोग ठोस-अवस्था उत्प्रेरक, मुख्य रूप से एमओएफ को स्क्रीन करने के लिए किया गया था, तंत्रिका^{एजेंट गिरावट की} एचटी स्क्रीनिंग के लिए। नमूने को मैन्युअल नमूना या स्थिति परिवर्तन की आवश्यकता के बिना एक ही रन में चित्रित किया जा सकता है। स्वचालन मानव त्रुटि को समाप्त नहीं करता है, लेकिन यह इसके होने की संभावना को कम करता है^19,20.

आदर्श रूप से, एचटी वर्कफ़्लो में सभी चरणों को संभावित बाधाओं को खत्म करने और दक्षता को अधिकतम करने के लिए समानांतरकरण, लघुकरण और स्वचालन के संदर्भ में अनुकूलित किया जाना चाहिए। हालांकि, यदि एचटी वर्कफ़्लो को इसकी संपूर्णता में स्थापित करना संभव नहीं है, तो अपने स्वयं के शोध के लिए चयनित चरणों / उपकरणों को अपनाना सहायक हो सकता है। 24 प्रतिक्रियाओं के लिए मल्टीक्लेव का उपयोग यहां विशेष रूप से उपयोगी है। इस अध्ययन में उपयोग किए जाने वाले इन-हाउस निर्मित उपकरणों (साथ ही अन्य) के तकनीकी चित्र पहली बार प्रकाशित किए गए हैं और पूरक फ़ाइल 1, पूरक फ़ाइल 2, पूरक फ़ाइल 3 और पूरक फ़ाइल 4 में पाए जा सकते हैं।

Protocol

इस प्रोटोकॉल में, एक उदाहरण के रूप में अल-सीएयू -6029 का उपयोग करते हुए, नई क्रिस्टलीय सामग्री की खोज के लिए रासायनिक प्रणालियों की एचटी जांच का वर्णन किया गया है। 1. प्रयोग का डिजाइन (ड?…

Representative Results

PXRD डेटा चित्र 9 में दिखाया गया है। पहले मूल्यांकन के लिए, प्राप्त परिणाम जांच किए गए पैरामीटर स्थान के संश्लेषण मापदंडों से जुड़े हुए हैं। जांच लिंकर से धातु के छह अलग-अलग दाढ़ अनुपात और एनएओए…

Discussion

एचटी विधि की जटिलता के कारण, व्यक्तिगत चरणों और विधि पर निम्नलिखित खंडों में चर्चा की जाती है। पहले भाग में एचटी वर्कफ़्लो (चित्रा 1) के प्रत्येक कार्य चरण के लिए महत्वपूर्ण चरण, संभावित संशो?…

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