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Chemistry

고처리량 방법을 사용한 isoreticular al(III) phosphonate 기반 금속-유기 프레임워크 화합물의 발견 및 합성 최적화

Published: October 06, 2023
doi:
10.3791/65441
, ,
1Department of Inorganic Chemistry,Kiel University

Summary

새로운 금속-유기 프레임워크(MOF)의 표적 합성은 어렵고 그 발견은 화학자의 지식과 창의성에 달려 있습니다. 고처리량 분석법을 사용하면 복잡한 합성 파라미터 필드를 빠르고 효율적으로 탐색할 수 있어 결정질 화합물을 찾고 합성 및 구조적 추세를 식별하는 프로세스를 가속화할 수 있습니다.

Abstract

고처리량(HT) 분석법은 합성 파라미터의 빠르고 효율적인 스크리닝과 새로운 물질 발견을 위한 중요한 도구입니다. 이 원고는 HT 반응기 시스템을 사용하여 용액에서 금속-유기 프레임워크(MOF)의 합성을 설명하며, 그 결과 3가 알루미늄 이온을 포함하는 Al-CAU-60-xHCl로 표기되는 조성 [Al 2H12-x(PMP)3]Clx∙6H2O(H4PMP = N,N ‘-piperazine bis(methylenephosphonic acid))의 다양한 포스포네이트 기반 MOF를 발견했습니다. 이는 용매열 반응 조건 하에서 생성물 형성에 대한 금속에 대한 링커의 몰비 및 반응 혼합물의 pH의 영향을 체계적으로 스크리닝함으로써 달성되었다. HT 조사를 위한 프로토콜에는 a) HT 방법론 내 합성 계획(DOE = 실험 설계), b) 자체 개발한 HT 반응기 투여 및 작업, c) 용매열 합성, d) 자체 개발한 여과 블록을 사용한 합성 정밀 검사, e) HT 분말 X선 회절에 의한 특성화, f) 데이터 평가. HT 방법론은 산도가 생성물 형성에 미치는 영향을 연구하는 데 처음 사용되어 Al-CAU-60∙xHCl(x = 4 또는 6)의 발견으로 이어졌습니다.

Introduction

금속-유기 프레임워크(MOF)는 구조가 유기 분자(링커)로 연결된 금속 이온 또는 금속-산소 클러스터와 같은 금속 함유 노드로 구성된 다공성 결정질 화합물입니다.1. 링커뿐만 아니라 금속 함유 노드를 변화시킴으로써, 광범위한 특성을 나타내므로 다양한 분야에서 잠재적인 응용을 갖는 다양한 화합물을 얻을 수 있다1.

재료의 안정성은 적용 1,2,3에 중요합니다. 따라서, 카르복실레이트2 또는 포스포네이트 4 링커 분자와 함께 Al 3+, Cr3+, Ti 4+ 또는 Zr4+와 같은 3가 또는4가 금속 이온을 함유하는 MOF는 많은 연구의 초점이 되었다 5,6,7. 안정적인 MOF의 직접 합성 외에도 합성 후 변형을 통한 안정성 향상과 복합재 형성이 관심 분야입니다2. 포스포네이트 기반 MOF는 카르복실레이트 기반 MOF에 비해 덜 자주 보고되었다8. 한 가지 이유는 –CO2– 그룹에 비해CPO32- 그룹의 더 높은 배위 유연성이며, 이는 종종 조밀한 구조의 형성 및 더 큰 구조적 다양성을 초래한다(8,9,10,11). 또한, 포스 폰산은 시장에서 거의 구할 수 없기 때문에 종종 합성되어야합니다. 일부 금속 포스포네이트는 탁월한 화학적 안정성을 나타내지만10), 특성의 조정을 가능하게 하는 이소레큘러 금속 포스포네이트 MOF에 대한 체계적인 접근은 여전히 높은 관련성의 주제이다12,13. 다공성 금속 포스포네이트의 합성을 위한 상이한 전략이 조사되었는데, 예를 들어, 포스포네이트를 포스페이트 리간드로 부분적으로 대체함으로써 결함을 다른 조밀한 층에 통합하는 것과 같은 것이다 4,14. 그러나 결함이 있는 구조는 재현성이 낮고 기공이 균일하지 않기 때문에 다른 전략이 개발되었습니다. 최근 몇 년 동안, 링커 분자로서 입체적으로 요구되거나 직교 포닉 산의 사용이 다공성 금속 포스포네이트의 제조를 위한 적합한 전략으로서 등장하였다 4,8,10,11,13,15,16,17,18 . 그러나, 다공성 금속 포스포네이트에 대한 보편적인 합성 경로는 아직 발견되지 않았다. 결과적으로, 금속 포스포네이트의 합성은 종종 시행착오의 과정이며, 많은 합성 파라미터에 대한 조사가 필요합니다.

반응 시스템의 파라미터 공간은 화학 및 공정 파라미터를 포함하며 방대할 수 있다19. 출발 물질 (금속염)의 유형, 출발 물질의 몰 비율, pH 조절을위한 첨가제, 조절제, 용매 유형, 용매 혼합물, 부피, 반응 온도, 시간 등과 같은 매개 변수로 구성됩니다.19,20. 적당한 수의 파라미터 변형은 수백 개의 개별 반응을 쉽게 초래할 수 있으므로 신중하게 고려된 합성 계획과 잘 선택된 파라미터 공간이 필요합니다. 예를 들어, 링커와 금속의 6개 몰비를 사용하는 간단한 연구(예: M:L = 1:1, 1:2, … 1:6) 및 첨가제의 4가지 상이한 농도 및 다른 파라미터를 일정하게 유지하고, 이미 6 x 4 = 24 실험으로 이어진다. 4가지 농도, 5가지 용매 및 3가지 반응 온도를 사용하려면 24개의 실험을 60번 수행해야 하므로 1,440개의 개별 반응이 발생합니다.

고처리량(HT) 방법은 소형화, 병렬화 및 자동화의 개념을 기반으로 하며, 해결되는 과학적 질문에 따라 다양한 정도가 있습니다19,20. 따라서 다중 파라미터 시스템의 조사를 가속화하는 데 사용할 수 있으며 합성 최적화19,20뿐만 아니라 새로운 화합물의 발견에 이상적인 도구입니다. HT 분석법은 신약 개발에서 재료 과학에 이르기까지 다양한 분야에서 성공적으로 사용되어 왔다20. 그들은 또한 용매열 반응에서 제올라이트 및 MOF와 같은 다공성 물질의 조사에 사용되었으며, 최근요약된 바와 같이 20. 용매열 합성을 위한 일반적인 HT 워크플로우는 6단계로 구성됩니다(그림 1)19,20,21: a) 수동으로 또는 소프트웨어를 사용하여 수행할 수 있는 관심 매개변수 공간(즉, 실험 설계[DOE]) 선택; b) 시약을 용기 내로 투여하는 단계; c) 용매열 합성; d) 격리 및 정밀 검사; e) 전형적으로 분말 X선 회절(PXRD)로 수행되는 특성화; f) 데이터 평가, 다시 1단계가 뒤따릅니다.

병렬화 및 소형화는 종종 생화학 및 약학 19,20,22,23에서 가장 일반적으로 사용되는 잘 정립된 96웰 플레이트 형식을 기반으로 하는 멀티클레이브를 사용하여 용매열 반응에서 달성됩니다. 다양한 원자로 설계가 보고되었으며 여러 그룹이 자체 원자로를 건설했습니다(19,20). 반응기 선택은 관심 있는 화학 시스템, 특히 반응 온도, (자생) 압력 및 반응기 안정성19,20에 따라 달라집니다. 예를 들어, 제올라이트 이미다졸레이트 프레임워크(ZIF)에 대한 체계적인 연구에서 Banerjee et al.25는 96-웰 유리판 포맷을 사용하여 9600회 이상의 반응을 수행하였다(24). 용매열 조건에서의 반응의 경우, 맞춤형 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 블록 또는 24개 또는 48개의 개별 PTFE 인서트가 있는 멀티클레이브가 스톡 그룹19,20에 의해 설명되었습니다. 예를 들어, 금속 카르복실레이트 및 포스포네이트의 합성에 일상적으로 사용됩니다. 따라서 Reinsch et al.25는 다공성 알루미늄 MOF25 분야에서 방법론의 장점을 보고했습니다. 24개 또는 48개의 반응을 동시에 연구할 수 있는 자체 제작 HT 반응기 시스템(그림 2)에는 각각 총 부피가 2.655mL 및 0.404mL인 PTFE 인서트가 포함되어 있습니다(그림 2A, B). 일반적으로 각각 1mL 또는 0.1mL 이하로 사용됩니다. 이 반응기는 기존의 오븐에서 사용되지만 SiC 블록과 작은 유리 용기를 사용하는 마이크로파 보조 가열도 보고되었습니다26.

연구의 자동화는 인적 요소의 영향을 최소화하기 때문에 시간을 절약하고 재현성을 향상시킵니다20. 자동화가 사용 된 정도는 매우 다양합니다19,20. 피펫팅(pipetting)(20) 또는 가중(weighting) 능력(weighting capability)(20)을 포함하는 완전 자동화된 상용 시스템이 공지되어 있다. 최근의 예는 Rosseinsky27 그룹이보고 한 ZrMOF를 연구하기 위해 액체 처리 로봇을 사용하는 것입니다. PXRD는 xy 스테이지가 장착된 회절분석기를 사용하여 자동 분석을 수행할 수 있습니다. 또 다른 예에서, 플레이트 판독기를 사용하여 신경작용제 분해의 HT 스크리닝을 위해 고체 상태 촉매, 주로 MOF를 스크리닝하였다28. 시료는 수동 시료 또는 위치 변경 없이 단일 실행으로 특성화할 수 있습니다. 자동화는 인적 오류를 제거하지는 않지만19,20 발생 가능성을 줄입니다.

이상적으로는 HT 워크플로의 모든 단계를 병렬화, 소형화 및 자동화 측면에서 조정하여 가능한 병목 현상을 제거하고 효율성을 극대화해야 합니다. 그러나 HT 워크플로우를 완전히 구축할 수 없는 경우 자체 연구를 위해 선택한 단계/도구를 채택하는 것이 도움이 될 수 있습니다. 24 개의 반응에 멀티 클레이브를 사용하는 것이 특히 유용합니다. 본 연구에 사용된 자체 제작 장비의 기술 도면(및 기타)은 처음으로 게시되며 보충 파일 1, 보충 파일 2, 보충 파일 3 및 보충 파일 4에서 찾을 수 있습니다.

Protocol

이 프로토콜에서는 Al-CAU-6029 를 예로 들어 새로운 결정질 물질을 발견하기 위한 화학 시스템의 HT 조사에 대해 설명합니다. 1. 실험계획법(DOE) 참고: 첫 번째 단계는 반응기 설정(그림 2), 반응물 및 사용된 용매에 대한 지식이 필요한 합성 계획을 설정하는 것입니다. 이 합성 계획 절차는 특정 온도-시간 프…

Representative Results

PXRD 데이터는 그림 9에 나와 있습니다. 첫 번째 평가의 경우 얻은 결과는 조사된 매개변수 공간의 합성 매개변수에 연결됩니다. 조사는 링커와 금속의 6가지 몰비와 NaOH/HCl과 Al3+의 4가지 몰비를 사용하여 수행되었습니다. 이 정보를 얻은 PXRD 데이터(그림 9)와 연결하면 NaOH:Al3+ 의 몰비가 1:1(시리즈 A1 – A6)이고 NaOH 또는 HCl이 없는 경우(시?…

Discussion

HT 방법의 복잡성으로 인해 개별 단계와 방법 자체는 다음 섹션에서 설명합니다. 첫 번째 부분에서는 HT 워크플로의 각 작업 단계(그림 1)에 대한 중요한 단계, 가능한 수정 사항 및 해당되는 경우 기술의 제한 사항에 대해 설명합니다. 마지막으로, 기존 방법 및 향후 적용에 대한 HT 방법의 중요성을 포함하는 일반적인 논의가 제시됩니다.

HT 워크플로의 ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 연구는 Christian-Albrechts-University, Schleswig-Holstein 주 및 Deutsche Forschungsgemeinschaft (특히 STO-643 / 2, STO-643 / 5 및 STO-643 / 10)의 지원을 받았습니다.

Norbert Stock은 B.Sc, M.Sc 및 박사 과정 학생뿐만 아니라 고처리량 방법론을 사용하여 많은 흥미로운 프로젝트를 수행한 협력 파트너, 특히 원자로 개발에 중요한 역할을 한 뮌헨의 Ludwig-Maximilians-Universität의 Bein 교수에게 감사를 표합니다.

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
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Radke, M., Suren, R., Stock, N. Discovery and Synthesis Optimization of Isoreticular Al(III) Phosphonate-Based Metal-Organic Framework Compounds Using High-Throughput Methods. J. Vis. Exp. (200), e65441, doi:10.3791/65441 (2023).
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