Entdeckung und Syntheseoptimierung von isoretikulären al(III)-phosphonat-basierten metallorganischen Gerüstverbindungen mit Hochdurchsatzmethoden

Zusammenfassung

Die gezielte Synthese neuer metallorganischer Gerüstverbindungen (MOFs) ist schwierig, und ihre Entdeckung hängt vom Wissen und der Kreativität des Chemikers ab. Hochdurchsatzmethoden ermöglichen die schnelle und effiziente Erforschung komplexer synthetischer Parameterfelder, wodurch der Prozess der Suche nach kristallinen Verbindungen und die Identifizierung synthetischer und struktureller Trends beschleunigt wird.

Zusammenfassung

Hochdurchsatzmethoden (HT) sind ein wichtiges Werkzeug für das schnelle und effiziente Screening von Syntheseparametern und die Entdeckung neuer Materialien. Dieses Manuskript beschreibt die Synthese von metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs) aus Lösung unter Verwendung eines HT-Reaktorsystems, was zur Entdeckung verschiedener phosphonatbasierter MOFs der Zusammensetzung_[Al2H12-x(PMP)₃]Cl x∙6H2O (_H4PMP= N,N'-piperazinbis(methylenphosphonsäure)) für_x = 4, 6 führte, die als Al-CAU-60-xHCl bezeichnet werden und dreiwertige Aluminiumionen enthalten. Dies wurde unter solvothermen Reaktionsbedingungen erreicht, indem der Einfluss des molaren Verhältnisses des Linkers zum Metall und des pH-Werts des Reaktionsgemisches auf die Produktbildung systematisch untersucht wurde. Das Protokoll für die HT-Untersuchung umfasst sechs Schritte: a) Syntheseplanung (DOE = Design of Experiment) innerhalb der HT-Methodik, b) Dosierung und Arbeit mit selbst entwickelten HT-Reaktoren, c) solvothermale Synthese, d) Syntheseaufarbeitung mit eigens entwickelten Filtrationsblöcken, e) Charakterisierung mittels HT-Pulver-Röntgenbeugung und f) Auswertung der Daten. Die HT-Methodik wurde zunächst verwendet, um den Einfluss des Säuregehalts auf die Produktbildung zu untersuchen, was zur Entdeckung von Al-CAU-60∙xHCl (x = 4 oder 6) führte.

Einleitung

Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) sind poröse, kristalline Verbindungen, deren Strukturen aus metallhaltigen Knoten wie Metallionen oder Metall-Sauerstoff-Clustern bestehen, die durch organische Moleküle (Linker) verbunden ^sind1. Durch Variation der metallhaltigen Knoten sowie des Linkers kann eine Vielzahl von Verbindungen erhalten werden, die ein breites Spektrum an Eigenschaften aufweisen und daher potenzielle Anwendungen in verschiedenen Bereichen haben¹.

Die Stabilität eines Materials ist wichtig für seine Anwendung ^1,2,3. Daher stehen MOFs, die drei- oder vierwertige Metallionen, wie z.B.^Al3+, Cr3+, Ti4+ oder^Zr4+, mit Carboxylat-2- oder^{Phosphonat-4-Linkermolekülen} enthalten, im Mittelpunkt vieler Untersuchungen ^5,6,7. Neben der direkten Synthese stabiler MOFs ist die Erhöhung der Stabilität durch postsynthetische Modifikationen sowie die Bildung von Kompositen ein Interessengebiet². Über MOFs auf Phosphonatbasis wurde im Vergleich zu MOFs auf Carboxylatbasis seltener berichtet⁸. Ein Grund dafür ist die höhere Koordinationsflexibilität der ^CPO32-Gruppe im Vergleich zur -CO_2-Gruppe, die häufig zur Bildung dichter Strukturen und einer größeren strukturellen Diversität führt 8,9,10,11. Darüber hinaus müssen häufig Phosphonsäuren synthetisiert werden, da sie auf dem Markt nur selten verfügbar sind. Während einige Metallphosphonate eine außergewöhnliche chemische Stabilität aufweisen¹⁰, ist der systematische Zugang zu isoretikularen Metallphosphonat-MOFs, der die Abstimmung von Eigenschaften ermöglicht, immer noch ein Thema von hoher Relevanz^12,13. Es wurden verschiedene Strategien für die Synthese von porösen Metallphosphonaten untersucht, wie z. B. der Einbau von Defekten in ansonsten dichte Schichten, z. B. durch teilweisen Ersatz von Phosphonat durch Phosphatliganden ^4,14. Da defekte Strukturen jedoch schlecht reproduzierbar sind und die Poren nicht gleichmäßig sind, wurden andere Strategien entwickelt. In den letzten Jahren hat sich die Verwendung sterisch anspruchsvoller oder orthogonalisierter Phosphonsäuren als Linkermoleküle als geeignete Strategie für die Herstellung von porösen Metallphosphonaten^{herauskristallisiert} 4,8,10,11,13,15,16,17,18 . Ein universeller Syntheseweg für poröse Metallphosphonate wurde jedoch noch nicht entdeckt. Infolgedessen ist die Synthese von Metallphosphonaten oft ein Prozess von Versuch und Irrtum, der die Untersuchung vieler Syntheseparameter erfordert.

Der Parameterraum eines Reaktionssystems umfasst chemische und Prozessparameter und kann sehr groß sein¹⁹. Es besteht aus Parametern wie der Art des Ausgangsmaterials (Metallsalz), den Molverhältnissen der Ausgangsstoffe, den Additiven zur pH-Einstellung, den Modulatoren, der Art des Lösungsmittels, den Lösungsmittelmischungen, den Volumina, den Reaktionstemperaturen, den Zeiten ^usw.19,20. Eine moderate Anzahl von Parametervariationen kann leicht zu mehreren hundert Einzelreaktionen führen, was einen sorgfältig durchdachten Syntheseplan und einen gut gewählten Parameterraum erforderlich macht. Zum Beispiel kann eine einfache Studie mit sechs molaren Verhältnissen des Linkers zum Metall (z. B. M:L = 1:1, 1:2, ... auf 1:6) und vier verschiedenen Konzentrationen eines Additivs und dem Konstanthalten des anderen Parameters, führt bereits zu 6 x 4 = 24 Experimenten. Bei Verwendung von vier Konzentrationen, fünf Lösungsmitteln und drei Reaktionstemperaturen müssten die 24 Experimente 60 Mal durchgeführt werden, was zu 1.440 Einzelreaktionen führte.

Hochdurchsatzmethoden (HT) basieren auf den Konzepten der Miniaturisierung, Parallelisierung und Automatisierung, je nach wissenschaftlicher Fragestellung in unterschiedlichem Maße^19,20. Als solche können sie verwendet werden, um die Untersuchung von Multiparametersystemen zu beschleunigen und sind ein ideales Werkzeug für die Entdeckung neuer Verbindungen sowie für die Syntheseoptimierung^19,20. HT-Methoden werden erfolgreich in verschiedenen Bereichen eingesetzt, von der Wirkstoffforschung bis zur Materialwissenschaft²⁰. Sie wurden auch für die Untersuchung von porösen Materialien wie Zeolithen und MOFs in solvothermen Reaktionen verwendet, wie kürzlich zusammengefasst²⁰. Ein typischer HT-Arbeitsablauf für die solvothermale Synthese besteht aus sechs Schritten (Abbildung 1^)19,20,21: a) Auswahl des interessierenden Parameterraums (d. h. der Versuchsplanung [DOE])^, die manuell oder mithilfe von Software erfolgen kann; b) Dosierung der Reagenzien in die Gefäße; c) solvothermale Synthese; d) Isolierung und Aufarbeitung; e) Charakterisierung, die typischerweise mit Pulver-Röntgenbeugung (PXRD) erfolgt; und f) Datenauswertung, auf die sich wieder Schritt eins anschließt.

Parallelisierung und Miniaturisierung werden bei solvothermen Reaktionen durch die Verwendung von Multiklaven erreicht, die häufig auf dem etablierten 96-Well-Plattenformat basieren, das am häufigsten in der Biochemie und Pharmazie verwendet wird 19,20,22,23. Es wurde über verschiedene Reaktorkonstruktionen berichtet und mehrere Gruppen haben ihre eigenen Reaktoren gebaut ^19,20. Die Wahl des Reaktors hängt vom interessierenden chemischen System ab, insbesondere von der Reaktionstemperatur, dem (autogenen) Druck und der Reaktorstabilität^19,20. In einer systematischen Studie zu zeolithischen Imidazolat-Gerüsten (ZIFs) haben Banerjee et al.²⁵ verwendeten das 96-Well-Glasplattenformat, um über 9600 Reaktionen^{durchzuführen 24}. Für Reaktionen unter solvothermen Bedingungen wurden unter anderem kundenspezifische Polytetrafluorethylen (PTFE)-Blöcke oder Multiklaven mit 24 oder 48 einzelnen PTFE-Einsätzen von der Stockgruppe^19,20 beschrieben. Sie werden beispielsweise routinemäßig bei der Synthese von Metallcarboxylaten und Phosphonaten eingesetzt. Reinsch et al.²⁵ berichteten über die Vorteile der Methodik auf dem Gebiet der porösen Aluminium-MOFs²⁵. Die hauseigenen HT-Reaktorsysteme (Abbildung 2), mit denen 24 oder 48 Reaktionen gleichzeitig untersucht werden können, enthalten PTFE-Einsätze mit einem Gesamtvolumen von 2,655 ml bzw. 0,404 ml (Abbildung 2A,B). In der Regel wird nicht mehr als 1 ml bzw. 0,1 ml verwendet. Während diese Reaktoren in konventionellen Öfen verwendet werden, wurde auch über eine mikrowellenunterstützte Erwärmung mit SiC-Blöcken und kleinen Glasgefäßen berichtet²⁶.

Die Automatisierung von Studien führt zu Zeitersparnis und verbesserter Reproduzierbarkeit, da der Einfluss des menschlichen Faktors minimiert wird²⁰. Der Grad der Nutzung von Automatisierung variiert stark^19,20. Vollautomatische kommerzielle Systeme, einschließlich Pipettier- 20 oder Wägefunktionen²⁰, sind bekannt. Ein aktuelles Beispiel ist der Einsatz eines Liquid-Handling-Roboters zur Untersuchung von ZrMOFs, über den die Gruppe von Rosseinsky²⁷ berichtet. Die automatisierte Analyse kann mittels PXRD mit einem Diffraktometer durchgeführt werden, das mit einem xy-Tisch ausgestattet ist. In einem anderen Beispiel wurde ein Plattenleser verwendet, um Festkörperkatalysatoren, hauptsächlich MOFs, für das HT-Screening des Nervengiftabbaus zu screenen²⁸. Proben können in einem einzigen Lauf charakterisiert werden, ohne dass manuelle Proben- oder Positionsänderungen erforderlich sind. Die Automatisierung eliminiert menschliche Fehler nicht, aber sie verringert die Wahrscheinlichkeit, dass sie auftreten^19,20.

Im Idealfall sollten alle Schritte in einem HT-Workflow in Bezug auf Parallelisierung, Miniaturisierung und Automatisierung angepasst werden, um mögliche Engpässe zu beseitigen und die Effizienz zu maximieren. Wenn es jedoch nicht möglich ist, einen HT-Workflow in seiner Gesamtheit zu etablieren, kann es hilfreich sein, ausgewählte Schritte/Werkzeuge für die eigene Forschung zu übernehmen. Der Einsatz von Multiklaven für 24 Reaktionen ist hier besonders sinnvoll. Die technischen Zeichnungen der in dieser Studie (und anderen) verwendeten selbst hergestellten Geräte werden zum ersten Mal veröffentlicht und sind in der Ergänzungsdatei 1, der Ergänzungsdatei 2, der Ergänzungsdatei 3 und der Ergänzungsdatei 4 zu finden.

Protokoll

In diesem Protokoll wird die HT-Untersuchung chemischer Systeme zur Entdeckung neuer kristalliner Materialien am Beispiel von Al-CAU-60²⁹ beschrieben.

1. Versuchsplanung (DOE)

HINWEIS: Der erste Schritt besteht darin, einen Syntheseplan aufzustellen, der Kenntnisse über den Reaktoraufbau (Abbildung 2), die verwendeten Reaktanten und Lösungsmittel erfordert. Dieses Syntheseplanungsverfahren ist so angepasst, dass 24 oder 48 Reaktionen unter einem bestimmten Temperatur-Zeit-Programm durchgeführt werden, wobei intern hergestellte Stahl-Multiklaven verwendet werden, um 24 (Abbildung 2A) oder 48 Reaktionen (Abbildung 2B) gleichzeitig durchzuführen. Bei den Reaktoren handelt es sich um selbst hergestellte PTFE-Einsätze mit einem gebrauchten Reagenz-/Lösungsmittelvolumen von 1 mL (PTFE-Reaktor zur Durchführung von 24 Reaktionen im Stahl-Multiklaven) bzw. 100 μL (PTFE-Reaktor zur Durchführung von 48 Reaktionen im Stahl-Multiklaven). Die technischen Zeichnungen des Reaktoraufbaus finden Sie in der Ergänzungsdatei 1 bzw. in der Ergänzungsdatei 2.

1. Bestimmen Sie zunächst den zu untersuchenden Parameterraum. Treffen Sie daher Entscheidungen über eine anfängliche Anzahl von Reaktionen, Metallquelle und Linkermolekül sowie die Verwendung von Additiven und Lösungsmitteln.
   1. Für das gewählte Beispiel von Al-CAU-60 werden 24 Reaktionen mit AlCl₃∙_6H2Oals Metallquelle und N,N′-Piperazin-Bis(methylenphosphonsäure) (_H4PMP) als Linkermolekül durchgeführt. Darüber hinaus sollten wässrige Lösungen von NaOH und HCl als Additive verwendet werden, um den Einfluss des pH-Werts der Reaktionsmischung auf die Produktbildung zu untersuchen.1
      HINWEIS: Die Wahl der Parameter basiert in der Regel auf veröffentlichten Syntheseverfahren oder Prinzipien, die auf grundlegendem chemischem Wissen basieren. Für die erfolgreiche Entdeckung neuer Materialien sollte jedoch eine breitere Variation der Reaktionsparameter angewendet werden (d. h. ein gewisses Maß an Diversität der Reaktionsparameter sollte berücksichtigt werden). Die Anzahl der zu variierenden Parameter und die Art der Variationen können auf unterschiedlichen Prinzipien beruhen. In der einfachsten Form sollte jeweils nur ein Parameter geändert werden. So kann beispielsweise eine feste Metallsalzkonzentration in Kombination mit variierenden Linkermolekülkonzentrationen verwendet werden, um unterschiedliche Linker-zu-Metall-Verhältnisse zu untersuchen. Bei der Untersuchung können jedoch auch unterschiedliche Molverhältnisse des Linkers zum Metall und anderer Lösungsmittel oder Additive verwendet werden. Der zugängliche Parameterraum ist durch die Löslichkeit der Ausgangsstoffe (Menge und Lösungsmitteltyp) in Fällen begrenzt, in denen nur Lösungen^{verwendet werden 21}. Die Dosierung von Feststoffen erweitert den zugänglichen Parameterraum²⁰.
2. Geben Sie den Parameterraum an. Wählen und berechnen Sie dazu Mengen an Ausgangsstoffen (Molverhältnisse) und Lösungsmittelvolumina.
   1. Für das gewählte Beispiel von Al-CAU-60 variieren Sie das molare Verhältnis von_H4PMPzu^Al3+ zwischen 4:1 und 0,3:1 in sechs Schritten: 4:1, 3:1, 2:1, 1:1, 0,5:1, 0,3:1. Führen Sie alle sechs Synthesen mit unterschiedlichen Additivverhältnissen durch; Es wird ein molares Verhältnis von NaOH zu Al 3+ (1:1) und zwei molare Verhältnisse von HCl zu Al³⁺ (20:1 und 40:1) sowie ein Verhältnis ohne Zusatzstoffe untersucht. Berechnen Sie anhand einer Tabelle die Mengen an Ausgangsstoffen, die dafür benötigt werden, die Sie in den Zusatzinformationen finden.

2. Dosierung und solvothermale Synthese

1. Bereiten Sie die Stammlösungen in einem Abzug vor, indem Sie das Standardprotokoll für die Herstellung von Stammlösungen der Reagenzien befolgen.
   ACHTUNG:_H4PMP, AlCl₃∙6_H2O, HCl und NaOH sind ätzende Substanzen, die bei Kontakt schwere Hautverbrennungen und Augenschäden verursachen. Tragen Sie persönliche Schutzausrüstung, wenn Sie mit diesen Substanzen arbeiten.
   1. Für das gewählte Beispiel von Al-CAU-60 sind die folgenden Reagenzien gemäß der Tabelle in den unterstützenden Informationen (Ergänzende Tabelle 1) herzustellen: Salzsäurelösung mit einer Konzentration von 10 mol/l, Natronlauge mit einer Konzentration von 1 mol/l und eine AlCl₃∙6H2O-Lösung miteiner Konzentration von 1 mol/l.
      HINWEIS: Die Produktbildung kann auch vom Aggregationsstatus der zugesetzten Reagenzien abhängen. Bei Feststoffen kann die Partikelgröße aufgrund der Auflösungsgeschwindigkeit einen Einfluss haben. Zu Beginn der Studie sollte entschieden werden, ob Feststoffe oder Lösungen verwendet werden sollen, um eine systematische Bewertung zu ermöglichen.
2. Legen Sie die Scheiben in die Probenplatte ein (Abbildung 3A).
3. Reagenzien, Additive und Lösungsmittel in die PTFE-Einsätze überführen (Abbildung 3B).
   1. Für das gewählte Beispiel von Al-CAU-60 wird zunächst der Linker_H4PMP als Feststoff zu den PTFE-Einsätzen gegeben, dann die Aluminiumchloridlösung, das demineralisierte Wasser und die Lösung von Additiven (NaOH oder HCl) mit einer Pipette gemäß den in der Tabelle berechneten Werten in den Begleitinformationen (Ergänzende Tabelle 1) zugegeben.
      HINWEIS: Die Reihenfolge, in der die PTFE-Einsätze gefüllt werden, kann ebenfalls die Produktbildung beeinflussen. Daher sollte die Reihenfolge der Ausgangsstoffe im Voraus ausgewählt und während der gesamten Studie beibehalten werden, um eine systematische Bewertung zu ermöglichen.
4. Setzen Sie die gefüllten PTFE-Einsätze in die Probenplatte ein.
5. Markieren Sie die Grundplatte des Reaktors so, dass die PTFE-Einsätze später identifiziert werden können. Setzen Sie die Probenplatte mit den gefüllten PTFE-Einsätzen in die Grundplatte des Reaktors ein (Abbildung 3C).
6. Bereiten Sie zwei PTFE-Platten (mit einer Dicke von 0,1 mm) vor, um die Probenplatten abzudecken.
7. Legen Sie die PTFE-Platten auf die Probenplatte (Abbildung 3D).
8. Stellen Sie sicher, dass die PTFE-Folie richtig positioniert ist und mit den Führungsstiften (Abbildung 3E) auf die Kopfplatte passt, fügen Sie die Schrauben hinzu und ziehen Sie sie von Hand fest.
9. Dichten Sie den zunächst geschlossenen Reaktor z. B. mit Hilfe einer mechanischen oder hydraulischen Presse (Bild 4A) so weit ab, dass die federbelasteten Druckstücke noch 2 mm Freiraum haben (Bild 4B). Ziehen Sie dann die Schrauben wieder von Hand fest (Abbildung 4C). Beachten Sie, dass ein zu starkes Anziehen die Multiklaven beschädigen (verbiegen) kann.
10. Stellen Sie den Multiklaven in einen programmierbaren Umluftofen (Abbildung 4D) und stellen Sie dann das ausgewählte Temperatur-Zeit-Programm ein und starten Sie es. Es empfiehlt sich, einen Umluftofen zu verwenden, um eine gleichmäßige Erwärmung zu gewährleisten.
    1. Für die Entdeckung von Al-CAU-60 stellen Sie folgendes Temperatur-Zeit-Programm ein: Den Ofen in 12 h auf 160 °C vorheizen, die Zieltemperatur 36 h halten und in 12 h auf Raumtemperatur (RT) abkühlen.
       HINWEIS: Die Wahl des Temperatur-Zeit-Programms kann die Produktbildung^{beeinflussen 30}. Dazu gehören die gebildeten Phasen, häufiger aber auch die Kristallgröße und -morphologie³⁰.

3. Isolierung und Aufarbeitung

1. Nehmen Sie den Multiklaven aus dem Ofen, wenn die Temperatur Raumtemperatur erreicht hat.
2. Legen Sie den Multiklaven z. B. in eine mechanische oder hydraulische Presse und drücken Sie ihn vorsichtig zusammen, bis sich die Schrauben von Hand lösen lassen (Abbildung 5A).
3. Legen Sie den Multiklaven in einen Abzug und entfernen Sie die Kopfplatte des Reaktors, entfernen Sie dann die PTFE-Platten und entfernen Sie die Probenplatte mit den PTFE-Einsätzen von der Grundplatte des Reaktors (Abbildung 5B).
4. Prüfen Sie die PTFE-Einsätze und prüfen Sie sie auf Kristalle (Abbildung 5C). Falls vorhanden, isolieren Sie einige von ihnen zusammen mit etwas Mutterlauge.
5. Als nächstes montieren Sie den hauseigenen Hochdurchsatz-Filterblock (Abbildung 6A): Verbinden Sie den Filterblock über zwei Waschflaschen mit einer Vakuumpumpe und legen Sie zwei Filterpapiere zwischen zwei Silikondichtungsmatten mit den entsprechenden Aussparungen (Abbildung 6B-D) im Filterblock. Setzen Sie den PTFE-Füllblock darauf und achten Sie darauf, dass die entsprechenden Aussparungen zu den Dichtmatten und dem Filterblock passen (Abbildung 6E). Ziehen Sie die Lagen mit dem Klemmrahmen fest, der von vier Stehbolzen gehalten wird. Um das Gerät ordnungsgemäß abzudichten, verwenden Sie Flügelmuttern an den Stehbolzen und ziehen Sie sie von Hand fest (Abbildung 6F).
   ANMERKUNG: Die technischen Zeichnungen des Filtrationsblocks sind in den unterstützenden Informationen (Zusatzdatei 3) enthalten. Sollte kein Filterblock vorhanden sein, können die Produkte auch einzeln gefiltert werden.
6. Verschließen Sie die Aussparungen des Füllblocks, die nicht mit Stopfen gefüllt werden sollen (Bild 6F).
   1. Versiegeln Sie später die bereits entleerten Vertiefungen. Dadurch können auch die anderen Brunnen entleert werden.
7. Schalten Sie die Membran-Vakuumpumpe ein und stellen Sie sie auf einen Modus ein, in dem sie auf das bestmögliche Vakuum (5-12 mbar) abpumpt.
8. Mit Hilfe von Einwegpipetten wird der Inhalt der PTFE-Einsätze in die dafür vorgesehenen Vertiefungen des Füllblocks überführt (Abbildung 7A).
   HINWEIS: Wenn schädliche Lösungsmittel (z. B. Dimethylformamid) verwendet werden, sollten die Produkte mit Ethanol oder einem anderen weniger giftigen und flüchtigeren Lösungsmittel gewaschen werden, um den Kontakt mit schädlichen Substanzen während der folgenden Schritte zu reduzieren.
9. Nachdem alle Einsätze leer sind, suchen Sie ein zweites Mal nach Kristallen und isolieren Sie sie, falls vorhanden (Abbildung 7B). HINWEIS: Es wird empfohlen, ein optisches Mikroskop mit der Möglichkeit zu verwenden, verschiedene Vergrößerungen zu verwenden, um die Größe der Kristallite zu bestimmen.
10. Demontieren Sie den Filterblock vorsichtig, sobald alle Vertiefungen entleert sind (Abbildung 7C).
11. Auf dem Filterpapier steht nun eine sogenannte "Produktbibliothek" zur Verfügung (Abbildung 7D).
12. Trocknen Sie die Produktbibliothek, indem Sie sie in einem Abzug an der Luft trocknen lassen. Bei ungiftigen und nicht korrosiven Lösungsmitteln können die PXRD-Messungen mit nassen Produkten durchgeführt werden.

4. Charakterisierung

HINWEIS: Für die Entdeckung neuer kristalliner Verbindungen werden die erhaltenen Produkte durch HT-PXRD charakterisiert. Neue kristalline Phasen werden identifiziert und für die weitere Charakterisierung verwendet. Die Arbeit mit dem Pulver-Röntgendiffraktometer folgt einem Standardverfahren, das in der Bedienungsanleitung zu finden ist. Es kann auch ein handelsübliches Pulver-Röntgendiffraktometer verwendet werden, was die Charakterisierung mühsamer macht.

1. Platzieren Sie die Produktbibliothek zwischen zwei Metallplatten (Grundplatte und Deckplatte; Abbildung 7E und Ergänzungsdatei 4) so, dass die Aussparungen in den Platten mit den Produktstellen übereinstimmen, um eine Prüfung mittels PXRD zu ermöglichen. Richten Sie die Platten vorsichtig aus und befestigen Sie sie mit zwei Schrauben (Abbildung 7F).
2. Legen Sie die Produktbibliothek in den Probenhalter des Diffraktometers ein (Abbildung 8A,B).
   HINWEIS: Für andere Probenhalter sind möglicherweise andere Halterungen erforderlich. Weitere Informationen finden Sie im Benutzerhandbuch.
3. Setzen Sie den geladenen Probenhalter vorsichtig in den xy-Tisch des Diffraktometers ein und schließen Sie das Gerät (Abbildung 8C).
4. Das Diffraktometer wird über die WinX^{POW-Software 31} gesteuert. Stellen Sie im Fenster " Diffraktometersteuerung " den Messmodus ein, indem Sie auf das Menü " Bereiche " klicken und "Scan-Modus" wählen. Es öffnet sich ein neues Fenster. Wählen Sie dazu Scan-Modus: Übertragung, PSD-Modus: Bewegen, Scan-Typ: 2Theta und Omega-Modus: Fest und Bestätigen Sie den Dialog.
5. Um die Messparameter einzustellen, klicken Sie auf das Menü Bereiche und wählen Sie Scanbereich.
   1. Es öffnet sich ein neues Fenster. Klicken Sie hier auf das Plus-Symbol und bearbeiten Sie die angezeigten Standardeinstellungen mit einem Doppelklick.
   2. Um die Produktbibliothek zu charakterisieren, führen Sie eine kurze 4-minütige Messung jeder Probe mit den folgenden Einstellungen durch: (a) 2Theta (Beginn, Ende): 2, 47 , (b) Schritt: 1,5, (c) Zeit/PSD Schritt [s]: 2, (d) Omega: 0. Bestätigen Sie beide Dialoge.
6. Um die Proben auszuwählen, die auf dem xy-Tisch gemessen werden sollen, klicken Sie auf das Menü " Bereiche " und wählen Sie " Scan-Verwendung".
   1. Es öffnet sich ein neues Fenster. Setzen Sie die Scan-Verwendung auf Mehrere Samples und aktivieren Sie die Option Einzelne Bereiche/Dateien.
   2. Klicken Sie anschließend auf die Schaltfläche Bereiche/Dateien; Es öffnet sich ein neues Fenster ("HT_Editor") mit 48 wählbaren Sample-Positionen. Wählen Sie alle Positionen mit Proben auf der Probenplatte aus, indem Sie bei gedrückter 'Control'-Taste auf die Position klicken.
   3. Um die Positionen zu aktivieren, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Measure Samples. Bestätigen Sie beide Dialoge.
7. Speichern Sie die Dateien, indem Sie im Menü auf Datei klicken und Speichern unter wählen. Nachdem Sie ein Verzeichnis und einen Dateinamen ausgewählt haben, klicken Sie auf die Schaltfläche Speichern .
8. Starten Sie die Messung, indem Sie im Menü auf Messen klicken und den ersten Eintrag Datenerfassung auswählen. Es öffnet sich ein neues Fenster. Klicken Sie auf die Schaltfläche Ok , um die Messung zu starten.
   HINWEIS: Die Standardeinstellungen und das Verfahren zur Kalibrierung des Diffraktometers sollten der Bedienungsanleitung entnommen werden. Die Wahl der Messparameter (Abtastwinkel, Schrittweite, Zeit pro Abtastschritt) ist auch von der Dichte des Materials, dem Gewicht der beugenden Atome usw. abhängig und muss ggf. angepasst werden. Die Absorption der Röntgenstrahlung kann ein Problem darstellen, wenn zu viel Probe gebildet wird und schwere Elemente verwendet werden.

5. Datenauswertung

HINWEIS: Für die Auswertung der Daten wird ein internes Verfahren verwendet; Andere Verfahren sind denkbar. Die PXRD-Daten werden im ".raw" -Dateiformat erhalten. Um die Diffraktogramme in anderer Software auswerten zu können, muss dieses Dateiformat z.B. in das Dateiformat ".xyd" konvertiert werden.

1. Öffnen Sie die WinX^{POW-Software 31}. Um die Pulver-Röntgendiffraktogramme zu öffnen, verwenden Sie das Menü Rohdaten und wählen Sie Rohdatenverarbeitung. Es öffnet sich ein neues Fenster.
2. Klicken Sie auf das Symbol für Batch Open und wählen Sie alle Dateien über Add Files aus. Nachdem Sie alle Dateien ausgewählt haben, klicken Sie auf Öffnen und bestätigen Sie mit Ok.
3. Normalisieren Sie die Intensitäten auf einen Maximalwert von 10.000, indem Sie auf die Bereiche klicken und Intensitäten anpassen auswählen. Es öffnet sich ein neues Fenster. Wählen Sie die Option Intensitäten auf max. Int. normalisieren und schreiben Sie 10000. Klicken Sie auf OK.
   ANMERKUNG: Die WinX^{POW-Software31} überschreibt die Rohdaten, wenn die Daten geändert werden; Stellen Sie sicher, dass Sie mit Kopien der Daten arbeiten.
4. Exportieren Sie die Dateien über das Export-Symbol in ein für Evaluierungsprogramme geeignetes Dateiformat. Wählen Sie ein Ausgabeverzeichnis aus und verwenden Sie das X/Y-Dateiformat . Klicken Sie auf OK , um den Export abzuschließen.
5. Zeigen Sie die PXRD-Daten in einer gestapelten oder getrennten Ansicht in einem geeigneten Programm an. Identifizieren Sie die kristallinsten Produkte, indem Sie die Anzahl der Reflexionen, die Halbwertsbreite (volle Breite bei halbem Maximum [FWHM]) und das Signal-Rausch-Verhältnis untersuchen.
   HINWEIS: Für eine erste Analyse kann auch die WinX^{POW-Software31} mit dem Unterprogramm Grafik und der Funktion Suchen und Abgleichen verwendet werden.

Ergebnisse

Die PXRD-Daten sind in Abbildung 9 dargestellt. Für die erste Auswertung werden die erhaltenen Ergebnisse mit den Syntheseparametern des untersuchten Parameterraums verknüpft. Die Untersuchung wurde mit sechs verschiedenen molaren Verhältnissen von Linker zu Metall und vier verschiedenen molaren Verhältnissen von NaOH/HCl zu Al³⁺ durchgeführt. Durch die Verknüpfung dieser Informationen mit den erhaltenen PXRD-Daten (Abbildung 9) ist zu erkennen,...

Diskussion

Aufgrund der Komplexität der HT-Methode werden in den folgenden Abschnitten auf die einzelnen Schritte und die Methode selbst eingegangen. Der erste Teil befasst sich mit den kritischen Schritten für jeden Arbeitsschritt des HT-Workflows (Abbildung 1), möglichen Modifikationen und gegebenenfalls Einschränkungen der Technik. Abschließend wird eine allgemeine Diskussion vorgestellt, die auch die Bedeutung der HT-Methode im Hinblick auf bestehende Methoden und zukünftige Anwendungen einsc...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
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