基于高通量方法的等网状Al（III）膦酸盐基金属有机骨架化合物的发现与合成优化
Summary
靶向合成新的金属有机框架（MOFs）是困难的，它们的发现取决于化学家的知识和创造力。高通量方法可以快速有效地探索复杂的合成参数场，从而加快寻找晶体化合物和识别合成和结构趋势的过程。
Abstract
高通量（HT）方法是快速有效地筛选合成参数和发现新材料的重要工具。本手稿描述了使用 HT 反应器系统从溶液中合成金属有机骨架 （MOF），从而发现了各种基于 PHOFs，其组成为 [Al 2 H 12-x（PMP）3]Clx∙6H2O （H4PMP = N，N’-哌嗪双（亚甲基膦酸）），表示为 Al-CAU-60-xHCl，含三价铝离子。这是在溶剂热反应条件下通过系统筛选接头与金属的摩尔比和反应混合物的pH值对产物形成的影响来实现的。HT研究方案包括六个步骤：a）HT方法中的合成计划（DOE =实验设计），b）加样和使用内部开发的HT反应器，c）溶剂热合成，d）使用内部开发的过滤模块进行合成检查，e）通过HT粉末X射线衍射表征，以及f）数据评估。HT方法首先用于研究酸度对产物形成的影响，导致Al-CAU-60∙xHCl（x = 4或6）的发现。
Introduction
金属有机骨架（MOF）是多孔的结晶化合物，其结构由含金属节点组成，如金属离子或金属氧簇，它们通过有机分子（接头）连接1。通过改变含金属节点和接头，可以获得具有广泛性质的各种化合物，因此在不同领域具有潜在的应用1。
材料的稳定性对其应用很重要1,2,3。因此，含有三价或四价金属离子（如Al 3+、Cr3+、Ti 4+或Zr4+）的MOF与羧酸2或膦酸盐4接头分子一直是许多研究的重点5,6,7。除了直接合成稳定的MOFs外，通过合成后改性以及复合材料的形成来提高稳定性也是一个感兴趣的领域2。与基于羧酸盐的MOFs相比，基于膦酸盐的MOFs较少被报道8。一个原因是与-CO2–基相比，CPO32-基团具有更高的配位灵活性，这通常会导致致密结构的形成和更大的结构多样性8,9,10,11。此外，膦酸通常必须合成，因为它们在市场上很少有。虽然一些金属膦酸盐表现出优异的化学稳定性10，但系统地获取等网状金属膦酸盐MOFs，允许调整性能，仍然是一个高度相关的话题12,13。已经研究了合成多孔金属膦酸盐的不同策略，例如将缺陷掺入其他致密层中，例如，通过用磷酸盐配体部分替换膦酸盐4,14。然而，由于缺陷结构的可重复性差，并且孔隙不均匀，因此已经开发了其他策略。近年来，使用空间要求高或正交化的膦酸作为接头分子已成为制备多孔金属膦酸盐4,8,10,11,13,15,16,17,18的合适策略。.然而，多孔金属膦酸盐的通用合成路线尚未被发现。因此，金属膦酸盐的合成往往是一个试错的过程，需要研究许多合成参数。
反应系统的参数空间包括化学和工艺参数，可以很大19.它由诸如起始材料类型（金属盐）、起始材料的摩尔比、用于调节pH的添加剂、调节剂、溶剂类型、溶剂混合物、体积、反应温度、时间等参数组成19,20。适量的参数变化很容易导致数百个单独的反应，因此需要仔细考虑的合成计划和精心选择的参数空间。例如，使用接头与金属的六摩尔比（例如，M：L = 1：1,1：2，…到1：6）和四种不同浓度的添加剂并保持其他参数不变，已经导致6 x 4 = 24次实验。使用四种浓度、五种溶剂和三种反应温度需要进行 24 次实验 60 次，产生 1,440 次单独的反应。
高通量（HT）方法基于小型化，并行化和自动化的概念，其程度取决于要解决的科学问题19,20。因此，它们可用于加速多参数系统的研究，是发现新化合物以及合成优化的理想工具19,20。HT方法已成功应用于不同领域，从药物发现到材料科学20。它们还被用于研究溶剂热反应中的多孔材料，例如沸石和MOF，最近总结了20。用于溶剂热合成的典型HT工作流程包括六个步骤（图1）19,20,21：a）选择感兴趣的参数空间（即实验设计[DOE]），可以手动或使用软件完成;b） 将试剂加入容器中;c）溶剂热合成;d） 隔离和病情检查;e）表征，通常用粉末X射线衍射（PXRD）完成;和f）数据评估，然后再次进行第一步。
通过使用多盘在溶剂热反应中实现并行化和小型化，通常基于生物化学和药学中最常用的成熟的 96 孔板格式 19,20,22,23。已经报道了各种反应堆设计，几个小组已经建造了自己的反应堆19,20。反应器的选择取决于感兴趣的化学体系，特别是反应温度、（自生）压力和反应器稳定性19,20。例如，在沸石咪唑酸盐框架（ZIFs）的系统研究中，Banerjee等人。25使用96孔玻璃板格式进行9600多次反应24。对于溶剂热条件下的反应，Stock组19,20描述了定制的聚四氟乙烯（PTFE）嵌段或具有24或48个独立PTFE插入件的多压罐。例如，它们通常用于合成金属羧酸盐和膦酸盐。因此，Reinsch等人。25报告了该方法在多孔铝MOFs领域的优势 25.内部制造的HT反应器系统（图2）允许同时研究24或48个反应，包含总体积分别为2.655 mL和0.404 mL的PTFE插入物（图2A，B）。通常，分别使用不超过 1 mL 或 0.1 mL。虽然这些反应器用于传统烤箱，但据报道，使用SiC块和小型玻璃容器的微波辅助加热也有报道26。
研究的自动化可以节省时间并提高可重复性，因为人为因素的影响最小化20.自动化的使用程度差异很大19,20。全自动商业系统，包括移液20或称重功能20，是已知的。最近的一个例子是使用液体处理机器人来研究ZrMOF，由Rosseinsky27小组报告。PXRD可以使用配备xy载物台的衍射仪进行自动分析。在另一个示例中，使用酶标仪筛选固态催化剂，主要是MOF，用于HT筛选神经毒剂降解28。样品可以在一次运行中表征，而无需手动更改样品或位置。自动化不能消除人为错误，但它降低了发生人为错误的可能性19,20。
理想情况下，HT 工作流程中的所有步骤都应在并行化、小型化和自动化方面进行调整，以消除可能的瓶颈并最大限度地提高效率。但是，如果无法完全建立HT工作流程，则采用选定的步骤/工具进行自己的研究可能会有所帮助。使用多组分进行24个反应在这里特别有用。本研究（以及其他）中使用的内部制造设备的技术图纸是首次发布的，可以在补充文件1，补充文件 2， 补充文件3和 补充文件4中找到。
Protocol
Representative Results
Discussion
由于HT方法的复杂性，以下各节将讨论各个步骤和方法本身。第一部分介绍了HT工作流程的每个工作步骤的关键步骤（图1），可能的修改以及技术的局限性（如果适用）。最后，还进行了一般性讨论，包括HT方法相对于现有方法和未来应用的重要性。
在HT工作流程的第一步，即DOE，人们必须为研究选择相关参数，以获得有关某个实验的最大信息，因为“?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了克里斯蒂安-阿尔布雷希特大学、石勒苏益格-荷尔斯泰因州和德国研究协会（特别是STO-643/2、STO-643/5和STO-643/10）的支持。
Norbert Stock要感谢 B.Sc.，M.Sc.和博士生，以及使用高通量方法开展许多有趣项目的合作伙伴，特别是慕尼黑路德维希 – 马克西米利安大学的Bein教授，他在反应堆的开发中发挥了重要作用。
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 |
Referenzen
- Kaskel, S. . The Chemistry of Metal-Organic Frameworks: Synthesis, Characterization, and Applications. , (2016).
- Ding, M., Cai, X., Jiang, H. -. L. Improving MOF stability: approaches and applications. Chemical Science. 10 (44), 10209-10230 (2019).
- Stock, N., Biswas, S. Synthesis of metal-organic frameworks (MOFs): routes to various MOF topologies, morphologies, and composites. Chemical Reviews. 112 (2), 933-969 (2012).
- Shimizu, G. K. H., Vaidhyanathan, R., Taylor, J. M. Phosphonate and sulfonate metal organic frameworks. Chemical Society Reviews. 38 (5), 1430-1449 (2009).
- Yuan, S., Qin, J. -. S., Lollar, C. T., Zhou, H. -. C. Stable metal-organic frameworks with group 4 metals: current status and trends. ACS Central Science. 4 (4), 440-450 (2018).
- Devic, T., Serre, C. High valence 3p and transition metal based MOFs. Chemical Society Reviews. 43 (16), 6097-6115 (2014).
- Rhauderwiek, T., et al. Highly stable and porous porphyrin-based zirconium and hafnium phosphonates-electron crystallography as an important tool for structure elucidation. Chemical Science. 9 (24), 5467-5478 (2018).
- Steinke, F., Otto, T., Ito, S., Wöhlbrandt, S., Stock, N. Isostructural family of rare-earth MOFs synthesized from 1,1,2,2-Tetrakis(4-phosphonophenyl)ethylene. European Journal of Inorganic Chemistry. 2022 (34), 2022005562 (2022).
- Zhu, Y. -. P., Ma, T. -. Y., Liu, Y. -. L., Ren, T. -. Z., Yuan, Z. -. Y. Metal phosphonate hybrid materials: from densely layered to hierarchically nanoporous structures. Inorganic Chemistry Frontiers. 1 (5), 360-383 (2014).
- Glavinović, M., Perras, J. H., Gelfand, B. S., Lin, J. -. B., Shimizu, G. K. H. Orthogonalization of polyaryl linkers as a route to more porous phosphonate metal-organic frameworks. Chemie. 28 (31), 202200874 (2022).
- Yücesan, G., Zorlu, Y., Stricker, M., Beckmann, J. Metal-organic solids derived from arylphosphonic acids. Coordination Chemistry Reviews. 369, 105-122 (2018).
- Wharmby, M. T., Mowat, J. P. S., Thompson, S. P., Wright, P. A. Extending the pore size of crystalline metal phosphonates toward the mesoporous regime by isoreticular synthesis. Journal of the American Chemical Society. 133 (5), 1266-1269 (2011).
- Zheng, T., et al. Overcoming the crystallization and designability issues in the ultrastable zirconium phosphonate framework system. Nature Communications. 8, 15369 (2017).
- Dines, M. B., Cooksey, R. E., Griffith, P. C., Lane, R. H. Mixed-component layered tetravalent metal phosphonates/phosphates as precursors for microporous materials. Inorganic Chemistry. 22 (6), 1003-1004 (1983).
- Hermer, N., Reinsch, H., Mayer, P., Stock, N. Synthesis and characterisation of the porous zinc phosphonate [Zn2(H2PPB)(H2O)2]·xH2O. CrystEngComm. 18 (42), 8147-8150 (2016).
- Rhauderwiek, T., et al. Crystalline and permanently porous porphyrin-based metal tetraphosphonates. Chemical Communications. 54 (4), 389-392 (2018).
- Steinke, F., et al. Synthesis and structure evolution in metal carbazole diphosphonates followed by electron diffraction. Inorganic Chemistry. 62 (1), 35-42 (2023).
- Taddei, M., et al. The first route to highly stable crystalline microporous zirconium phosphonate metal-organic frameworks. Chemical Communications. 50 (94), 14831-14834 (2014).
- Stock, N. High-throughput investigations employing solvothermal syntheses. Microporous and Mesoporous Materials. 129 (3), 287-295 (2010).
- Clayson, I. G., Hewitt, D., Hutereau, M., Pope, T., Slater, B. High throughput methods in the synthesis, characterization, and optimization of porous materials. Advanced Materials. 32 (44), 2002780 (2020).
- Clearfield, A., Demadis, K. . Metal Phosphonate Chemistry: From Synthesis to Applications. , (2011).
- Mennen, S. M., et al. The evolution of high-throughput experimentation in pharmaceutical development and perspectives on the future. Organic Process Research & Development. 23 (6), 1213-1242 (2019).
- Yang, L., et al. High-throughput methods in the discovery and study of biomaterials and materiobiology. Chemical Reviews. 121 (8), 4561-4677 (2021).
- Banerjee, R., et al. High-throughput synthesis of zeolitic imidazolate frameworks and application to CO2 capture. Science. 319 (5865), 939-943 (2008).
- Reinsch, H., Stock, N. High-throughput studies of highly porous Al-based MOFs. Microporous and Mesoporous Materials. 171, 156-165 (2013).
- Reimer, N., Reinsch, H., Inge, A. K., Stock, N. New Al-MOFs based on sulfonyldibenzoate ions: a rare example of intralayer porosity. Inorganic Chemistry. 54 (2), 492-501 (2015).
- Tollitt, A. M., et al. High-throughput discovery of a rhombohedral twelve-connected zirconium-based metal-organic framework with ordered terephthalate and fumarate linkers. Angewandte Chemie. 60 (52), 26939-26946 (2021).
- Palomba, J. M., et al. High-throughput screening of solid-state catalysts for nerve agent degradation. Chemical Communications. 54 (45), 5768-5771 (2018).
- Reichenau, T. M., et al. Targeted synthesis of an highly stable aluminium phosphonate metal-organic framework showing reversible HCl adsorption. Angewandte Chemie. , (2023).
- Biemmi, E., Christian, S., Stock, N., Bein, T. High-throughput screening of synthesis parameters in the formation of the metal-organic frameworks MOF-5 and HKUST-1. Microporous and Mesoporous Materials. 117 (1), 111-117 (2009).
- STOE & Cie GmbH. WinXPOW v.3.1. STOE & Cie GmbH. , (2016).
- Groom, C. R., Bruno, I. J., Lightfoot, M. P., Ward, S. C. The Cambridge structural database. Acta Crystallographica Section B, Structural Science. Crystal Engineering and Materials. 72, 171-179 (2016).
- Bruno, I. J., et al. New software for searching the Cambridge Structural Database and visualizing crystal structures. Acta Crystallographica. Section B, Structural Science. 58, 389-397 (2002).
- Hermer, N., Wharmby, M. T., Stock, N. . CCDC 1499757: Experimental Crystal Structure Determination. , (2017).
- Cawse, J. N. . Experimental Design for Combinatorial and High Throughput Materials Development. , (2003).
- Dhanumalayan, E., Joshi, G. M. Performance properties and applications of polytetrafluoroethylene (PTFE)-a review. Advanced Composites and Hybrid Materials. 1, 247-268 (2018).
- Lenzen, D., et al. Scalable green synthesis and full-scale test of the metal-organic framework CAU-10-H for use in adsorption-driven chillers. Advanced Materials. 30 (6), 1705869 (2018).
