Scoperta e ottimizzazione della sintesi di composti isoreticolari a base di al(III) fosfonato metallo-organico mediante metodi ad alta produttività

Summary

La sintesi mirata di nuove strutture metallo-organiche (MOF) è difficile e la loro scoperta dipende dalla conoscenza e dalla creatività del chimico. I metodi ad alto rendimento consentono di esplorare campi di parametri sintetici complessi in modo rapido ed efficiente, accelerando il processo di ricerca di composti cristallini e identificando tendenze sintetiche e strutturali.

Abstract

I metodi ad alta produttività (HT) sono uno strumento importante per lo screening rapido ed efficiente dei parametri di sintesi e la scoperta di nuovi materiali. Questo manoscritto descrive la sintesi di strutture metallo-organiche (MOF) da soluzione utilizzando un sistema di reattori HT, con conseguente scoperta di vari MOF a base di fosfonati della composizione [Al 2 H 12-x(PMP)₃]Cl x∙6H₂O (H 4 PMP = N,N ‘-piperazina bis(acido metilenfosfonico)) per_x =₄, 6, indicato come Al-CAU-60-xHCl, contenente ioni di alluminio trivalenti. Ciò è stato ottenuto in condizioni di reazione solvotermica esaminando sistematicamente l’impatto del rapporto molare del linker al metallo e il pH della miscela di reazione sulla formazione del prodotto. Il protocollo per l’indagine HT comprende sei fasi: a) pianificazione della sintesi (DOE = progettazione dell’esperimento) all’interno della metodologia HT, b) dosaggio e lavoro con reattori HT sviluppati internamente, c) sintesi solvotermica, d) lavoro di sintesi utilizzando blocchi di filtrazione sviluppati internamente, e) caratterizzazione mediante diffrazione a raggi X della polvere HT e f) valutazione dei dati. La metodologia HT è stata utilizzata per la prima volta per studiare l’influenza dell’acidità sulla formazione del prodotto, portando alla scoperta di Al-CAU-60∙xHCl (x = 4 o 6).

Introduction

Le strutture metallo-organiche (MOF) sono composti porosi e cristallini le cui strutture sono costituite da nodi contenenti metalli, come ioni metallici o cluster metallo-ossigeno, che sono collegati da molecole organiche (linker)¹. Variando i nodi contenenti metalli e il linker, è possibile ottenere una varietà di composti che presentano una vasta gamma di proprietà e quindi hanno potenziali applicazioni in diversi campi¹.

La stabilità di un materiale è importante per la sua applicazione ^1,2,3. Pertanto, i MOF contenenti ioni metallici tri- o tetravalenti, come Al 3+, Cr³+, Ti 4+ o Zr⁴⁺, con molecole linker carbossilato² o fosfonato⁴ sono stati al centro di molte indagini^5,6,7. Oltre alla sintesi diretta di MOF stabili, il miglioramento della stabilità attraverso modifiche post-sintetiche e la formazione di compositi è un campo di interesse². I MOF a base di fosfonati sono stati segnalati meno spesso rispetto ai MOF a base di carbossilati⁸. Uno dei motivi è la maggiore flessibilità di coordinamento del gruppo CPO₃ 2- rispetto al gruppo ^–CO₂^–, che spesso porta alla formazione di strutture dense e a una maggiore diversità strutturale 8,9,10,11. Inoltre, gli acidi fosfonici spesso devono essere sintetizzati, poiché sono raramente disponibili sul mercato. Mentre alcuni fosfonati metallici mostrano un’eccezionale stabilità chimica¹⁰, l’accesso sistematico ai MOF isoreticolari di fosfonati metallici, che consente la messa a punto delle proprietà, è ancora un argomento di grande rilevanza^12,13. Sono state studiate diverse strategie per la sintesi di fosfonati metallici porosi, come incorporare difetti in strati altrimenti densi, ad esempio, sostituendo parzialmente il fosfonato con leganti fosfatici ^4,14. Tuttavia, poiché le strutture difettose sono scarsamente riproducibili e i pori non sono uniformi, sono state sviluppate altre strategie. Negli ultimi anni, l’uso di acidi fosfonici stericamente esigenti o ortogonalizzati come molecole linker è emersa come strategia adatta per la preparazione di fosfonati metallici porosi 4,8,10,11,13,15,16,17,18 . Tuttavia, non è stata ancora scoperta una via di sintesi universale per i fosfonati porosi dei metalli. Di conseguenza, la sintesi dei fosfonati metallici è spesso un processo di tentativi ed errori, che richiede l’indagine di molti parametri di sintesi.

Lo spazio dei parametri di un sistema di reazione include parametri chimici e di processo e può essere vasto¹⁹. È costituito da parametri quali il tipo di materiale di partenza (sale metallico), i rapporti molari delle materie prime, gli additivi per la regolazione del pH, i modulatori, il tipo di solvente, le miscele di solventi, i volumi, le temperature di reazione, i tempi, ^ecc.19,20. Un numero moderato di variazioni dei parametri può facilmente portare a diverse centinaia di reazioni individuali, rendendo necessario un piano di sintesi attentamente considerato e uno spazio dei parametri ben scelto. Ad esempio, un semplice studio che utilizza sei rapporti molari del linker al metallo (ad esempio, M: L = 1: 1, 1: 2, … a 1:6) e quattro diverse concentrazioni di un additivo e mantenendo costante l’altro parametro, porta già a 6 x 4 = 24 esperimenti. L’utilizzo di quattro concentrazioni, cinque solventi e tre temperature di reazione richiederebbe l’esecuzione dei 24 esperimenti 60 volte, risultando in 1.440 reazioni individuali.

I metodi ad alto rendimento (HT) si basano sui concetti di miniaturizzazione, parallelizzazione e automazione, in misura variabile a seconda della questione scientifica affrontata^19,20. Come tali, possono essere utilizzati per accelerare lo studio di sistemi multiparametrici e sono uno strumento ideale per la scoperta di nuovi composti, nonché per l’ottimizzazione della sintesi ^19,20. I metodi HT sono stati utilizzati con successo in diversi campi, che vanno dalla scoperta di farmaci alla scienza dei materiali²⁰. Sono stati utilizzati anche per lo studio di materiali porosi come zeoliti e MOF in reazioni solvotermiche, come recentemente riassunto²⁰. Un tipico flusso di lavoro HT per la sintesi solvotermica consiste in sei fasi (Figura 1)19,20,21: a) selezione dello spazio dei parametri di interesse (cioè la progettazione dell’esperimento [DOE]), che può essere eseguita manualmente o utilizzando il software; b) dosaggio dei reagenti nei recipienti; c) sintesi solvotermica; d) isolamento e workup; e) caratterizzazione, che viene tipicamente effettuata con diffrazione di raggi X in polvere (PXRD); e f) la valutazione dei dati, che è seguita di nuovo dalla fase uno.

La parallelizzazione e la miniaturizzazione sono ottenute nelle reazioni solvotermiche attraverso l’uso di multiclavi, spesso basati sul consolidato formato di piastre a 96 pozzetti più comunemente usato in biochimica e farmacia 19,20,22,23. Sono stati segnalati vari progetti di reattori e diversi gruppi hanno costruito i propri reattori^19,20. La scelta del reattore dipende dal sistema chimico di interesse, in particolare dalla temperatura di reazione, dalla pressione (autogena) e dalla stabilità del reattore^19,20. Ad esempio, in uno studio sistematico dei quadri zeolitici di imidazolato (ZIF), Banerjee et al.²⁵ ha utilizzato il formato della lastra di vetro a 96 pozzetti per eseguire oltre 9600 reazioni²⁴. Per le reazioni in condizioni solvotermiche, blocchi personalizzati di politetrafluoroetilene (PTFE), o multiclavi con 24 o 48 singoli inserti in PTFE, sono stati descritti tra gli altri dal gruppo Stock^19,20. Sono abitualmente impiegati, ad esempio, nella sintesi di carbossilati metallici e fosfonati. Come tale, Reinsch et al.²⁵ ha riportato i vantaggi della metodologia nel campo dei MOF in alluminio poroso²⁵. I sistemi di reattori HT realizzati internamente (Figura 2), che consentono di studiare simultaneamente 24 o 48 reazioni, contengono inserti in PTFE con un volume totale rispettivamente di 2,655 ml e 0,404 ml (Figura 2A,B). Di solito, non viene utilizzato più di 1 ml o 0,1 ml, rispettivamente. Mentre questi reattori sono utilizzati nei forni convenzionali, è stato segnalato anche il riscaldamento assistito da microonde con blocchi di SiC e piccoli recipienti di vetro²⁶.

L’automazione degli studi porta a un risparmio di tempo e a una migliore riproducibilità, poiché l’influenza del fattore umano è ridotta al minimo²⁰. Il grado di utilizzo dell’automazione varia fortemente^19,20. Sono noti sistemi commerciali completamente automatizzati, tra cui il pipettaggio 20 o le capacità di ponderazione²⁰. Un esempio recente è l’uso di un robot per la gestione dei liquidi per studiare gli ZrMOF, riportato dal gruppo di Rosseinsky²⁷. L’analisi automatizzata può essere eseguita da PXRD utilizzando un diffrattometro dotato di uno stadio xy. In un altro esempio, un lettore di piastre è stato utilizzato per lo screening di catalizzatori a stato solido, principalmente MOF, per lo screening HT della degradazione dell’agente nervino²⁸. I campioni possono essere caratterizzati in un’unica esecuzione senza la necessità di campioni manuali o cambi di posizione. L’automazione non elimina l’errore umano, ma riduce la possibilità che si verifichi^19,20.

Idealmente, tutte le fasi di un flusso di lavoro HT dovrebbero essere adattate in termini di parallelizzazione, miniaturizzazione e automazione per eliminare possibili colli di bottiglia e massimizzare l’efficienza. Tuttavia, se non è possibile stabilire un flusso di lavoro HT nella sua interezza, può essere utile adottare passaggi / strumenti selezionati per la propria ricerca. L’uso di multiclavi per 24 reazioni è particolarmente utile qui. I disegni tecnici delle attrezzature di fabbricazione interna utilizzate in questo studio (così come in altri) sono pubblicati per la prima volta e possono essere trovati in Supplementary File 1, Supplementary File 2, Supplementary File 3 e Supplementary File 4.

Protocol

In questo protocollo, viene descritta l’indagine HT dei sistemi chimici per scoprire nuovi materiali cristallini, usando Al-CAU-6029 come esempio. 1. Progettazione dell’esperimento (DOE) NOTA: Il primo passo consiste nell’impostare un piano di sintesi, che richiede la conoscenza della configurazione del reattore (Figura 2), dei reagenti e dei solventi utilizzati. Questa procedura di pianificazione …

Representative Results

I dati PXRD sono illustrati nella Figura 9. Per la prima valutazione, i risultati ottenuti sono collegati ai parametri di sintesi dello spazio dei parametri indagato. L’indagine è stata condotta utilizzando sei diversi rapporti molari del linker al metallo e quattro diversi rapporti molari di NaOH/HCl ad Al3+. Collegando queste informazioni con i dati PXRD ottenuti (Figura 9), si può vedere che prodotti di bassa cristallinità sono stati ottenuti da…

Discussion

A causa della complessità del metodo HT, i singoli passaggi e il metodo stesso sono discussi nelle sezioni seguenti. La prima parte copre le fasi critiche per ogni fase di lavoro del flusso di lavoro HT (Figura 1), le possibili modifiche e le limitazioni della tecnica, ove applicabile. Al termine, viene presentata una discussione generale che include anche il significato del metodo HT rispetto ai metodi esistenti e alle applicazioni future.

Nella prima fase del …

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