고처리량 방법을 사용한 isoreticular al(III) phosphonate 기반 금속-유기 프레임워크 화합물의 발견 및 합성 최적화

Summary

새로운 금속-유기 프레임워크(MOF)의 표적 합성은 어렵고 그 발견은 화학자의 지식과 창의성에 달려 있습니다. 고처리량 분석법을 사용하면 복잡한 합성 파라미터 필드를 빠르고 효율적으로 탐색할 수 있어 결정질 화합물을 찾고 합성 및 구조적 추세를 식별하는 프로세스를 가속화할 수 있습니다.

Abstract

고처리량(HT) 분석법은 합성 파라미터의 빠르고 효율적인 스크리닝과 새로운 물질 발견을 위한 중요한 도구입니다. 이 원고는 HT 반응기 시스템을 사용하여 용액에서 금속-유기 프레임워크(MOF)의 합성을 설명하며, 그 결과 3가 알루미늄 이온을 포함하는 Al-CAU-60-xHCl로 표기되는 조성 [Al 2H_12-x(PMP)3]Cl_x∙6H_2O(H₄PMP = N,N ‘-piperazine bis(methylenephosphonic acid_))의 다양한 포스포네이트 기반 MOF를 발견했습니다. 이는 용매열 반응 조건 하에서 생성물 형성에 대한 금속에 대한 링커의 몰비 및 반응 혼합물의 pH의 영향을 체계적으로 스크리닝함으로써 달성되었다. HT 조사를 위한 프로토콜에는 a) HT 방법론 내 합성 계획(DOE = 실험 설계), b) 자체 개발한 HT 반응기 투여 및 작업, c) 용매열 합성, d) 자체 개발한 여과 블록을 사용한 합성 정밀 검사, e) HT 분말 X선 회절에 의한 특성화, f) 데이터 평가. HT 방법론은 산도가 생성물 형성에 미치는 영향을 연구하는 데 처음 사용되어 Al-CAU-60∙xHCl(x = 4 또는 6)의 발견으로 이어졌습니다.

Introduction

금속-유기 프레임워크(MOF)는 구조가 유기 분자(링커)로 연결된 금속 이온 또는 금속-산소 클러스터와 같은 금속 함유 노드로 구성된 다공성 결정질 화합물입니다^.1. 링커뿐만 아니라 금속 함유 노드를 변화시킴으로써, 광범위한 특성을 나타내므로 다양한 분야에서 잠재적인 응용을 갖는 다양한 화합물을 얻을 수 있다¹.

재료의 안정성은 적용 ^1,2,3에 중요합니다. 따라서, 카르복실레이트² 또는 포스포네이트 4 링커 분자와 함께 Al 3+, Cr³⁺, Ti 4+ 또는 Zr⁴⁺와 같은 3가 또는⁴가 금속 이온을 함유하는 MOF는 많은 연구의 초점이 되었다 5,6,7. 안정적인 MOF의 직접 합성 외에도 합성 후 변형을 통한 안정성 향상과 복합재 형성이 관심 분야입니다². 포스포네이트 기반 MOF는 카르복실레이트 기반 MOF에 비해 덜 자주 보고되었다⁸. 한 가지 이유는 –_CO2– 그룹에 비해_CPO3^2- 그룹의 더 높은 배위 유연성이며, 이는 종종 조밀한 구조의 형성 및 더 큰 구조적 다양성을 초래한다(8,9,10,11). 또한, 포스 폰산은 시장에서 거의 구할 수 없기 때문에 종종 합성되어야합니다. 일부 금속 포스포네이트는 탁월한 화학적 안정성을 나타내지만¹⁰), 특성의 조정을 가능하게 하는 이소레큘러 금속 포스포네이트 MOF에 대한 체계적인 접근은 여전히 높은 관련성의 주제이다^12,13. 다공성 금속 포스포네이트의 합성을 위한 상이한 전략이 조사되었는데, 예를 들어, 포스포네이트를 포스페이트 리간드로 부분적으로 대체함으로써 결함을 다른 조밀한 층에 통합하는 것과 같은 것이다 ^4,14. 그러나 결함이 있는 구조는 재현성이 낮고 기공이 균일하지 않기 때문에 다른 전략이 개발되었습니다. 최근 몇 년 동안, 링커 분자로서 입체적으로 요구되거나 직교 포닉 산의 사용이 다공성 금속 포스포네이트의 제조를 위한 적합한 전략으로서 등장하였다 4,8,10,11,13,15,16,17,18 . 그러나, 다공성 금속 포스포네이트에 대한 보편적인 합성 경로는 아직 발견되지 않았다. 결과적으로, 금속 포스포네이트의 합성은 종종 시행착오의 과정이며, 많은 합성 파라미터에 대한 조사가 필요합니다.

반응 시스템의 파라미터 공간은 화학 및 공정 파라미터를 포함하며 방대할 수 있다¹⁹. 출발 물질 (금속염)의 유형, 출발 물질의 몰 비율, pH 조절을위한 첨가제, 조절제, 용매 유형, 용매 혼합물, 부피, 반응 온도, 시간 등과 같은 매개 변수로 구성됩니다.^19,20. 적당한 수의 파라미터 변형은 수백 개의 개별 반응을 쉽게 초래할 수 있으므로 신중하게 고려된 합성 계획과 잘 선택된 파라미터 공간이 필요합니다. 예를 들어, 링커와 금속의 6개 몰비를 사용하는 간단한 연구(예: M:L = 1:1, 1:2, … 1:6) 및 첨가제의 4가지 상이한 농도 및 다른 파라미터를 일정하게 유지하고, 이미 6 x 4 = 24 실험으로 이어진다. 4가지 농도, 5가지 용매 및 3가지 반응 온도를 사용하려면 24개의 실험을 60번 수행해야 하므로 1,440개의 개별 반응이 발생합니다.

고처리량(HT) 방법은 소형화, 병렬화 및 자동화의 개념을 기반으로 하며, 해결되는 과학적 질문에 따라 다양한 정도가 있습니다^19,20. 따라서 다중 파라미터 시스템의 조사를 가속화하는 데 사용할 수 있으며 합성 최적화^19,20뿐만 아니라 새로운 화합물의 발견에 이상적인 도구입니다. HT 분석법은 신약 개발에서 재료 과학에 이르기까지 다양한 분야에서 성공적으로 사용되어 왔다²⁰. 그들은 또한 용매열 반응에서 제올라이트 및 MOF와 같은 다공성 물질의 조사에 사용되었으며, 최근^{요약된 바와 같이 20}. 용매열 합성을 위한 일반적인 HT 워크플로우는 6단계로 구성됩니다(그림 1)19,20,21: a) 수동으로 또는 소프트웨어를 사용하여 수행할 수 있는 관심 매개변수 공간(즉^, 실험 설계[DOE]) 선택; b) 시약을 용기 내로 투여하는 단계; c) 용매열 합성; d) 격리 및 정밀 검사; e) 전형적으로 분말 X선 회절(PXRD)로 수행되는 특성화; f) 데이터 평가, 다시 1단계가 뒤따릅니다.

병렬화 및 소형화는 종종 생화학 및 약학 19,20,22,23에서 가장 일반적으로 사용되는 잘 정립된 96웰 플레이트 형식을 기반으로 하는 멀티클레이브를 사용하여 용매열 반응에서 달성됩니다. 다양한 원자로 설계가 보고되었으며 여러 그룹이 자체 원자로를 건설했습니다^(19,20). 반응기 선택은 관심 있는 화학 시스템, 특히 반응 온도, (자생) 압력 및 반응기 안정성^19,20에 따라 달라집니다. 예를 들어, 제올라이트 이미다졸레이트 프레임워크(ZIF)에 대한 체계적인 연구에서 Banerjee et al.²⁵는 96-웰 유리판 포맷을 사용하여 9600회 이상의 반응을 수행하였다(²⁴). 용매열 조건에서의 반응의 경우, 맞춤형 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 블록 또는 24개 또는 48개의 개별 PTFE 인서트가 있는 멀티클레이브가 스톡 그룹^19,20에 의해 설명되었습니다. 예를 들어, 금속 카르복실레이트 및 포스포네이트의 합성에 일상적으로 사용됩니다. 따라서 Reinsch et al.²⁵는 다공성 알루미늄 MOF²⁵ 분야에서 방법론의 장점을 보고했습니다. 24개 또는 48개의 반응을 동시에 연구할 수 있는 자체 제작 HT 반응기 시스템(그림 2)에는 각각 총 부피가 2.655mL 및 0.404mL인 PTFE 인서트가 포함되어 있습니다(그림 2A, B). 일반적으로 각각 1mL 또는 0.1mL 이하로 사용됩니다. 이 반응기는 기존의 오븐에서 사용되지만 SiC 블록과 작은 유리 용기를 사용하는 마이크로파 보조 가열도 보고되었습니다²⁶.

연구의 자동화는 인적 요소의 영향을 최소화하기 때문에 시간을 절약하고 재현성을 향상시킵니다²⁰. 자동화가 사용 된 정도는 매우 다양합니다^19,20. 피펫팅^{(pipetting)(20}) 또는 가중(weighting) 능력^{(weighting capability)(20})을 포함하는 완전 자동화된 상용 시스템이 공지되어 있다. 최근의 예는 Rosseinsky²⁷ 그룹이보고 한 ZrMOF를 연구하기 위해 액체 처리 로봇을 사용하는 것입니다. PXRD는 xy 스테이지가 장착된 회절분석기를 사용하여 자동 분석을 수행할 수 있습니다. 또 다른 예에서, 플레이트 판독기를 사용하여 신경작용제 분해의 HT 스크리닝을 위해 고체 상태 촉매, 주로 MOF를 스크리닝하였다²⁸. 시료는 수동 시료 또는 위치 변경 없이 단일 실행으로 특성화할 수 있습니다. 자동화는 인적 오류를 제거하지는 않지만^19,20 발생 가능성을 줄입니다.

이상적으로는 HT 워크플로의 모든 단계를 병렬화, 소형화 및 자동화 측면에서 조정하여 가능한 병목 현상을 제거하고 효율성을 극대화해야 합니다. 그러나 HT 워크플로우를 완전히 구축할 수 없는 경우 자체 연구를 위해 선택한 단계/도구를 채택하는 것이 도움이 될 수 있습니다. 24 개의 반응에 멀티 클레이브를 사용하는 것이 특히 유용합니다. 본 연구에 사용된 자체 제작 장비의 기술 도면(및 기타)은 처음으로 게시되며 보충 파일 1, 보충 파일 2, 보충 파일 3 및 보충 파일 4에서 찾을 수 있습니다.

Protocol

이 프로토콜에서는 Al-CAU-6029 를 예로 들어 새로운 결정질 물질을 발견하기 위한 화학 시스템의 HT 조사에 대해 설명합니다. 1. 실험계획법(DOE) 참고: 첫 번째 단계는 반응기 설정(그림 2), 반응물 및 사용된 용매에 대한 지식이 필요한 합성 계획을 설정하는 것입니다. 이 합성 계획 절차는 특정 온도-시간 프…

Representative Results

PXRD 데이터는 그림 9에 나와 있습니다. 첫 번째 평가의 경우 얻은 결과는 조사된 매개변수 공간의 합성 매개변수에 연결됩니다. 조사는 링커와 금속의 6가지 몰비와 NaOH/HCl과 Al3+의 4가지 몰비를 사용하여 수행되었습니다. 이 정보를 얻은 PXRD 데이터(그림 9)와 연결하면 NaOH:Al3+ 의 몰비가 1:1(시리즈 A1 – A6)이고 NaOH 또는 HCl이 없는 경우(시?…

Discussion

HT 방법의 복잡성으로 인해 개별 단계와 방법 자체는 다음 섹션에서 설명합니다. 첫 번째 부분에서는 HT 워크플로의 각 작업 단계(그림 1)에 대한 중요한 단계, 가능한 수정 사항 및 해당되는 경우 기술의 제한 사항에 대해 설명합니다. 마지막으로, 기존 방법 및 향후 적용에 대한 HT 방법의 중요성을 포함하는 일반적인 논의가 제시됩니다.

HT 워크플로의 ?…

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