Descubrimiento y optimización de la síntesis de compuestos metal-orgánicos basados en fosfonato de Al(III) isorreticular utilizando métodos de alto rendimiento

Summary

La síntesis dirigida de nuevos marcos metal-orgánicos (MOF) es difícil, y su descubrimiento depende del conocimiento y la creatividad del químico. Los métodos de alto rendimiento permiten explorar campos de parámetros sintéticos complejos de forma rápida y eficiente, acelerando el proceso de búsqueda de compuestos cristalinos e identificando tendencias sintéticas y estructurales.

Abstract

Los métodos de alto rendimiento (HT) son una herramienta importante para el cribado rápido y eficiente de los parámetros de síntesis y el descubrimiento de nuevos materiales. Este manuscrito describe la síntesis de estructuras metal-orgánicas (MOFs) a partir de una solución utilizando un sistema de reactor HT, lo que resulta en el descubrimiento de varios MOF basados en fosfonatos de la composición [Al 2 H 12-x(PMP)₃]Cl x∙6H₂O (H4 PMP = N,N ‘-piperazina bis(ácido metilenofosfónico)) para_x =₄, 6, denotado como Al-CAU-60-xHCl, que contiene iones de aluminio trivalentes. Esto se logró en condiciones de reacción solvotérmica mediante el cribado sistemático del impacto de la relación molar del enlazador con el metal y el pH de la mezcla de reacción en la formación del producto. El protocolo para la investigación de la HT incluye seis pasos: a) planificación de la síntesis (DOE = diseño del experimento) dentro de la metodología de la HT, b) dosificación y trabajo con reactores de HT desarrollados internamente, c) síntesis solvotérmica, d) elaboración de la síntesis utilizando bloques de filtración desarrollados internamente, e) caracterización por difracción de rayos X de polvo de HT y f) evaluación de los datos. La metodología HT se utilizó por primera vez para estudiar la influencia de la acidez en la formación del producto, lo que llevó al descubrimiento del Al-CAU-60∙xHCl (x = 4 o 6).

Introduction

Los marcos metal-orgánicos (MOF) son compuestos porosos y cristalinos cuyas estructuras consisten en nodos que contienen metales, como iones metálicos o grupos de metal-oxígeno, que están conectados por moléculas orgánicas (enlazadores)¹. Al variar los nodos que contienen metal, así como el enlazador, se puede obtener una variedad de compuestos que exhiben una amplia gama de propiedades y, por lo tanto, tienen aplicaciones potenciales en diferentes campos¹.

La estabilidad de un material es importante para su aplicación ^1,2,3. Por lo tanto, los MOF que contienen iones metálicos tri- o tetravalentes, como Al 3+, Cr³+, Ti 4+ o Zr⁴⁺, con moléculas enlazadoras de carboxilato² o fosfonato⁴ han sido el foco de muchas investigaciones^5,6,7. Además de la síntesis directa de MOF estables, la mejora de la estabilidad a través de modificaciones postsintéticas, así como la formación de materiales compuestos, es un campo de interés². Los MOF a base de fosfonatos se han notificado con menos frecuencia en comparación con los MOF a base de carboxilato⁸. Una de las razones es la mayor flexibilidad de coordinación del grupo CPO₃ 2- en comparación con el grupo -CO₂^–, lo que a menudo conduce a la formación de estructuras densas y a una mayor diversidad estructural 8,9,10,11. Además, los ácidos fosfónicos a menudo deben sintetizarse, ya que rara vez están disponibles en el mercado. Si bien algunos fosfonatos metálicos exhiben una estabilidad química excepcional¹⁰, el acceso sistemático a los MOF de fosfonatos metálicos isorreticulares, que permite el ajuste de propiedades, sigue siendo un tema de gran relevancia^12,13. Se han investigado diferentes estrategias para la síntesis de fosfonatos metálicos porosos, como la incorporación de defectos en capas que de otro modo serían densas, por ejemplo, mediante la sustitución parcial de fosfonatos por ligandos de fosfato ^4,14. Sin embargo, como las estructuras defectuosas son poco reproducibles y los poros no son uniformes, se han desarrollado otras estrategias. En los últimos años, el uso de ácidos fosfónicos estéricamente exigentes u ortogonalizados como moléculas enlazadoras ha surgido como una estrategia adecuada para la preparación de fosfonatos metálicos porosos 4,8,10,11,13,15,16,17,18 . Sin embargo, aún no se ha descubierto una ruta de síntesis universal para los fosfonatos metálicos porosos. Como resultado, la síntesis de fosfonatos metálicos es a menudo un proceso de prueba y error, que requiere la investigación de muchos parámetros de síntesis.

El espacio de parámetros de un sistema de reacción incluye parámetros químicos y de proceso y puede ser vasto¹⁹. Consta de parámetros como el tipo de material de partida (sal metálica), las relaciones molares de los materiales de partida, los aditivos para el ajuste del pH, los moduladores, el tipo de disolvente, las mezclas de disolventes, los volúmenes, las temperaturas de reacción, los tiempos, ^etc.19,20. Un número moderado de variaciones de parámetros puede dar lugar fácilmente a varios cientos de reacciones individuales, lo que hace necesario un plan de síntesis cuidadosamente considerado y un espacio de parámetros bien elegido. Por ejemplo, un estudio simple utilizando seis relaciones molares del enlazador con el metal (por ejemplo, M:L = 1:1, 1:2, … a 1:6) y cuatro concentraciones diferentes de un aditivo y manteniendo constante el otro parámetro, lleva ya a 6 x 4 = 24 experimentos. El uso de cuatro concentraciones, cinco disolventes y tres temperaturas de reacción requeriría llevar a cabo los 24 experimentos 60 veces, lo que daría como resultado 1.440 reacciones individuales.

Los métodos de alto rendimiento (HT) se basan en los conceptos de miniaturización, paralelización y automatización, en diversos grados dependiendo de la cuestión científica que se aborde^19,20. Como tales, pueden utilizarse para acelerar la investigación de sistemas multiparamétricos y son una herramienta ideal para el descubrimiento de nuevos compuestos, así como para la optimización de la síntesis ^19,20. Los métodos de HT se han utilizado con éxito en diferentes campos, que van desde el descubrimiento de fármacos hasta la ciencia de los materiales²⁰. También se han utilizado para la investigación de materiales porosos como zeolitas y MOF en reacciones solvotérmicas, como se ha resumido recientemente²⁰. Un flujo de trabajo típico de HT para la síntesis solvotérmica consta de seis pasos (Figura 1)19,20,21: a) selección del espacio de parámetros de interés (es decir^, el diseño del experimento [DOE]), que se puede realizar manualmente o mediante el uso de software; b) dosificación de los reactivos en los recipientes; c) síntesis solvotérmica; d) aislamiento y análisis; e) caracterización, que normalmente se realiza con difracción de rayos X en polvo (PXRD); y f) la evaluación de los datos, a la que sigue de nuevo el primer paso.

La paralelización y la miniaturización se logran en reacciones solvotérmicas mediante el uso de multiclaves, a menudo basadas en el formato de placa de 96 pocillos bien establecido más comúnmente utilizado en bioquímica y farmacia 19,20,22,23. Se han reportado varios diseños de reactores y varios grupos han construido sus propios reactores ^19,20. La elección del reactor depende del sistema químico de interés, especialmente de la temperatura de reacción, la presión (autógena) y la estabilidad del reactor^19,20. Por ejemplo, en un estudio sistemático de marcos de imidazolato zeolítico (ZIF), Banerjee et al.²⁵ utilizaron el formato de placa de vidrio de 96 pocillos para realizar más de 9600 reacciones²⁴. Para reacciones en condiciones solvotérmicas, el grupo Stock ha descrito bloques de politetrafluoroetileno (PTFE) personalizados, o multiclaves con 24 o 48 insertos individuales de PTFE, entre otros, por el grupo Stock^19,20. Se emplean habitualmente, por ejemplo, en la síntesis de carboxilatos metálicos y fosfonatos. Así, Reinsch et al.²⁵ informaron de las ventajas de la metodología en el campo de los MOF de aluminio poroso²⁵. Los sistemas de reactores HT de fabricación propia (Figura 2), que permiten estudiar simultáneamente 24 o 48 reacciones, contienen insertos de PTFE con un volumen total de 2,655 mL y 0,404 mL, respectivamente (Figura 2A, B). Por lo general, no se utiliza más de 1 ml o 0,1 ml, respectivamente. Si bien estos reactores se utilizan en hornos convencionales, también se ha informado de calentamiento asistido por microondas utilizando bloques de SiC y pequeñas vasijas^{de vidrio 26}.

La automatización de los estudios supone un ahorro de tiempo y una mejora de la reproducibilidad, ya que se minimiza la influencia del factor humano²⁰. El grado de utilización de la automatización varía considerablemente^19,20. Se conocen sistemas comerciales totalmente automatizados, como el pipeteo 20 o las capacidades de pesaje²⁰. Un ejemplo reciente es el uso de un robot de manejo de líquidos para estudiar los ZrMOFs, reportado por el grupo de Rosseinsky²⁷. El análisis automatizado puede ser realizado por PXRD utilizando un difractómetro equipado con una platina xy. En otro ejemplo, se utilizó un lector de placas para el cribado de catalizadores de estado sólido, principalmente MOFs, para el cribado HT de la degradación del agente nervioso²⁸. Las muestras se pueden caracterizar en una sola ejecución sin necesidad de cambios manuales de muestra o posición. La automatización no elimina el error humano, pero reduce la posibilidad de que ocurra^19,20.

Idealmente, todos los pasos de un flujo de trabajo de HT deben adaptarse en términos de paralelización, miniaturización y automatización para eliminar posibles cuellos de botella y maximizar la eficiencia. Sin embargo, si no es posible establecer un flujo de trabajo de HT en su totalidad, puede ser útil adoptar pasos/herramientas seleccionados para la propia investigación. El uso de multiclaves para 24 reacciones es particularmente útil en este caso. Los dibujos técnicos de los equipos de fabricación propia utilizados en este estudio (así como otros) se publican por primera vez y se pueden encontrar en el Archivo Suplementario 1, el Archivo Suplementario 2, el Archivo Suplementario 3 y el Archivo Suplementario 4.

Protocol

En este protocolo se describe la investigación HT de sistemas químicos para descubrir nuevos materiales cristalinos, utilizando como ejemplo Al-CAU-6029 . 1. Diseño del experimento (DOE) NOTA: El primer paso es establecer un plan de síntesis, que requiere conocimiento de la configuración del reactor (Figura 2), los reactivos y los solventes utilizados. Este procedimiento de planificación de s…

Representative Results

Los datos de PXRD se muestran en la Figura 9. Para la primera evaluación, los resultados obtenidos se vinculan a los parámetros de síntesis del espacio paramétrico investigado. La investigación se llevó a cabo utilizando seis relaciones molares diferentes de enlazador a metal y cuatro relaciones molares diferentes de NaOH/HCl a Al3+. Al vincular esta información con los datos obtenidos de PXRD (Figura 9), se puede observar que se obtuvieron pro…

Discussion

Debido a la complejidad del método HT, los pasos individuales y el método en sí se analizan en las siguientes secciones. La primera parte cubre los pasos críticos para cada paso de trabajo del flujo de trabajo de HT (Figura 1), las posibles modificaciones y las limitaciones de la técnica, cuando corresponda. Al final, se presenta una discusión general que también incluye la importancia del método HT con respecto a los métodos existentes y las aplicaciones futuras.

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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