La sintesi mirata di nuove strutture metallo-organiche (MOF) è difficile e la loro scoperta dipende dalla conoscenza e dalla creatività del chimico. I metodi ad alto rendimento consentono di esplorare campi di parametri sintetici complessi in modo rapido ed efficiente, accelerando il processo di ricerca di composti cristallini e identificando tendenze sintetiche e strutturali.
I metodi ad alta produttività (HT) sono uno strumento importante per lo screening rapido ed efficiente dei parametri di sintesi e la scoperta di nuovi materiali. Questo manoscritto descrive la sintesi di strutture metallo-organiche (MOF) da soluzione utilizzando un sistema di reattori HT, con conseguente scoperta di vari MOF a base di fosfonati della composizione [Al 2 H 12-x(PMP)3]Cl x∙6H2O (H 4 PMP = N,N ‘-piperazina bis(acido metilenfosfonico)) perx =4, 6, indicato come Al-CAU-60-xHCl, contenente ioni di alluminio trivalenti. Ciò è stato ottenuto in condizioni di reazione solvotermica esaminando sistematicamente l’impatto del rapporto molare del linker al metallo e il pH della miscela di reazione sulla formazione del prodotto. Il protocollo per l’indagine HT comprende sei fasi: a) pianificazione della sintesi (DOE = progettazione dell’esperimento) all’interno della metodologia HT, b) dosaggio e lavoro con reattori HT sviluppati internamente, c) sintesi solvotermica, d) lavoro di sintesi utilizzando blocchi di filtrazione sviluppati internamente, e) caratterizzazione mediante diffrazione a raggi X della polvere HT e f) valutazione dei dati. La metodologia HT è stata utilizzata per la prima volta per studiare l’influenza dell’acidità sulla formazione del prodotto, portando alla scoperta di Al-CAU-60∙xHCl (x = 4 o 6).
Le strutture metallo-organiche (MOF) sono composti porosi e cristallini le cui strutture sono costituite da nodi contenenti metalli, come ioni metallici o cluster metallo-ossigeno, che sono collegati da molecole organiche (linker)1. Variando i nodi contenenti metalli e il linker, è possibile ottenere una varietà di composti che presentano una vasta gamma di proprietà e quindi hanno potenziali applicazioni in diversi campi1.
La stabilità di un materiale è importante per la sua applicazione 1,2,3. Pertanto, i MOF contenenti ioni metallici tri- o tetravalenti, come Al 3+, Cr3+, Ti 4+ o Zr4+, con molecole linker carbossilato2 o fosfonato4 sono stati al centro di molte indagini5,6,7. Oltre alla sintesi diretta di MOF stabili, il miglioramento della stabilità attraverso modifiche post-sintetiche e la formazione di compositi è un campo di interesse2. I MOF a base di fosfonati sono stati segnalati meno spesso rispetto ai MOF a base di carbossilati8. Uno dei motivi è la maggiore flessibilità di coordinamento del gruppo CPO3 2- rispetto al gruppo –CO2–, che spesso porta alla formazione di strutture dense e a una maggiore diversità strutturale 8,9,10,11. Inoltre, gli acidi fosfonici spesso devono essere sintetizzati, poiché sono raramente disponibili sul mercato. Mentre alcuni fosfonati metallici mostrano un’eccezionale stabilità chimica10, l’accesso sistematico ai MOF isoreticolari di fosfonati metallici, che consente la messa a punto delle proprietà, è ancora un argomento di grande rilevanza12,13. Sono state studiate diverse strategie per la sintesi di fosfonati metallici porosi, come incorporare difetti in strati altrimenti densi, ad esempio, sostituendo parzialmente il fosfonato con leganti fosfatici 4,14. Tuttavia, poiché le strutture difettose sono scarsamente riproducibili e i pori non sono uniformi, sono state sviluppate altre strategie. Negli ultimi anni, l’uso di acidi fosfonici stericamente esigenti o ortogonalizzati come molecole linker è emersa come strategia adatta per la preparazione di fosfonati metallici porosi 4,8,10,11,13,15,16,17,18 . Tuttavia, non è stata ancora scoperta una via di sintesi universale per i fosfonati porosi dei metalli. Di conseguenza, la sintesi dei fosfonati metallici è spesso un processo di tentativi ed errori, che richiede l’indagine di molti parametri di sintesi.
Lo spazio dei parametri di un sistema di reazione include parametri chimici e di processo e può essere vasto19. È costituito da parametri quali il tipo di materiale di partenza (sale metallico), i rapporti molari delle materie prime, gli additivi per la regolazione del pH, i modulatori, il tipo di solvente, le miscele di solventi, i volumi, le temperature di reazione, i tempi, ecc.19,20. Un numero moderato di variazioni dei parametri può facilmente portare a diverse centinaia di reazioni individuali, rendendo necessario un piano di sintesi attentamente considerato e uno spazio dei parametri ben scelto. Ad esempio, un semplice studio che utilizza sei rapporti molari del linker al metallo (ad esempio, M: L = 1: 1, 1: 2, … a 1:6) e quattro diverse concentrazioni di un additivo e mantenendo costante l’altro parametro, porta già a 6 x 4 = 24 esperimenti. L’utilizzo di quattro concentrazioni, cinque solventi e tre temperature di reazione richiederebbe l’esecuzione dei 24 esperimenti 60 volte, risultando in 1.440 reazioni individuali.
I metodi ad alto rendimento (HT) si basano sui concetti di miniaturizzazione, parallelizzazione e automazione, in misura variabile a seconda della questione scientifica affrontata19,20. Come tali, possono essere utilizzati per accelerare lo studio di sistemi multiparametrici e sono uno strumento ideale per la scoperta di nuovi composti, nonché per l’ottimizzazione della sintesi 19,20. I metodi HT sono stati utilizzati con successo in diversi campi, che vanno dalla scoperta di farmaci alla scienza dei materiali20. Sono stati utilizzati anche per lo studio di materiali porosi come zeoliti e MOF in reazioni solvotermiche, come recentemente riassunto20. Un tipico flusso di lavoro HT per la sintesi solvotermica consiste in sei fasi (Figura 1)19,20,21: a) selezione dello spazio dei parametri di interesse (cioè la progettazione dell’esperimento [DOE]), che può essere eseguita manualmente o utilizzando il software; b) dosaggio dei reagenti nei recipienti; c) sintesi solvotermica; d) isolamento e workup; e) caratterizzazione, che viene tipicamente effettuata con diffrazione di raggi X in polvere (PXRD); e f) la valutazione dei dati, che è seguita di nuovo dalla fase uno.
La parallelizzazione e la miniaturizzazione sono ottenute nelle reazioni solvotermiche attraverso l’uso di multiclavi, spesso basati sul consolidato formato di piastre a 96 pozzetti più comunemente usato in biochimica e farmacia 19,20,22,23. Sono stati segnalati vari progetti di reattori e diversi gruppi hanno costruito i propri reattori19,20. La scelta del reattore dipende dal sistema chimico di interesse, in particolare dalla temperatura di reazione, dalla pressione (autogena) e dalla stabilità del reattore19,20. Ad esempio, in uno studio sistematico dei quadri zeolitici di imidazolato (ZIF), Banerjee et al.25 ha utilizzato il formato della lastra di vetro a 96 pozzetti per eseguire oltre 9600 reazioni24. Per le reazioni in condizioni solvotermiche, blocchi personalizzati di politetrafluoroetilene (PTFE), o multiclavi con 24 o 48 singoli inserti in PTFE, sono stati descritti tra gli altri dal gruppo Stock19,20. Sono abitualmente impiegati, ad esempio, nella sintesi di carbossilati metallici e fosfonati. Come tale, Reinsch et al.25 ha riportato i vantaggi della metodologia nel campo dei MOF in alluminio poroso25. I sistemi di reattori HT realizzati internamente (Figura 2), che consentono di studiare simultaneamente 24 o 48 reazioni, contengono inserti in PTFE con un volume totale rispettivamente di 2,655 ml e 0,404 ml (Figura 2A,B). Di solito, non viene utilizzato più di 1 ml o 0,1 ml, rispettivamente. Mentre questi reattori sono utilizzati nei forni convenzionali, è stato segnalato anche il riscaldamento assistito da microonde con blocchi di SiC e piccoli recipienti di vetro26.
L’automazione degli studi porta a un risparmio di tempo e a una migliore riproducibilità, poiché l’influenza del fattore umano è ridotta al minimo20. Il grado di utilizzo dell’automazione varia fortemente19,20. Sono noti sistemi commerciali completamente automatizzati, tra cui il pipettaggio 20 o le capacità di ponderazione20. Un esempio recente è l’uso di un robot per la gestione dei liquidi per studiare gli ZrMOF, riportato dal gruppo di Rosseinsky27. L’analisi automatizzata può essere eseguita da PXRD utilizzando un diffrattometro dotato di uno stadio xy. In un altro esempio, un lettore di piastre è stato utilizzato per lo screening di catalizzatori a stato solido, principalmente MOF, per lo screening HT della degradazione dell’agente nervino28. I campioni possono essere caratterizzati in un’unica esecuzione senza la necessità di campioni manuali o cambi di posizione. L’automazione non elimina l’errore umano, ma riduce la possibilità che si verifichi19,20.
Idealmente, tutte le fasi di un flusso di lavoro HT dovrebbero essere adattate in termini di parallelizzazione, miniaturizzazione e automazione per eliminare possibili colli di bottiglia e massimizzare l’efficienza. Tuttavia, se non è possibile stabilire un flusso di lavoro HT nella sua interezza, può essere utile adottare passaggi / strumenti selezionati per la propria ricerca. L’uso di multiclavi per 24 reazioni è particolarmente utile qui. I disegni tecnici delle attrezzature di fabbricazione interna utilizzate in questo studio (così come in altri) sono pubblicati per la prima volta e possono essere trovati in Supplementary File 1, Supplementary File 2, Supplementary File 3 e Supplementary File 4.
A causa della complessità del metodo HT, i singoli passaggi e il metodo stesso sono discussi nelle sezioni seguenti. La prima parte copre le fasi critiche per ogni fase di lavoro del flusso di lavoro HT (Figura 1), le possibili modifiche e le limitazioni della tecnica, ove applicabile. Al termine, viene presentata una discussione generale che include anche il significato del metodo HT rispetto ai metodi esistenti e alle applicazioni future.
Nella prima fase del …
The authors have nothing to disclose.
Il lavoro è stato sostenuto dalla Christian-Albrechts-University, dallo Stato dello Schleswig-Holstein e dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft (in particolare STO-643/2, STO-643/5 e STO-643/10).
Norbert Stock desidera ringraziare gli studenti B.Sc., M.Sc e dottorandi, nonché i partner di cooperazione che hanno realizzato molti progetti interessanti utilizzando la metodologia high-throughput, in particolare il Prof. Bein della Ludwig-Maximilians-Universität di Monaco, che ha svolto un ruolo importante nello sviluppo dei reattori.
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 |