Поиск и оптимизация синтеза изоретикулярных соединений металлоорганического каркаса на основе Al(III) фосфонатов с использованием высокопроизводительных методов

Summary

Целенаправленный синтез новых металлоорганических каркасов (МОФ) сложен, и их открытие зависит от знаний и творчества химика. Высокопроизводительные методы позволяют быстро и эффективно исследовать сложные поля синтетических параметров, ускоряя процесс поиска кристаллических соединений и выявления синтетических и структурных трендов.

Abstract

Высокопроизводительные методы (HT) являются важным инструментом для быстрого и эффективного скрининга параметров синтеза и открытия новых материалов. В данной работе описан синтез металлоорганических каркасов (МОФ) из раствора с использованием НТ-реакторной системы, в результате которого были обнаружены различные МОФ на основе фосфонатов состава [Al 2 H 12-x(PMP)₃]Cl x∙6H₂O (H 4 PMP = N,N’-пиперазин бис(метиленфосфоновая кислота)) для_x =₄, 6, обозначаемых как Al-CAU-60-xHCl, содержащих ионы трехвалентного алюминия. Это было достигнуто в условиях сольвотермической реакции путем систематического скрининга влияния молярного отношения линкера к металлу и рН реакционной смеси на образование продукта. Протокол исследования ГТ включает в себя шесть этапов: а) планирование синтеза (ДОЭ = дизайн эксперимента) в рамках методологии ГТ, б) дозирование и работа с ГТ-реакторами собственной разработки, в) сольвотермический синтез, г) синтез с использованием фильтрационных блоков собственной разработки, д) определение характеристик методом рентгеновской дифракции порошка ГТ и е) оценка данных. Методология HT впервые была использована для изучения влияния кислотности на образование продукта, что привело к открытию Al-CAU-60∙xHCl (x = 4 или 6).

Introduction

Металлоорганические каркасы (МОФ) представляют собой пористые кристаллические соединения, структура которых состоит из металлосодержащих узлов, таких как ионы металлов или кластеры металл-кислород, которые соединены органическими молекулами (линкерами)¹. Варьируя металлосодержащие узлы, а также линкер, можно получить различные соединения, которые проявляют широкий спектр свойств и, следовательно, имеют потенциальное применение в различных областях¹.

Стабильность материала важна для его применения ^1,2,3. Таким образом, MOFs, содержащие ионы трех- или четырехвалентных металлов, такие как Al 3+, Cr³+, Ti 4+ или Zr ⁴⁺, с молекулами карбоксилата² или фосфоната⁴ линкера, были в центре внимания многих исследований^5,6,7. В дополнение к прямому синтезу стабильных MOF, область интересов представляет повышение стабильности за счет постсинтетических модификаций, а также формирование композитов². МОФ на основе фосфонатов сообщалось реже по сравнению с МОФ на основе карбоксилатов⁸. Одной из причин является более высокая координационная гибкость группы CPO₃ 2- по сравнению с группой –CO ^2-, что часто приводит к образованию плотных структур и большему структурному разнообразию 8,9,10,11. Кроме того, фосфоновые кислоты часто приходится синтезировать, так как они редко доступны на рынке. В то время как некоторые фосфонаты металлов демонстрируют исключительную химическую стабильность¹⁰, систематический доступ к изоретикулярным фосфонатам металлов, который позволяет настраивать свойства, по-прежнему является темой высокой актуальности^12,13. Были исследованы различные стратегии синтеза фосфонатов пористых металлов, такие как включение дефектов в плотные слои, например, путем частичной замены фосфонатов фосфатными лигандами ^4,14. Однако, поскольку дефектные структуры плохо воспроизводимы, а поры неоднородны, были разработаны другие стратегии. В последние годы использование стерически требовательных или ортогонализованных фосфоновых кислот в качестве молекул-линкеров стало подходящей стратегией для получения пористых фосфонатов металлов 4,8,10,11,13,15,16,17,18 . Однако универсальный путь синтеза фосфонатов пористых металлов пока не открыт. В результате синтез фосфонатов металлов часто является процессом проб и ошибок, требующим исследования многих параметров синтеза.

Пространство параметров реакционной системы включает в себя химические и технологические параметры и может быть обширным¹⁹. Он состоит из таких параметров, как тип исходного материала (соль металла), молярные соотношения исходных материалов, добавки для регулировки рН, модуляторы, тип растворителя, смеси растворителей, объемы, температуры реакции, время и т.д.19,20. Умеренное количество вариаций параметров может легко привести к нескольким сотням отдельных реакций, что делает необходимым тщательно продуманный план синтеза и хорошо подобранное пространство параметров. Например, простое исследование с использованием шести молярных соотношений линкера к металлу (например, M:L = 1:1, 1:2, … до 1:6) и четыре различные концентрации добавки и поддержание другого параметра постоянным, приводит уже к 6 x 4 = 24 опытам. Использование четырех концентраций, пяти растворителей и трех температур реакции потребовало бы проведения 24 экспериментов 60 раз, в результате чего было проведено 1440 отдельных реакций.

Высокопроизводительные методы основаны на концепциях миниатюризации, распараллеливания и автоматизации, в той или иной степени в зависимости от рассматриваемого научного вопроса^19,20. Таким образом, они могут быть использованы для ускорения исследования многопараметрических систем и являются идеальным инструментом для открытия новых соединений, а также оптимизации синтеза^19,20. Методы ГТ успешно применяются в различных областях, начиная от разработки лекарств и заканчивая материаловедением²⁰. Они также использовались для исследования пористых материалов, таких как цеолиты и MOF, в сольвотермических реакциях, как недавно обобщено²⁰. Типичный рабочий процесс ГТ для сольвотермического синтеза состоит из шести этапов (рис. 1^)19,20,21: а) выбор интересующего пространства параметров (т.е. планирование эксперимента [DOE])^, который может быть выполнен вручную или с помощью программного обеспечения; б) дозирование реагентов в сосуды; в) сольвотермический синтез; г) изоляция и обследование; д) характеризация, которая обычно выполняется с помощью порошковой рентгеновской дифракции (PXRD); и f) оценка данных, за которой следует первый шаг.

Распараллеливание и миниатюризация достигаются в сольвотермических реакциях за счет использования мультиклавов, часто основанных на хорошо зарекомендовавшем себя 96-луночном формате планшета, наиболее часто используемом в биохимии и фармацевтике 19,20,22,23. Сообщалось о различных проектах реакторов, и несколько групп построили свои собственные реакторы^19,20. Выбор реактора зависит от интересующей химической системы, особенно от температуры реакции, давления (автогенного) и стабильности реактора^19,20. Например, в систематическом исследовании цеолитических имидазолатных каркасов (ZIF) Banerjee et al.²⁵ использовали 96-луночный формат стеклянных пластин для выполнения более 9600 реакций²⁴. Для реакций в сольвотермических условиях специализированные блоки из политетрафторэтилена (ПТФЭ) или мультиклавы с 24 или 48 отдельными вставками из ПТФЭ были описаны, среди прочего, группой Стока^19,20. Они обычно используются, например, в синтезе карбоксилатов и фосфонатов металлов. Таким образом, Reinsch et al.²⁵ сообщили о преимуществах методики в области пористых алюминиевых МОФ²⁵. Системы HT-реакторов собственного производства (рис. 2), позволяющие одновременно исследовать 24 или 48 реакций, содержат фторопластовые вставки общим объемом 2,655 мл и 0,404 мл соответственно (рис. 2А,Б). Обычно используется не более 1 мл или 0,1 мл соответственно. В то время как эти реакторы используются в обычных печах, также сообщалось о микроволновом нагреве с использованием блоков SiC и небольших стеклянных сосудов²⁶.

Автоматизация исследований приводит к экономии времени и повышению воспроизводимости, так как влияние человеческого фактора сведено к минимуму²⁰. Степень использования автоматизации сильно варьируется^19,20. Известны полностью автоматизированные коммерческие системы, в том числе дозирование 20 или взвешивание²⁰. Недавний пример — использование робота, работающего с жидкостями, для изучения ZrMOFs, о чем сообщила группа Rosseinsky²⁷. Автоматизированный анализ может быть выполнен с помощью дифрактометра, оснащенного каскадом xy. В другом примере планшетный ридер использовался для скрининга твердотельных катализаторов, в основном MOF, для HT-скрининга деградации нервно-паралитического вещества²⁸. Образцы могут быть охарактеризованы за один прогон без необходимости ручного отбора проб или изменения положения. Автоматизация не исключает человеческий фактор, но снижает вероятность его возникновения^19,20.

В идеале все этапы рабочего процесса HT должны быть адаптированы с точки зрения распараллеливания, миниатюризации и автоматизации, чтобы устранить возможные узкие места и максимизировать эффективность. Однако, если невозможно создать рабочий процесс HT в полном объеме, может быть полезно использовать отдельные шаги/инструменты для собственных исследований. Использование мультиклавов для 24 реакций здесь особенно полезно. Технические чертежи оборудования собственного производства, использованного в данном исследовании (а также в других исследованиях), публикуются впервые и могут быть найдены в Дополнительном файле 1, Дополнительном файле 2, Дополнительном файле 3 и Дополнительном файле 4.

Protocol

В этом протоколе описывается HT-исследование химических систем с целью обнаружения новых кристаллических материалов на примере Al-CAU-6029 . 1. Планирование эксперимента (DOE) ПРИМЕЧАНИЕ: Первым шагом является разработка плана синтеза, котор?…

Representative Results

Данные PXRD показаны на рисунке 9. Для первой оценки полученные результаты связываются с параметрами синтеза исследуемого пространства параметров. Исследование проводили с использованием шести различных молярных соотношений линкера к металлу и четырех различных моляр?…

Discussion

Из-за сложности метода HT отдельные этапы и сам метод обсуждаются в следующих разделах. В первой части описываются критические этапы для каждого рабочего этапа рабочего процесса HT (рис. 1), возможные модификации и ограничения метода, где это применимо. В заключение предст?…

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