Descoberta e Otimização da Síntese de Compostos Metal-Orgânicos Isoreticulares à Base de Al(III) Fosfonato Usando Métodos de Alto Rendimento

Summary

A síntese direcionada de novos frameworks metal-orgânicos (MOFs) é difícil, e sua descoberta depende do conhecimento e criatividade do químico. Métodos de alto rendimento permitem que campos de parâmetros sintéticos complexos sejam explorados de forma rápida e eficiente, acelerando o processo de encontrar compostos cristalinos e identificar tendências sintéticas e estruturais.

Abstract

Os métodos de alto rendimento (HT) são uma ferramenta importante para a triagem rápida e eficiente dos parâmetros de síntese e a descoberta de novos materiais. Este manuscrito descreve a síntese de estruturas metal-orgânicas (MOFs) a partir de solução usando um sistema de reator HT, resultando na descoberta de vários MOFs à base de fosfonatos da composição [Al 2 H 12-x(PMP)₃]Cl x∙6H₂O (H 4PMP = N,N ‘-piperazina bis(ácido metilenofosfônico)) para_x =₄, 6, denotado como Al-CAU-60-xHCl, contendo íons trivalentes de alumínio. Isto foi realizado sob condições de reação solvotérmica através da triagem sistemática do impacto da razão molar do ligante ao metal e do pH da mistura reacional na formação do produto. O protocolo para a investigação da HT inclui seis etapas: a) planejamento da síntese (DOE = planejamento do experimento) dentro da metodologia HT, b) dosagem e trabalho com reatores HT desenvolvidos internamente, c) síntese solvotérmica, d) investigação da síntese usando blocos de filtração desenvolvidos internamente, e) caracterização por difração de raios X do pó HT e f) avaliação dos dados. A metodologia HT foi primeiramente utilizada para estudar a influência da acidez na formação do produto, levando à descoberta do Al-CAU-60∙xHCl (x = 4 ou 6).

Introduction

Estruturas metal-orgânicas (MOFs) são compostos porosos, cristalinos, cujas estruturas consistem em nós contendo metais, como íons metálicos ou aglomerados metal-oxigênio, que são conectados por moléculas orgânicas (ligantes)¹. Variando-se os nós contendo metais e o ligante, pode-se obter uma variedade de compostos que exibem uma ampla gama de propriedades e, portanto, têm aplicações potenciais em diferentes campos¹.

A estabilidade de um material é importante para sua aplicação ^1,2,3. Portanto, MOFs contendo íons metálicos trivalentes ou tetravalentes, como Al 3+, Cr³+, Ti 4+ ou Zr⁴⁺, com moléculas ligantes de carboxilato² ou fosfonato⁴ têm sido foco de muitas investigações5,6,7. Além da síntese direta de MOFs estáveis, o aumento da estabilidade através de modificações pós-sintéticas, bem como a formação de compósitos é um campo de interesse². MOFs à base de fosfonatos têm sido relatados com menos frequência em comparação com MOFs à base de carboxilato⁸. Um dos motivos é a maior flexibilidade de coordenação do grupo CPO₃ 2- em relação ao grupo -CO₂^–, o que muitas vezes leva à formação de estruturas densas e maior diversidade estrutural 8,9,10,11. Além disso, os ácidos fosfônicos muitas vezes devem ser sintetizados, pois raramente estão disponíveis no mercado. Enquanto alguns fosfonatos metálicos exibem excepcional estabilidade química¹⁰, o acesso sistemático a FOMs isoreticulares de fosfonatos metálicos, que permite a sintonia de propriedades, ainda é um tópico de alta relevância^12,13. Diferentes estratégias para a síntese de fosfonatos metálicos porosos têm sido investigadas, como a incorporação de defeitos em camadas densas, por exemplo, substituindo parcialmente o fosfonato por ligantes fosfatados ^4,14. Entretanto, como estruturas defeituosas são pouco reprodutíveis e os poros não são uniformes, outras estratégias têm sido desenvolvidas. Nos últimos anos, o uso de ácidos fosfônicos estericamente exigentes ou ortogonalizados como moléculas ligantes tem emergido como uma estratégia adequada para a preparação de fosfonatos de metais porosos 4,8,10,11,13,15,16,17,18 . No entanto, uma rota de síntese universal para fosfonatos de metais porosos ainda não foi descoberta. Como resultado, a síntese de fosfonatos metálicos é frequentemente um processo de tentativa e erro, exigindo a investigação de muitos parâmetros de síntese.

O espaço paramétrico de um sistema de reação inclui parâmetros químicos e de processo e pode ser vasto¹⁹. É composto por parâmetros como o tipo de material de partida (sal metálico), razões molares dos materiais de partida, aditivos para ajuste de pH, moduladores, tipo de solvente, misturas de solventes, volumes, temperaturas de reação, tempos, ^etc.19,20. Um número moderado de variações de parâmetros pode facilmente resultar em várias centenas de reações individuais, tornando necessário um plano de síntese cuidadosamente considerado e um espaço de parâmetros bem escolhido. Por exemplo, um estudo simples usando seis razões molares do ligante para o metal (por exemplo, M:L = 1:1, 1:2, … a 1:6) e quatro concentrações diferentes de um aditivo e mantendo o outro parâmetro constante, leva já a 6 x 4 = 24 experimentos. Usando quatro concentrações, cinco solventes e três temperaturas de reação, seria necessário realizar os 24 experimentos 60 vezes, resultando em 1.440 reações individuais.

Os métodos de alto rendimento (HT) baseiam-se nos conceitos de miniaturização, paralelização e automação, em graus variáveis dependendo da questão científica abordada^19,20. Como tal, podem ser utilizados para acelerar a investigação de sistemas multiparamétricos e são uma ferramenta ideal para a descoberta de novos compostos, bem como para a otimização da síntese^19,20. Os métodos de TH têm sido utilizados com sucesso em diferentes campos, desde a descoberta de fármacos até a ciência dos materiais²⁰. Eles também têm sido utilizados para a investigação de materiais porosos como zeólitas e MOFs em reações solvotérmicas, como recentemente resumido²⁰. Um fluxo de trabalho típico de HT para síntese solvotérmica consiste em seis etapas (Figura 1)19,20,21: a) seleção do espaço de parâmetros de interesse (i.e.^, o planejamento do experimento [DOE]), que pode ser feito manualmente ou usando software; b) dosagem dos reagentes nos recipientes; c) síntese solvotérmica; d) isolamento e propedêutica; e) caracterização, que normalmente é feita com difração de raios X do pó (PXRD); e f) avaliação dos dados, que é seguida novamente pelo primeiro passo.

Paralelização e miniaturização são obtidas em reações solvotérmicas através do uso de multiclaves, muitas vezes baseadas no bem estabelecido formato de placa de 96 poços mais comumente usado em bioquímica e farmácia 19,20,22,23. Vários projetos de reatores têm sido relatados e vários grupos construíram seus próprios reatores^19,20. A escolha do reator depende do sistema químico de interesse, especialmente da temperatura de reação, da pressão (autógena) e da estabilidade do reator^19,20. Por exemplo, em um estudo sistemático de estruturas de imidazolatos zeolíticos (ZIFs), Banerjee et al.²⁵ utilizaram o formato de placa de vidro de 96 poços para realizar mais de 9600 reações²⁴. Para reações em condições solvotérmicas, blocos personalizados de politetrafluoretileno (PTFE), ou multiclaves com 24 ou 48 insertos individuais de PTFE, foram descritos, entre outros, pelo grupo Stock^19,20. São rotineiramente empregados, por exemplo, na síntese de carboxilatos metálicos e fosfonatos. Assim, Reinsch et al.²⁵ relataram as vantagens da metodologia no campo de MOFs de alumínio poroso²⁵. Os sistemas próprios de reatores HT (Figura 2), que permitem o estudo simultâneo de 24 ou 48 reações, contêm insertos de PTFE com volume total de 2,655 mL e 0,404 mL, respectivamente (Figura 2A,B). Geralmente, não mais do que 1 mL ou 0,1 mL, respectivamente, é usado. Embora esses reatores sejam usados em fornos convencionais, o aquecimento assistido por micro-ondas usando blocos de SiC e pequenos vasos de vidro também foi relatado²⁶.

A automatização dos estudos leva à economia de tempo e melhora da reprodutibilidade, uma vez que a influência do fator humano é^minimizada20. O grau de utilização da automação varia fortemente^19,20. Sistemas comerciais totalmente automatizados, incluindo pipetagem 20 ou capacidades de ponderação²⁰, são conhecidos. Um exemplo recente é o uso de um robô manipulador de líquidos para estudar ZrMOFs, relatado pelo grupo de Rosseinsky²⁷. A análise automatizada pode ser realizada por PXRD usando um difratômetro equipado com um estágio xy. Em outro exemplo, um leitor de placas foi usado para triagem de catalisadores de estado sólido, principalmente MOFs, para triagem HT da degradação de agentes nervosos²⁸. As amostras podem ser caracterizadas em uma única corrida sem a necessidade de amostragem manual ou mudanças de posição. A automação não elimina o erro humano, mas reduz a possibilidade de sua ocorrência^19,20.

Idealmente, todas as etapas de um fluxo de trabalho HT devem ser adaptadas em termos de paralelização, miniaturização e automação para eliminar possíveis gargalos e maximizar a eficiência. No entanto, se não for possível estabelecer um fluxo de trabalho de TC em sua totalidade, pode ser útil adotar etapas/ferramentas selecionadas para a própria pesquisa. O uso de multiclaves para 24 reações é particularmente útil aqui. Os desenhos técnicos dos equipamentos internos utilizados neste estudo (assim como outros) são publicados pela primeira vez e podem ser encontrados em Arquivo Suplementar 1, Arquivo Suplementar 2, Arquivo Suplementar 3 e Arquivo Suplementar 4.

Protocol

Neste protocolo, descreve-se a investigação HT de sistemas químicos para descoberta de novos materiais cristalinos, utilizando como exemplo oAl-CAU-60 29 . 1. Planejamento do Experimento (DOE) NOTA: O primeiro passo é estabelecer um plano de síntese, que requer conhecimento da configuração do reator (Figura 2), reagentes e solventes utilizados. Este procedimento de planejamento de síntese ?…

Representative Results

Os dados do PXRD são mostrados na Figura 9. Para a primeira avaliação, os resultados obtidos estão ligados aos parâmetros de síntese do espaço de parâmetros investigado. A investigação foi realizada usando seis razões molares diferentes de ligante para metal e quatro razões molares diferentes de NaOH/HCl para Al3+. Relacionando essas informações com os dados de PXRD obtidos (Figura 9), pode-se observar que produtos de baixa cristalinidad…

Discussion

Devido à complexidade do método HT, as etapas individuais e o método em si são discutidos nas seções a seguir. A primeira parte aborda as etapas críticas para cada etapa de trabalho do fluxo de trabalho do HT (Figura 1), possíveis modificações e limitações da técnica, quando aplicável. Ao final, uma discussão geral também incluindo a importância do método HT em relação aos métodos existentes e aplicações futuras é apresentada.

Na primeira …

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