Upptäckt och syntesoptimering av isoretikulära al(III)fosfonatbaserade metallorganiska ramföreningar med hjälp av high-throughput-metoder

Summary

Den riktade syntesen av nya metallorganiska ramar (MOFs) är svår, och deras upptäckt beror på kemistens kunskap och kreativitet. Metoder med hög genomströmning gör det möjligt att utforska komplexa syntetiska parameterfält snabbt och effektivt, vilket påskyndar processen att hitta kristallina föreningar och identifiera syntetiska och strukturella trender.

Abstract

High-throughput (HT) metoder är ett viktigt verktyg för snabb och effektiv screening av syntesparametrar och upptäckt av nya material. Detta manuskript beskriver syntesen av metallorganiska ramverk (MOFs) från lösning med användning av ett HT-reaktorsystem, vilket resulterar i upptäckten av olika fosfonatbaserade MOFs av kompositionen [Al 2 H 12-x (PMP) ₃] Cl x∙6H₂O (H 4 PMP =N, N ‘-piperazin bis (metylenfosfonsyra)) för_x =₄, 6, betecknad som Al-CAU-60-xHCl, innehållande trevärda aluminiumjoner. Detta uppnåddes under solvotermiska reaktionsbetingelser genom att systematiskt screena effekten av länkens molära förhållande till metallen och reaktionsblandningens pH på produktbildningen. Protokollet för HT-undersökningen innehåller sex steg: a) syntesplanering (DOE = design av experiment) inom HT-metodiken, b) dosering och arbete med egenutvecklade HT-reaktorer, c) solvotermisk syntes, d) syntesbearbetning med egenutvecklade filtreringsblock, e) karakterisering med HT-pulverröntgendiffraktion och f) utvärdering av data. HT-metoden användes först för att studera surhetens inverkan på produktbildningen, vilket ledde till upptäckten av Al-CAU-60∙xHCl (x = 4 eller 6).

Introduction

Metallorganiska ramverk (MOFs) är porösa, kristallina föreningar vars strukturer består av metallinnehållande noder, som metalljoner eller metall-syrekluster, som är förbundna med organiska molekyler (länkare)¹. Genom att variera de metallinnehållande noderna såväl som länkaren kan en mängd olika föreningar erhållas som uppvisar ett brett spektrum av egenskaper och därför har potentiella tillämpningar inom olika områden¹.

Stabiliteten hos ett material är viktigt för dess tillämpning ^1,2,3. Därför har MOFs innehållande tri- eller tetravalenta metalljoner, såsom Al 3+, Cr³+, Ti 4+ eller Zr⁴⁺, med karboxylat² eller fosfonat⁴ länkarmolekyler varit i fokus för många undersökningar^5,6,7. Förutom den direkta syntesen av stabila MOFs är förbättringen av stabiliteten genom postsyntetiska modifieringar samt bildandet av kompositer ett intresseområde². Fosfonatbaserade MOFs har rapporterats mindre ofta jämfört med karboxylatbaserade MOFs⁸. En anledning är den högre koordinationsflexibiliteten hos CPO₃ 2- gruppen jämfört med -CO₂^– gruppen, vilket ofta leder till bildandet av täta strukturer och större strukturell mångfald 8,9,10,11. Dessutom måste fosfonsyror ofta syntetiseras, eftersom de sällan finns tillgängliga på marknaden. Medan vissa metallfosfonater uppvisar exceptionell kemisk stabilitet¹⁰, är systematisk tillgång till isoretikulära metallfosfonatMOFs, som möjliggör inställning av egenskaper, fortfarande ett ämne med hög relevans^12,13. Olika strategier för syntes av porösa metallfosfonater har undersökts, såsom att införliva defekter i annars täta lager, till exempel genom att delvis ersätta fosfonat med fosfatligander ^4,14. Men eftersom defekta strukturer är dåligt reproducerbara och porerna inte är enhetliga har andra strategier utvecklats. Under senare år har användningen av steriskt krävande eller ortogonaliserade fosfonsyror som länkarmolekyler framkommit som en lämplig strategi för framställning av porösa metallfosfonater 4,8,10,11,13,15,16,17,18 . Emellertid har en universell syntesväg för porösa metallfosfonater ännu inte upptäckts. Som ett resultat är syntesen av metallfosfonater ofta en process av försök och fel, vilket kräver undersökning av många syntesparametrar.

Parameterutrymmet för ett reaktionssystem inkluderar kemiska och processparametrar och kan vara stort¹⁹. Den består av parametrar såsom typ av utgångsmaterial (metallsalt), molära förhållanden för utgångsmaterial, tillsatser för pH-justering, modulatorer, typ av lösningsmedel, lösningsmedelsblandningar, volymer, reaktionstemperaturer, tider ^etc.19,20. Ett måttligt antal parametervariationer kan lätt resultera i flera hundra individuella reaktioner, vilket gör en noggrant övervägd syntesplan och väl valt parameterutrymme nödvändigt. Till exempel en enkel studie med sex molära förhållanden mellan länkaren och metallen (t.ex. M: L = 1: 1, 1: 2, … till 1:6) och fyra olika koncentrationer av en tillsats och att hålla den andra parametern konstant, leder redan till 6 x 4 = 24 experiment. Användning av fyra koncentrationer, fem lösningsmedel och tre reaktionstemperaturer skulle kräva att de 24 experimenten utfördes 60 gånger, vilket resulterade i 1 440 individuella reaktioner.

High-throughput (HT) metoder bygger på begreppen miniatyrisering, parallellisering och automatisering, i varierande grad beroende på den vetenskapliga frågan som behandlas^19,20. Som sådana kan de användas för att påskynda undersökningen av multiparametersystem och är ett idealiskt verktyg för upptäckt av nya föreningar, samt syntesoptimering^19,20. HT-metoder har använts framgångsrikt inom olika områden, allt från läkemedelsupptäckt till materialvetenskap²⁰. De har också använts för undersökning av porösa material som zeoliter och MOFs i solvotermiska reaktioner, som nyligen sammanfattats²⁰. Ett typiskt HT-arbetsflöde för solvotermisk syntes består av sex steg (figur 1)19,20,21: a) val av parameterutrymme av intresse (dvs. design av experiment [DOE]), som kan göras manuellt eller med hjälp av programvara; b) dosering av reagenserna i kärlen, c) solvotermisk syntes; d) isolering och upparbetning; e) karakterisering, som vanligtvis görs med pulverröntgendiffraktion (PXRD); och f) datautvärdering, som följs av steg ett igen.

Parallellisering och miniatyrisering uppnås i solvotermiska reaktioner genom användning av multiklaver, ofta baserat på det väletablerade 96-brunnsplattformatet som oftast används inom biokemi och apotek 19,20,22,23. Olika reaktorkonstruktioner har rapporterats och flera grupper har byggt sina egna reaktorer^19,20. Valet av reaktor beror på det kemiska systemet av intresse, särskilt reaktionstemperaturen, (autogent) tryck och reaktorstabiliteten^19,20. Till exempel, i en systematisk studie av zeolitiska imidazolatramar (ZIF), Banerjee et al.²⁵ använde glasplåtformatet 96 brunnar för att utföra över 9600 reaktioner²⁴. För reaktioner under solvotermiska förhållanden har anpassade polytetrafluoretylenblock (PTFE), eller multiklaver med 24 eller 48 enskilda PTFE-insatser, beskrivits bland annat av stamgruppen^19,20. De används rutinmässigt, till exempel vid syntes av metallkarboxylater och fosfonater. Reinsch et al.²⁵ rapporterade fördelarna med metoden inom området porös aluminium MOFs²⁵. De egentillverkade HT-reaktorsystemen (figur 2), som gör det möjligt att studera 24 eller 48 reaktioner samtidigt, innehåller PTFE-insatser med en total volym på 2,655 ml respektive 0,404 ml (figur 2A,B). Vanligtvis används inte mer än 1 ml respektive 0,1 ml. Medan dessa reaktorer används i konventionella ugnar har mikrovågsassisterad uppvärmning med SiC-block och små glaskärl också rapporterats²⁶.

Automatiseringen av studier leder till tidsbesparingar och förbättrad reproducerbarhet, eftersom påverkan av den mänskliga faktorn minimeras²⁰. Graden till vilken automatisering har använts varierar kraftigt^19,20. Helautomatiska kommersiella system, inklusive pipettering 20 eller viktningskapacitet²⁰, är kända. Ett färskt exempel är användningen av en vätskehanteringsrobot för att studera ZrMOFs, rapporterad av gruppen Rosseinsky²⁷. Automatiserad analys kan utföras av PXRD med hjälp av en diffraktometer utrustad med ett xy-steg. I ett annat exempel användes en plattläsare för att screena solid state-katalysatorer, främst MOFs, för HT-screening av nervmedelsnedbrytning²⁸. Prover kan karakteriseras i en enda körning utan behov av manuella prov- eller positionsändringar. Automatisering eliminerar inte mänskliga fel, men det minskar risken för att det inträffar^19,20.

Helst bör alla steg i ett HT-arbetsflöde anpassas när det gäller parallellisering, miniatyrisering och automatisering för att eliminera eventuella flaskhalsar och maximera effektiviteten. Men om det inte är möjligt att etablera ett HT-arbetsflöde i sin helhet kan det vara till hjälp att anta utvalda steg/verktyg för sin egen forskning. Användningen av multiklaver för 24 reaktioner är särskilt användbar här. De tekniska ritningarna av den egentillverkade utrustning som användes i denna studie (liksom andra) publiceras för första gången och finns i Kompletterande fil 1, Kompletterande fil 2, Kompletterande fil 3 och Kompletterande fil 4.

Protocol

I detta protokoll beskrivs HT-undersökningen av kemiska system för att upptäcka nya kristallina material, med Al-CAU-6029 som exempel. 1. Design av experiment (DOE) OBS: Det första steget är att upprätta en syntesplan, som kräver kunskap om reaktorinställningen (figur 2), reaktanter och lösningsmedel som används. Denna syntesplaneringsprocedur är anpassad för att utföra 24 eller 48 rea…

Representative Results

PXRD-data visas i figur 9. För den första utvärderingen är de erhållna resultaten kopplade till syntesparametrarna för det undersökta parameterutrymmet. Undersökningen utfördes med sex olika molförhållanden mellan länkare och metall och fyra olika molförhållanden mellan NaOH / HCl till Al3+. Genom att länka denna information med de erhållna PXRD-data (figur 9) kan man se att produkter med låg kristallinitet erhölls från synteser vid…

Discussion

På grund av HT-metodens komplexitet diskuteras de enskilda stegen och själva metoden i följande avsnitt. Den första delen täcker de kritiska stegen för varje arbetssteg i HT-arbetsflödet (figur 1), möjliga ändringar och begränsningar av tekniken, i förekommande fall. I slutet presenteras en allmän diskussion som även inkluderar HT-metodens betydelse med avseende på befintliga metoder och framtida tillämpningar.

I det första steget i HT-arbetsflöd…

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