Descubrimiento y optimización de la síntesis de compuestos metal-orgánicos basados en fosfonato de Al(III) isorreticular utilizando métodos de alto rendimiento

Resumen

La síntesis dirigida de nuevos marcos metal-orgánicos (MOF) es difícil, y su descubrimiento depende del conocimiento y la creatividad del químico. Los métodos de alto rendimiento permiten explorar campos de parámetros sintéticos complejos de forma rápida y eficiente, acelerando el proceso de búsqueda de compuestos cristalinos e identificando tendencias sintéticas y estructurales.

Resumen

Los métodos de alto rendimiento (HT) son una herramienta importante para el cribado rápido y eficiente de los parámetros de síntesis y el descubrimiento de nuevos materiales. Este manuscrito describe la síntesis de estructuras metal-orgánicas (MOFs) a partir de una solución utilizando un sistema de reactor HT, lo que resulta en el descubrimiento de varios MOF basados en fosfonatos de la composición [Al 2 H 12-x(PMP)₃]Cl x∙6H₂O (H4 PMP = N,N '-piperazina bis(ácido metilenofosfónico)) para_x =₄, 6, denotado como Al-CAU-60-xHCl, que contiene iones de aluminio trivalentes. Esto se logró en condiciones de reacción solvotérmica mediante el cribado sistemático del impacto de la relación molar del enlazador con el metal y el pH de la mezcla de reacción en la formación del producto. El protocolo para la investigación de la HT incluye seis pasos: a) planificación de la síntesis (DOE = diseño del experimento) dentro de la metodología de la HT, b) dosificación y trabajo con reactores de HT desarrollados internamente, c) síntesis solvotérmica, d) elaboración de la síntesis utilizando bloques de filtración desarrollados internamente, e) caracterización por difracción de rayos X de polvo de HT y f) evaluación de los datos. La metodología HT se utilizó por primera vez para estudiar la influencia de la acidez en la formación del producto, lo que llevó al descubrimiento del Al-CAU-60∙xHCl (x = 4 o 6).

Introducción

Los marcos metal-orgánicos (MOF) son compuestos porosos y cristalinos cuyas estructuras consisten en nodos que contienen metales, como iones metálicos o grupos de metal-oxígeno, que están conectados por moléculas orgánicas (enlazadores)¹. Al variar los nodos que contienen metal, así como el enlazador, se puede obtener una variedad de compuestos que exhiben una amplia gama de propiedades y, por lo tanto, tienen aplicaciones potenciales en diferentes campos¹.

La estabilidad de un material es importante para su aplicación ^1,2,3

Protocolo

En este protocolo se describe la investigación HT de sistemas químicos para descubrir nuevos materiales cristalinos, utilizando como ejemplo Al-CAU-60²⁹ .

1. Diseño del experimento (DOE)

NOTA: El primer paso es establecer un plan de síntesis, que requiere conocimiento de la configuración del reactor (Figura 2), los reactivos y los solventes utilizados. Este procedimiento de planificación de síntesis está adaptado para realizar 24 o 48 reacciones bajo un programa específico de temperatura-tiempo, para lo cual se utilizan multiclaves de acero de f....

Discusión

Debido a la complejidad del método HT, los pasos individuales y el método en sí se analizan en las siguientes secciones. La primera parte cubre los pasos críticos para cada paso de trabajo del flujo de trabajo de HT (Figura 1), las posibles modificaciones y las limitaciones de la técnica, cuando corresponda. Al final, se presenta una discusión general que también incluye la importancia del método HT con respecto a los métodos existentes y las aplicaciones futuras.

Materiales

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