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Chemistry

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

Published: October 6, 2023 doi: 10.3791/65441

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)) perx =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 indagini5,6,7. 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 rilevanza12,13. 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 affrontata19,20. 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 reattori19,20. La scelta del reattore dipende dal sistema chimico di interesse, in particolare dalla temperatura di reazione, dalla pressione (autogena) e dalla stabilità del reattore19,20. 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 Stock19,20. 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 fortemente19,20. 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 verifichi19,20.

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.

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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 della sintesi è adattata per eseguire 24 o 48 reazioni nell'ambito di uno specifico programma temperatura-tempo, per il quale vengono utilizzati multiclavi in acciaio fabbricati internamente per eseguire 24 (Figura 2A) o 48 reazioni (Figura 2B) contemporaneamente. I reattori sono inserti in PTFE prodotti internamente con un volume di reagente/solvente utilizzato di 1 mL (reattore PTFE per effettuare 24 reazioni nel multiclave di acciaio) o 100 μL (reattore PTFE per effettuare 48 reazioni nel multiclave di acciaio). I disegni tecnici della configurazione del reattore si trovano rispettivamente nel file supplementare 1 e nel file supplementare 2 .

  1. Innanzitutto, determinare lo spazio dei parametri da esaminare. Pertanto, prendere decisioni su un numero iniziale di reazioni, fonte metallica e molecola linker, nonché sull'uso di additivi e solventi.
    1. Per l'esempio scelto di Al-CAU-60, effettuare 24 reazioni utilizzando AlCl3∙6H2O come fonte metallica e N , N′-piperazina-bis(acido metilenfosfonico) (H4PMP) come molecola linker. Inoltre, utilizzare soluzioni acquose di NaOH e HCl come additivi per studiare l'influenza del pH della miscela di reazione sulla formazione del prodotto.1
      NOTA: La scelta dei parametri si basa solitamente su procedure di sintesi pubblicate o principi basati su conoscenze chimiche fondamentali. Tuttavia, per la scoperta di nuovi materiali, dovrebbe essere applicata una variazione più ampia dei parametri di reazione (vale a dire, dovrebbe essere considerato un certo grado di diversità dei parametri di reazione). Il numero di parametri da variare e il tipo di variazioni possono essere basati su principi diversi. Nella forma più semplice, è necessario modificare un solo parametro alla volta. Ad esempio, una concentrazione fissa di sali metallici in combinazione con concentrazioni variabili di molecole linker può essere utilizzata per studiare diversi rapporti linker-metallo. Tuttavia, l'indagine può anche utilizzare diversi rapporti molari del linker al metallo e ad altri solventi o additivi. Lo spazio dei parametri accessibile è limitato dalla solubilità delle materie prime (quantità e tipo di solvente) nei casi in cui vengono utilizzate solo soluzioni21. Il dosaggio dei solidi estende lo spazio dei parametri accessibile20.
  2. Specificate lo spazio dei parametri. A tale scopo, scegliere e calcolare le quantità di materie prime (rapporti molari) e i volumi di solvente.
    1. Per l'esempio scelto di Al-CAU-60, variare il rapporto molare di H 4 PMP ad Al3+ tra 4:1 e 0,3:1 in sei fasi:4:1, 3:1, 2:1, 1:1, 0,5:1, 0,3:1. Eseguire tutte e sei le sintesi con diversi rapporti additivi; studiare un rapporto molare di NaOH ad Al 3+ (1:1) e due rapporti molari di HCl ad Al3+ (20:1 e 40:1), nonché uno senza alcun additivo. Utilizzare un foglio di calcolo per calcolare le quantità di materie prime necessarie per questo, che possono essere trovate nelle informazioni aggiuntive.

2. Dosaggio e sintesi solvotermica

  1. Preparare le soluzioni madre in una cappa aspirante seguendo il protocollo standard per la preparazione delle soluzioni madre dei reagenti.
    ATTENZIONE: H4PMP, AlCl3∙6 H2O, HCl e NaOH sono sostanze corrosive che causano gravi ustioni cutanee e danni agli occhi al contatto. Indossare dispositivi di protezione individuale quando si lavora con queste sostanze.
    1. Per l'esempio scelto di Al-CAU-60, preparare i seguenti reagenti secondo il foglio di calcolo nelle informazioni di supporto (tabella supplementare 1): soluzione di acido cloridrico con una concentrazione di 10 mol/L, soluzione di idrossido di sodio con una concentrazione di 1 mol/L e una soluzione di AlCl3∙6H2O con una concentrazione di 1 mol/L.
      NOTA: La formazione del prodotto può anche dipendere dallo stato di aggregazione dei reagenti aggiunti. Per i solidi, la dimensione delle particelle può avere un effetto dovuto alla velocità di dissoluzione. All'inizio dello studio si dovrebbe decidere se utilizzare solidi o soluzioni per consentire una valutazione sistematica.
  2. Inserire i dischi nella piastra campione (Figura 3A).
  3. Trasferire reagenti, additivi e solventi negli inserti in PTFE (Figura 3B).
    1. Per l'esempio scelto di Al-CAU-60, aggiungere prima il linker H4PMP come solido agli inserti in PTFE, quindi aggiungere la soluzione di cloruro di alluminio, l'acqua demineralizzata e la soluzione di additivi (NaOH o HCl) con una pipetta in conformità con i valori calcolati nel foglio di calcolo nelle informazioni di supporto (Tabella supplementare 1).
      NOTA: Anche l'ordine in cui vengono riempiti gli inserti in PTFE può influenzare la formazione del prodotto; Pertanto, l'ordine delle materie prime deve essere scelto in anticipo e mantenuto lo stesso durante tutto lo studio per consentire una valutazione sistematica.
  4. Inserire gli inserti in PTFE riempiti nella piastra del campione.
  5. Contrassegnare la piastra di terra del reattore in modo da consentire l'identificazione degli inserti in PTFE in un secondo momento. Inserire la piastra campione con gli inserti di PTFE riempiti nella piastra di massa del reattore (Figura 3C).
  6. Preparare due fogli di PTFE (con uno spessore di 0,1 mm) per coprire le piastre campione.
  7. Posizionare i fogli di PTFE sulla piastra campione (Figura 3D).
  8. Assicurarsi che il foglio di PTFE sia posizionato correttamente e si adatti alla piastra di testa utilizzando i perni di guida (Figura 3E), aggiungere le viti e serrarle a mano.
  9. Sigillare il reattore inizialmente chiuso con l'aiuto, ad esempio, di una pressa meccanica o idraulica (figura 4A), sufficientemente lontano che i pezzi a pressione caricati a molla abbiano ancora 2 mm di spazio libero (figura 4B). Quindi, stringere nuovamente le viti a mano (Figura 4C). Essere consapevoli del fatto che un serraggio eccessivo può danneggiare (piegare) i multiclavi.
  10. Posizionare il multiclave in un forno a convezione forzata programmabile (Figura 4D), quindi impostare e avviare il programma temperatura-tempo selezionato. Si consiglia di utilizzare un forno a convezione per garantire un riscaldamento uniforme.
    1. Per la scoperta di Al-CAU-60, impostare il seguente programma temperatura-tempo: riscaldare il forno a 160 °C in 12 ore, mantenere la temperatura target per 36 ore e raffreddare a temperatura ambiente (RT) in 12 ore.
      NOTA: La scelta del programma temperatura-tempo può influenzare la formazione del prodotto30. Questo include le fasi formate, ma più spesso la dimensione del cristallo e la morfologia30.

3. Isolamento e allenamento

  1. Togliere il multiclave dal forno quando la temperatura raggiunge la temperatura ambiente.
  2. Posizionare il multiclave, ad esempio, in una pressa meccanica o idraulica e comprimerlo delicatamente fino a quando le viti possono essere allentate a mano (Figura 5A).
  3. Collocare il multiclave in una cappa aspirante e rimuovere la piastra di testa del reattore, quindi rimuovere i fogli di PTFE e rimuovere la piastra campione con gli inserti in PTFE dalla piastra di massa del reattore (figura 5B).
  4. Ispezionare gli inserti in PTFE e verificare la presenza di cristalli (Figura 5C). Se presenti, isolarne alcuni insieme a qualche liquore madre.
  5. Quindi, assemblare il blocco filtrante interno ad alta produttività (Figura 6A): collegare il blocco filtro a una pompa per vuoto tramite due flaconi di lavaggio e posizionare due carte da filtro tra due tappetini sigillanti in silicone con le corrispondenti cavità (Figura 6B-D) nel blocco filtro. Posizionare il blocco di riempimento in PTFE sulla parte superiore, assicurandosi che le rientranze appropriate corrispondano ai tappetini di tenuta e al blocco filtrante (Figura 6E). Stringere gli strati utilizzando il telaio di serraggio, che è tenuto in posizione da quattro bulloni di prigionieri. Per sigillare correttamente l'unità, utilizzare i dadi ad alette sui bulloni dei perni e serrare a mano (Figura 6F).
    NOTA: I disegni tecnici del blocco di filtrazione sono riportati nelle informazioni di supporto (file supplementare 3). Se non è disponibile un blocco filtro, i prodotti possono anche essere filtrati singolarmente.
  6. Chiudere le cavità del blocco di riempimento che non devono essere riempite con tappi (Figura 6F).
    1. Più avanti nel processo, sigillare i recessi che sono già stati drenati. Ciò consente di drenare anche gli altri pozzi.
  7. Accendere la pompa per vuoto a membrana e impostarla su una modalità in cui pomperà fino al miglior vuoto possibile (5-12 mbar).
  8. Utilizzando pipette monouso, trasferire il contenuto degli inserti in PTFE nei pozzetti designati del blocco di riempimento (Figura 7A).
    NOTA: Se vengono utilizzati solventi nocivi (ad es. dimetilformammide), i prodotti devono essere lavati con etanolo o un altro solvente meno tossico e più volatile per ridurre il contatto con sostanze nocive durante le fasi successive.
  9. Dopo che tutti gli inserti sono vuoti, dare una seconda occhiata ai cristalli e isolarli se ce ne sono (Figura 7B). NOTA: Si consiglia di utilizzare un microscopio ottico con la possibilità di utilizzare diversi ingrandimenti per determinare la dimensione dei cristalliti.
  10. Smontare con cura il blocco di filtrazione una volta scaricati tutti i pozzetti (Figura 7C).
  11. Una cosiddetta "libreria di prodotti" è ora disponibile sulla carta da filtro (Figura 7D).
  12. Asciugare la libreria di prodotti lasciandola asciugare all'aria in una cappa aspirante; nel caso di solventi non tossici e non corrosivi, le misurazioni PXRD possono essere eseguite con prodotti umidi.

4. Caratterizzazione

NOTA: Per la scoperta di nuovi composti cristallini, i prodotti ottenuti sono caratterizzati da HT-PXRD. Nuove fasi cristalline vengono identificate e utilizzate per un'ulteriore caratterizzazione. Lavorare con il diffrattometro a raggi X a polvere segue una procedura standard, che può essere trovata nel manuale operativo. È inoltre possibile utilizzare un diffrattometro a raggi X a polvere standard, che rende la caratterizzazione più noiosa.

  1. Posizionare la libreria di prodotti tra due piastre metalliche (piastra di base e piastra di copertura; Figura 7E e file supplementare 4) in modo che le cavità nelle piastre corrispondano alle posizioni del prodotto per consentire l'esame da parte del PXRD. Allineare accuratamente le piastre e fissarle con due viti (Figura 7F).
  2. Inserire la libreria del prodotto nel portacampioni del diffrattometro (Figura 8A,B).
    NOTA: altri supporti per campioni potrebbero richiedere parentesi diverse. Fare riferimento al manuale dell'utente per ulteriori informazioni.
  3. Posizionare con cautela il portacampioni caricato nello stadio xy del diffrattometro e chiudere lo strumento (Figura 8C).
  4. Il diffrattometro è controllato tramite il software WinXPOW 31. Nella finestra Controllo diffrattometro , impostare la modalità di misurazione facendo clic sul menu Intervalli e scegliere Modalità scansione. Si apre una nuova finestra; qui, scegli Modalità di scansione: Trasmissione, Modalità PSD: in movimento, Tipo di scansione: 2Theta e Modalità Omega: Fissa e conferma la finestra di dialogo.
  5. Per impostare i parametri di misurazione, fare clic sul menu Intervalli e scegliere Intervallo di scansione.
    1. Si apre una nuova finestra; qui, fai clic sull'icona Plus e modifica le impostazioni standard visualizzate facendo doppio clic su di essa.
    2. Per caratterizzare la libreria di prodotti, eseguire una breve misurazione di 4 minuti di ciascun campione con le seguenti impostazioni: (a) 2Theta(Inizio, Fine): 2, 47 , (b) Passo: 1.5, (c) Tempo/PSD Passo [s]: 2, (d) Omega: 0. Confermare entrambe le finestre di dialogo.
  6. Per scegliere i campioni da misurare sullo stage xy, fare clic sul menu Intervalli e scegliere Utilizzo scansione.
    1. Si apre una nuova finestra; qui, impostare l'utilizzo della scansione su più campioni e selezionare l'opzione Singoli intervalli/file.
    2. Quindi, fai clic sul pulsante Intervalli/File; Si apre una nuova finestra ("HT_Editor") con 48 posizioni campione selezionabili. Selezionare tutte le posizioni con campioni sulla piastra campione facendo clic sulla posizione con il tasto 'control' premuto.
    3. Per attivare le posizioni, fare clic con il tasto destro del mouse su Measure Samples. Confermare entrambe le finestre di dialogo.
  7. Salva i file facendo clic su File nel menu e scegli Salva con nome. Dopo aver scelto una directory e un nome file, fare clic sul pulsante Salva .
  8. Avviare la misurazione facendo clic su Misura nel menu e scegliere la prima voce, Raccolta dati. Si apre una nuova finestra; fare clic sul pulsante Ok per avviare la misurazione.
    NOTA: le impostazioni predefinite e la procedura per la calibrazione del diffrattometro devono essere prese dal manuale dell'utente. La scelta dei parametri di misurazione (angolo di scansione, dimensione del passo, tempo per fase di scansione) dipende anche dalla densità del materiale, dal peso degli atomi diffrattori, ecc. E potrebbe essere necessario regolarli. L'assorbimento dei raggi X può essere un problema se si forma troppo campione e vengono utilizzati elementi pesanti.

5. Valutazione dei dati

NOTA: viene utilizzata una procedura interna per valutare i dati; Sono ipotizzabili altre procedure. I dati PXRD sono ottenuti in formato di file ".raw". Per valutare i diffrattogrammi in altri software, questo formato di file deve essere convertito, ad esempio, nel formato di file ".xyd".

  1. Aprire il software WinXPOW 31. Per aprire i diffrattogrammi a raggi X in polvere, utilizzare il menu Dati grezzi e scegliere Gestione dati grezzi. Si apre una nuova finestra.
  2. Fare clic sull'icona per Batch Open e selezionare tutti i file tramite Aggiungi file. Dopo aver selezionato tutti i file, fare clic su Apri e confermare con Ok.
  3. Normalizzare le intensità a un valore massimo di 10.000 facendo clic su Intervalli e scegliendo Adatta intensità; Si apre una nuova finestra. Scegliete l'opzione Normalizza intensità a max. Int . e scrivete 10000. Fare clic su OK.
    NOTA: WinXPOWsoftware31 sovrascrive i dati grezzi quando i dati vengono modificati; Assicurati di lavorare su copie dei dati.
  4. Esportare i file tramite l'icona Esporta in un formato di file adatto ai programmi di valutazione. Scegli una directory di output e usa il formato di file X/Y . Fare clic su OK per completare l'esportazione.
  5. Visualizzare i dati PXRD in una vista in pila o separata in un programma adatto. Identificare i prodotti più cristallini esaminando il numero di riflessioni, le mezze larghezze (larghezza completa a metà massimo [FWHM]) e il rapporto segnale/rumore.
    NOTA: Per una prima analisi, è possibile utilizzare anche il software WinXPOW31 con la subroutine grafica e la funzione Search and Match.

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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 sintesi ad un rapporto molare di NaOH:Al3+ di 1:1 (serie A1 ad A6) e in assenza di NaOH o HCl (serie C1-C6). Ciò si riflette nel piccolo numero di riflessioni, nell'elevato rapporto segnale-rumore e nella grande mezza larghezza (FWHM) delle riflessioni. Il numero e la posizione delle riflessioni variano nei singoli modelli di polvere, il che indica la formazione di diversi prodotti o miscele di fase. All'interno di queste serie, le sintesi a rapporti molari medi o bassi del linker al metallo (2:1, 1:1, 0,5:1) mostrano in particolare prodotti di maggiore cristallinità.

Nelle reazioni effettuate ai due rapporti molari più alti di HCl:Al3+ di 20:1 e 40:1, si formano prodotti di reazione molto simili. Osservando le serie di dati da E1 a E6 (HCl:Al3+ = 20:1), si osservano rapporti segnale/rumore più bassi nei dati PXRD dei prodotti preparati con un elevato rapporto molare tra linker e metallo. Inoltre, i pattern di diffrazione dei prodotti ottenuti con un rapporto molare inferiore tra linker e metallo (E5 ed E6) mostrano riflessioni aggiuntive, indicando la presenza di una fase diversa o di una miscela di fasi. Analizzando la serie da G1 a G6 (HCl:Al3+ = 40:1), si ottiene la stessa fase cristallina in tutte le reazioni. Ancora una volta, il rapporto segnale-rumore aumenta con la diminuzione dei rapporti molari del linker al metallo.

Nella fase successiva, i modelli PXRD con il più alto rapporto segnale-rumore e le mezze larghezze più piccole (qui, campione G1 dalla serie E1 a E6 e da G1 a G6) vengono confrontati con i modelli di polvere calcolati. Per fare ciò, i database cristallografici possono essere ricercati per composti con la stessa molecola linker. Ad esempio, è possibile utilizzare il sottoinsieme MOF del database CSD del CCDC32. Il database CSD può essere ricercato utilizzando il programma ConQuest33 o direttamente dal sito web CCDC32. L'uso di ConQuest33consente, tra le altre caratteristiche, di restringere la ricerca ai sottoinsiemi MOF e ulteriormente alle strutture cristalline, che, ad esempio, contengono o non contengono esplicitamente determinati elementi o gruppi funzionali. In questo caso, i composti contenenti uno ione metallico trivalente e la molecola linker sono di interesse, e Al-MIL-9134 è un composto di interesse. La voce corrispondente viene scaricata e viene calcolato un modello PXRD nel software WinXPOW31. Nella Figura 10, il modello PXRD calcolato di Al-MIL-91 viene confrontato con il modello PXRD misurato. Confrontando le posizioni di riflessione, è possibile identificare alcuni modelli di polvere, in cui appaiono riflessioni che possono essere assegnate ad Al-MIL-91 (Figura 10; ad esempio; A4), ma non come fase pura in nessuna sintesi. I pattern PXRD dei prodotti ottenuti utilizzando HCl come additivo sono completamente diversi da quelli di MIL-91 e di altri composti contenenti la molecola linker. Queste informazioni sono riepilogate nella Figura 11, che può essere definita una libreria di individuazione. La tabella 1 elenca i rapporti molari dei reagenti, le concentrazioni delle soluzioni, i volumi utilizzati e la quantità di linker. Una forma semplificata della tabella sperimentale e lo schema di colori che mostra solo i rapporti molari sono rappresentati rispettivamente nella tabella 2 e nella figura supplementare 1.

I pattern PXRD dei campioni ottenuti con NaOH come additivo (da A1 ad A6) o l'assenza di un additivo (da C1 a C6) non sono adatti per identificare chiare tendenze di reazione. Tuttavia, con l'esperienza, si possono estrarre alcune informazioni. Ad esempio: a) si osservano gli stessi schemi PXRD per il prodotto delle serie A e C (ad esempio, A2 e C2), e b) si trovano miscele di fase (A3 potrebbe essere una miscela di A2 e A4 e C3 potrebbe essere una miscela di C2 e C4). Pertanto, nella fase successiva dell'indagine, lo spazio dei parametri dovrebbe essere modificato in modo tale da utilizzare passaggi più piccoli nella variazione dei rapporti molari del legante dal metallo all'additivo.

In sintesi, si possono vedere chiare tendenze nella serie di sintesi effettuate con HCl come additivo. Un eccesso del linker (rapporto molare del linker al metallo di 4:1) e un elevato rapporto molare tra HCl e metallo (40:1) portano ad un nuovo composto altamente cristallino. Ulteriori indagini ci hanno permesso di ottenere cristalli singoli adatti alla diffrazione a raggi X monocristallini, che hanno portato alla delucidazione strutturale del nuovo composto.

Dai risultati qui presentati, un fattore chiave per il successo dell'uso dei metodi HT è la selezione sensata dello spazio dei parametri da studiare e il collegamento del disegno dell'esperimento (spazio dei parametri) ai dati di caratterizzazione.

Figure 1
Figura 1: I passaggi di un flusso di lavoro HT. 1) DOE, selezionando lo spazio dei parametri di interesse; 2) dosaggio dei reagenti; 3) sintesi solvotermica; 4) isolamento e workup; 5) caratterizzazione, che viene tipicamente eseguita con PXRD; 6) valutazione dei dati, che è seguita di nuovo dal passaggio 1. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Le singole parti dell'apparecchiatura a sinistra e l'apparecchio assemblato a destra. (A) Il reattore HT costruito internamente per 24 reazioni è costituito da una piastra di base fiancheggiata da due perni di guida sui lati corti e ha una rientranza in cui la piastra di campionamento, incassata per contenere i 24 inserti di PTFE, può essere inserito. Le informazioni di supporto contengono i disegni tecnici (scheda supplementare 1). (B) I multiclavi in acciaio fabbricati internamente per 48 sintesi. Il design è sostanzialmente identico a quello del reattore a 24 reazioni. Le informazioni di supporto contengono disegni tecnici (scheda supplementare 2). (C) il blocco di filtrazione fabbricato internamente per la filtrazione di 48 miscele di reazione; Le singole parti sono mostrate a sinistra e il blocco filtro assemblato è a destra. Le informazioni di supporto contengono il disegno tecnico (scheda supplementare 3). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Assemblaggio del reattore HT . (A) Un totale di 24 dischi con un'altezza di 2 mm sono inseriti nella piastra di campionamento per coprire i fori. Ciò consente agli inserti in PTFE di adattarsi correttamente e sono facilmente rimovibili. (B) Dopo aver riempito l'inserto in PTFE con il solido, le soluzioni vengono aggiunte utilizzando pipette. Il reattore viene quindi assemblato. (C) La piastra campione con gli inserti in PTFE è inserita nella piastra di base. La piastra di base è contrassegnata per identificare gli inserti in PTFE (in alto a sinistra). (D) I fogli di PTFE sono posti sulla piastra del campione. (E) La piastra di testa è posta sopra la piastra di base che contiene la piastra campione e due fogli di PTFE. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Sigillatura e collocazione del reattore nel forno a convezione forzata . (A) Il multiclave è posto in una pressa che applica una pressione sufficiente al reattore per lasciare 2 mm di spazio libero (contrassegnato con cicli rossi) nei pezzi a pressione caricati a molla. (B) Nella pressa, la pressione viene applicata al reattore in modo che i pezzi a pressione caricati a molla abbiano 2 mm di spazio libero. (C) Dopo l'applicazione della pressione, le viti vengono serrate a mano. (D) Il reattore è posto nel forno a convezione forzata. Ciò garantisce un riscaldamento uniforme e continuo. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Rimozione del multiclave e verifica della presenza di cristalli . (A) Nella pressa, il reattore è pressurizzato al punto in cui le viti possono essere allentate a mano. (B) Il reattore sia accuratamente smontato nella cappa aspirante. (C) Gli inserti in PTFE sono ora esaminati per la presenza di cristalliti; Se presenti, questi dovrebbero essere isolati con qualche liquore madre. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 6
Figura 6: Assemblaggio del blocco di filtrazione HT. (A) Parti del blocco di filtrazione e del reattore. Due carte da filtro vengono tagliate per adattarsi al blocco filtro. Il blocco di filtrazione è anche collegato alla pompa per vuoto. (B) Un tappetino sigillante (in silicone) è inserito nel blocco filtrante. (C) Le due carte da filtro sono poste sopra il tappetino di tenuta. (D) Il secondo tappetino di tenuta (in silicone) è inserito nel blocco filtrante. (E) Il blocco di riempimento (in PTFE) è posto sopra i tappetini di tenuta nel blocco filtrante. (F) Un telaio in acciaio è posto sulla parte superiore e fissato con viti alari. Le aperture del filtro inutilizzate sono chiuse con tappi di gomma. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 7
Figura 7: Trasferimento del contenuto degli inserti in PTFE, smontaggio del blocco filtrante e preparazione della libreria di prodotti per la caratterizzazione mediante PXRD . (A) Il portacampioni con gli inserti in PTFE è ora posizionato davanti al blocco filtro. Con l'aiuto di pipette monouso, il contenuto degli inserti in PTFE viene trasferito ai fori corrispondenti del blocco filtrante. (B) Gli inserti in PTFE vengono esaminati una seconda volta per individuare cristalliti non trasferiti. (C) Il blocco filtrante è ora accuratamente smontato. Prestare particolare attenzione a non contaminare i campioni vicini. Ciò può accadere se il blocco filtrante non viene sollevato verticalmente o se metà della carta da filtro rimane attaccata al blocco di filtrazione. (D) La libreria di prodotti su carta filtrante. (E) La libreria del prodotto viene accuratamente rimossa dal blocco di filtrazione e posizionata su una piastra metallica (le informazioni di supporto contengono disegni tecnici; Scheda supplementare 4) in modo tale che i fori siano allineati con le posizioni dei campioni. Due viti vengono utilizzate per fissare la sezione superiore alla piastra inferiore. (F) La libreria dei prodotti è ora fissata tra due piastre metalliche. I singoli prodotti di reazione potrebbero ora essere esaminati una terza volta al microscopio ottico per la presenza di cristalliti. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 8
Figura 8: Misurazione HT-PXRD. (A) Per la misurazione HT-PXRD, la libreria di prodotti tra le piastre metalliche (inferiore) è fissata al supporto del campione (in alto) con due viti. (B) Libreria di prodotti nel portacampioni HT-PXRD. C) Diffrattometro a raggi X a polvere con stadio xy. Il tubo a raggi X è in basso e il rilevatore è in alto a sinistra. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 9
Figura 9: Grafico in pila di tutti i pattern PXRD misurati. I diffrattogrammi sono etichettati secondo la Tabella 1, che contiene i rapporti molari dei reagenti. Le informazioni della tabella 1 sono aggiunte come barre sul lato destro del grafico, evidenziando gli additivi-blu: NaOH; verde: nessun additivo; rosso: HCl-secondo lo schema di colori utilizzato nella tabella 2. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 10
Figura 10: Confronto dei pattern PXRD delle fasi più cristalline con il pattern PXRD calcolato di Al-MIL-9134. Le barre sul lato destro della trama evidenziano gli additivi che sono stati utilizzati: blu: NaOH; verde: nessun additivo; rosso: HCl (secondo lo schema di colori utilizzato nella tabella 2). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 11
Figura 11: Libreria di scoperta e risultati del primo studio HT nel sistema chimico AlCl3∙6H 2 O/H4PMP/NaOH/HCl/H2O. La numerazione segue la numerazione del software del diffrattometro e corrisponde alla Tabella 1, Figura 9 e Figura 10. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Tabella 1: Rapporti molari dei reagenti, concentrazioni delle soluzioni, volumi utilizzati e quantità di linker. La tabella completa è disponibile nelle informazioni di supporto (tabella supplementare 1). Clicca qui per scaricare questa tabella.

Tabella 2: Una forma semplificata della tabella sperimentale, che mostra solo i rapporti molari. Le sintesi 1-6 vengono eseguite con NaOH come additivo (mostrato come strisce bluastre e bianche). Le sintesi 7-12 avvengono senza alcun additivo (strisce verdi e bianche) e le sintesi 13-24 vengono effettuate con HCl come additivo in due diversi rapporti molari al metallo (entrambi con strisce rossastre e bianche). Clicca qui per scaricare questa tabella.

Figura supplementare 1: Schema di colori che rappresenta i rapporti molari. Clicca qui per scaricare questo file.

Tabella supplementare 1: La tabella completa con i rapporti molari, le concentrazioni, i volumi utilizzati e la quantità di linker utilizzato per preparare i reagenti. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 1: I disegni tecnici del reattore a 24 reazioni. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 2: I disegni tecnici del reattore a 48 reazioni. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 3: I disegni tecnici del blocco di filtrazione. Clicca qui per scaricare questo file.

File supplementare 4: I disegni tecnici del portacampioni per HT-PXRD. Clicca qui per scaricare questo file.

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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 flusso di lavoro HT, il DOE, si devono scegliere bene i parametri rilevanti per lo studio per ottenere la massima informazione su un determinato esperimento poiché "un esperimento mal progettato fornirà cattive informazioni con una velocità senza precedenti e in quantità eccezionale"35. Una volta fissati i parametri, il software per fogli di calcolo viene spesso utilizzato per calcolare le quantità di materiali di partenza e le masse e i volumi di solvente. Piccoli errori, ad esempio, nelle masse molari, nelle formule, ecc., si traducono in una serie di parametri di reazione non intenzionali: "semmai, la pianificazione deve essere fatta con ancora più attenzione poiché ora abbiamo la possibilità di andare nella direzione sbagliata più velocemente che mai"35. L'adattamento della metodologia HT alle sintesi solvotermiche utilizzando multiclavi prodotte internamente ha alcune limitazioni generali sui tipi di esperimenti che possono essere eseguiti. La temperatura di lavoro dell'inserto in PTFE è limitata non solo perché il PTFE presenta un elevato scorrimento, ma anche a causa dei processi di degradazione36. Per informazioni sulla temperatura massima di esercizio, è necessario rivolgersi alle informazioni tecniche dei produttori di PTFE. Inoltre, deve essere presa in considerazione la pressione autogena alla temperatura di reazione o la formazione di prodotti di reazione volatili. La pressione può diventare troppo alta per le guarnizioni e possono verificarsi perdite. Per le limitazioni generali dei multiclavi, l'officina di produzione che ha prodotto i reattori dovrebbe essere messa in discussione. I futuri sviluppi nella scienza dei materiali potrebbero espandere gli intervalli di temperatura e pressione accessibili dei recipienti e dei multiclavi in PTFE.

Il secondo passo nel flusso di lavoro HT è il dosaggio di piccole quantità di reagenti. Le soluzioni madre a concentrazioni definite devono essere accuratamente preparate prima di aggiungere le materie prime ai recipienti di reazione, poiché piccoli errori di dosaggio combinati con errori nel dosaggio di piccole quantità possono comportare grandi deviazioni dai rapporti molari specificati delle materie prime19,20. Il dosaggio dei solidi su scala milligrammo è molto impegnativo e quindi devono essere utilizzate bilance altamente precise. Inoltre, devono essere documentate le deviazioni dagli importi specificati (definiti nella sezione 1). L'ordine di dosaggio dei reagenti e dei solventi dovrebbe rimanere sempre lo stesso. Devono essere utilizzati solo materiali di partenza di elevata purezza e le soluzioni di reagenti devono essere preparate al momento (o almeno il giorno della preparazione deve essere documentato), poiché l'invecchiamento può, ad esempio, provocare reazioni di policondensazione o la precipitazione di specie metalliche. In alcuni casi, l'omogeneizzazione delle miscele di reazione è obbligatoria, anche se di solito ciò non viene fatto. L'errore più semplice da fare è quello di essere negligenti quando si riempiono le autoclavi; Poiché può essere molto monotono aggiungere due o più reagenti in quantità diverse ai 24 o 48 vasi di reazione, bisogna essere molto precisi e attenti. L'automazione con robot dosatori eliminerebbe questa fonte di errore, ma l'attrezzatura adatta è complessa e quindi costosa e richiede una manutenzione estesa.

Il terzo passo, la sintesi solvotermica, porta alla formazione dei prodotti sotto un certo programma di temperatura-tempo. I singoli inserti in PTFE, così come l'intero multiclave all'interno di uno studio sistematico, devono essere trattati allo stesso modo. Tempi di invecchiamento diversi (ad esempio, attraverso i tempi di attesa tra il montaggio delle autoclavi e l'immissione in forno) possono avere un impatto sulla formazione del prodotto. Inoltre, la posizione della multiclave nel forno può svolgere un ruolo a causa dei gradienti di temperatura all'interno del forno. Questo è meno importante nei casi in cui vengono utilizzati forni a convezione forzata. Si consiglia inoltre una regolare calibrazione del forno. Per quanto riguarda il programma temperatura-tempo, bisogna tenere presente che ci vogliono ore per riscaldare i multiclavi in acciaio alla temperatura di reazione richiesta, e quindi non si consigliano tempi di reazione brevi di poche ore.

La quarta fase, isolamento e lavorazione del prodotto, viene eseguita manualmente. La contaminazione incrociata durante la fase di filtrazione può portare a valori anomali nelle tendenze che non possono essere spiegati. Soprattutto nella sintesi di materiali porosi, le procedure di workup, incluso il tipo di solventi per il lavaggio o i diversi metodi di asciugatura, dovrebbero essere mantenute le stesse durante tutto lo studio. Si dovrebbe anche ispezionare visivamente i vasi di reazione per i cristalliti sul fondo delle pareti, poiché a volte non vengono trasferiti nella fase di filtrazione.

La quinta fase del flusso di lavoro HT, la caratterizzazione del prodotto, viene eseguita sul prodotto di reazione dalla sezione 4. L'identificazione delle fasi cristalline mediante PXRD e la qualità dei dati possono essere ostacolate dalla quantità, morfologia e cristallinità del prodotto19,20. Piccole quantità producono dati con un ampio rapporto segnale-rumore, mentre grandi quantità possono portare all'assorbimento dei raggi X, specialmente quando il prodotto di reazione contiene elementi pesanti. L'orientamento preferito può essere un problema quando si verificano forme cristalline altamente anisotrope, poiché ciò porta a cambiamenti significativi nelle intensità relative nel modello PXRD. Lo stesso vale per i cristalli di grandi dimensioni, ma di solito si osservano riflessi nitidi di alta intensità. Si consiglia quindi di ispezionare i campioni al microscopio ottico prima della raccolta dei dati e macinare il campione se sono presenti cristalli più grandi. Un altro aspetto da considerare quando si confronta il modello PXRD misurato con quelli calcolati da strutture cristalline note da un database strutturale è il fatto che alcune strutture potrebbero non essere state pubblicate. A volte, sono state pubblicate strutture con parametri cellulari diversi o per composti contenenti diversi solventi o controioni. Un raro caso specifico dei MOF è la loro possibile flessibilità strutturale (cioè la quantità e il tipo di molecola ospite portano a forti cambiamenti della struttura), che si riflette in grandi cambiamenti nelle posizioni e nelle intensità relative nei pattern PXRD. In questi casi, i campioni devono essere trattati allo stesso modo. Inoltre, sono stati riportati anche altri metodi di caratterizzazione HT (reazioni catalitiche, misure di assorbimento di gas), ma PXRD è obbligatorio per la scoperta di nuovi composti cristallini.

L'ultimo passo del flusso di lavoro HT è la valutazione dei dati. A causa di una grande quantità di dati, in questo caso il numero di modelli PXRD, è necessaria un'attenta valutazione, specialmente quando sono presenti miscele di fase. Ciò diventa ancora più difficile man mano che si formano nuovi composti, ma con un po 'di pratica è possibile identificare miscele di fase. Ciò richiede la correlazione dei parametri chimici della prima sezione con i prodotti di reazione risultanti (modelli PXRD); Di solito, le tendenze possono essere identificate tra di loro. Mentre la valutazione dei dati può essere effettuata mediante ispezione visiva dei modelli PXRD, è possibile utilizzare anche un software per l'analisi qualitativa della fase.

Infine, ci sono alcune osservazioni generali sull'uso dei metodi HT. Consentono l'indagine sistematica di campi parametrici complessi e l'estrazione di informazioni sui campi di formazione e sulle tendenze di sintesi. A seconda della configurazione HT disponibile, questo può essere fatto con vari gradi di parallelizzazione, miniaturizzazione e automazione19,20. In tutti i casi, le indagini sono accelerate, il consumo di materie prime è ridotto e la riproducibilità è migliorata riducendo l'errore umano19,20. Un importante vantaggio di molti punti dati è che i valori anomali (cioè i risultati che non corrispondono alle tendenze) indicano che potrebbe esserci stato qualche errore nel dosaggio dei materiali di partenza (ad esempio, quantità errate) o impurità indesiderate nei reattori. Quest'ultimo può facilmente accadere quando si riutilizzano reattori PTFE. Tuttavia, possono verificarsi diverse insidie, che sono correlate ai sei passaggi del flusso di lavoro HT, come menzionato sopra. In generale, si consiglia cautela quando gli errori si propagano, rendendo difficile la riproducibilità. Altri aspetti generali da considerare sono lo scale-up delle reazioni e l'uso di altri sistemi di reattori, che devono essere considerati come parametri di reazione aggiuntivi. Questi possono cambiare la cinetica della reazione, ma in altri casi, ad esempio, per CAU-10 37, lo scale-up e l'uso di altri reattori sono stati realizzati dal millilitro al litro usando PTFE o reattori di vetro37. Lo studio qui presentato è solo un esempio. La metodologia può essere applicata a qualsiasi reazione in soluzione purché vengano rispettati i parametri limitanti.

Mentre vari progetti di reattori sono stati riportati19,20, l'adattamento dei metodi HT in generale è l'unico modo per gestire vasti spazi di parametri sperimentali. Lo sviluppo futuro dei recipienti di reazione e dei multiclavi amplierà lo spazio dei parametri accessibili mediante intervalli di temperatura e pressione accessibili. Inoltre, poiché altri sistemi HT come robot dosatori o sistemi di caratterizzazione HT e nuovi strumenti software diventano più convenienti e facili da usare, sempre più passaggi del flusso di lavoro HT saranno ottimizzati, accelerando così la scoperta di nuovi composti o proprietà sconosciute di composti noti.

Con questo contributo, vogliamo condividere la nostra metodologia in dettaglio con la comunità scientifica.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Il lavoro è stato sostenuto dalla Christian-Albrechts-University, dallo Stato dello Schleswig-Holstein e dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft (in particolare STO-643/2, STO-643/5 e STO-643/10).

Norbert Stock desidera ringraziare gli studenti B.Sc., M.Sc e dottorandi, nonché i partner di cooperazione che hanno realizzato molti progetti interessanti utilizzando la metodologia high-throughput, in particolare il Prof. Bein della Ludwig-Maximilians-Universität di Monaco, che ha svolto un ruolo importante nello sviluppo dei reattori.

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

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References

  1. Kaskel, S. The Chemistry of Metal-Organic Frameworks: Synthesis, Characterization, and Applications. , Wiley-VCH. Weinheim. (2016).
  2. Ding, M., Cai, X., Jiang, H. -L. Improving MOF stability: approaches and applications. Chemical Science. 10 (44), 10209-10230 (2019).
  3. 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).
  4. Shimizu, G. K. H., Vaidhyanathan, R., Taylor, J. M. Phosphonate and sulfonate metal organic frameworks. Chemical Society Reviews. 38 (5), 1430-1449 (2009).
  5. 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).
  6. Devic, T., Serre, C. High valence 3p and transition metal based MOFs. Chemical Society Reviews. 43 (16), 6097-6115 (2014).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Yücesan, G., Zorlu, Y., Stricker, M., Beckmann, J. Metal-organic solids derived from arylphosphonic acids. Coordination Chemistry Reviews. 369, 105-122 (2018).
  12. 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).
  13. Zheng, T., et al. Overcoming the crystallization and designability issues in the ultrastable zirconium phosphonate framework system. Nature Communications. 8, 15369 (2017).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Rhauderwiek, T., et al. Crystalline and permanently porous porphyrin-based metal tetraphosphonates. Chemical Communications. 54 (4), 389-392 (2018).
  17. Steinke, F., et al. Synthesis and structure evolution in metal carbazole diphosphonates followed by electron diffraction. Inorganic Chemistry. 62 (1), 35-42 (2023).
  18. Taddei, M., et al. The first route to highly stable crystalline microporous zirconium phosphonate metal-organic frameworks. Chemical Communications. 50 (94), 14831-14834 (2014).
  19. Stock, N. High-throughput investigations employing solvothermal syntheses. Microporous and Mesoporous Materials. 129 (3), 287-295 (2010).
  20. 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).
  21. Clearfield, A., Demadis, K. Metal Phosphonate Chemistry: From Synthesis to Applications. , RSC Publishing. (2011).
  22. 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).
  23. Yang, L., et al. High-throughput methods in the discovery and study of biomaterials and materiobiology. Chemical Reviews. 121 (8), 4561-4677 (2021).
  24. Banerjee, R., et al. High-throughput synthesis of zeolitic imidazolate frameworks and application to CO2 capture. Science. 319 (5865), 939-943 (2008).
  25. Reinsch, H., Stock, N. High-throughput studies of highly porous Al-based MOFs. Microporous and Mesoporous Materials. 171, 156-165 (2013).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Palomba, J. M., et al. High-throughput screening of solid-state catalysts for nerve agent degradation. Chemical Communications. 54 (45), 5768-5771 (2018).
  29. Reichenau, T. M., et al. Targeted synthesis of an highly stable aluminium phosphonate metal-organic framework showing reversible HCl adsorption. Angewandte Chemie. , (2023).
  30. 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).
  31. STOE & Cie GmbH. WinXPOW v.3.1. STOE & Cie GmbH. , Darmstadt. (2016).
  32. Groom, C. R., Bruno, I. J., Lightfoot, M. P., Ward, S. C. The Cambridge structural database. Acta Crystallographica Section B, Structural Science. Crystal Engineering and Materials. 72, 171-179 (2016).
  33. 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).
  34. Hermer, N., Wharmby, M. T., Stock, N. CCDC 1499757: Experimental Crystal Structure Determination. , (2017).
  35. Cawse, J. N. Experimental Design for Combinatorial and High Throughput Materials Development. , Wiley-Interscience. Hoboken, NJ. (2003).
  36. Dhanumalayan, E., Joshi, G. M. Performance properties and applications of polytetrafluoroethylene (PTFE)-a review. Advanced Composites and Hybrid Materials. 1, 247-268 (2018).
  37. 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).

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Chimica Numero 200
Scoperta e ottimizzazione della sintesi di composti isoreticolari a base di al(III) fosfonato metallo-organico mediante metodi ad alta produttività
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