JoVE Logo
著者
お問い合わせ

サインイン

このコンテンツを視聴するには、JoVE 購読が必要です。 サインイン又は無料トライアルを申し込む。

この記事について

  • 要約
  • 要約
  • 概要
  • プロトコル
  • 結果
  • ディスカッション
  • 開示事項
  • 謝辞
  • 資料
  • 参考文献
  • 転載および許可

要約

合成後配位子交換(PSE)は、官能基を有機金属フレームワーク(MOF)にインストールするための汎用性の高い強力なツールです。トリアゾールおよびテトラゾール官能配位子を含む溶液にMOFを曝露すると、PSEプロセスを介してこれらの複素環部分をZr-MOFに組み込むことができます。

要約

金属有機フレームワーク(MOF)は、金属クラスターと有機配位子の間の配位結合によって形成される多孔質材料の一種です。それらの配位性の性質を考えると、有機リガンドとストラットフレームワークはMOFから容易に除去され、および/または他の配位分子と交換することができます。MOF含有溶液に標的リガンドを導入することにより、合成後リガンド交換(PSE)と呼ばれるプロセス を介して 、新しい化学タグを持つ官能化されたMOFを得ることができます。PSEは、固溶平衡プロセス を介して 新しい化学タグを持つ幅広いMOFの調製を可能にする、簡単で実用的なアプローチです。さらに、PSEは室温で実施できるため、熱的に不安定な配位子をMOFに組み込むことができます。本研究では、複素環式トリアゾールおよびテトラゾール含有配位子を用いてZr系MOF(UiO-66;UiO = オスロ大学)。消化後、官能化されたMOFは、粉末X線回折や核磁気共鳴分光法などのさまざまな技術 によって 特徴付けられます。

概要

金属有機構造体(MOF)は、金属クラスターと多トピック有機配位子間の配位結合によって形成される3次元多孔質材料です。MOFは、永久的な多孔性、低密度、および多様なアプリケーションを可能にする有機成分と無機成分を会合する能力により、大きな注目を集めています1,2。さらに、幅広い金属ノードとストラット有機リンカーは、理論的に無制限の構造の組み合わせをMOFに提供します。同一のフレームワーク構造であっても、MOFの物理的および化学的特性は、化学タグによる配位子の官能基化によって変更することができます。この変更プロセスは、特定のアプリケーション3、4、5、6、7、8、9に合わせてMOFの特性を調整するための有望なルートを提供します。

MOFリガンド10,11に官能基を導入および/または修飾するために、MOF合成前のリガンドの事前官能化とMOFの合成後修飾(PSM)の両方が採用されています。特に、共有結合PSMは、新しい官能基を導入し、多様な官能基を持つさまざまなMOFを生成するために広く研究されています12、13、14。例えば、UiO-66-NH2は、適切なハロゲン化アシル(塩化アセチルやn-ヘキサノイルクロリドなど)とのアシル化反応により、鎖長の異なるアミド官能化UiO-66-AM(最短のアセトアミドから最長のn-ヘキシルアミドまで)に変換できます15,16。このアプローチは、特定の官能基をMOFリガンドに導入する共有結合性PSMの汎用性を実証し、幅広いアプリケーションへの道を開きます。

共有結合PSMに加えて、合成後リガンド交換(PSE)はMOFを修飾するための有望な戦略です(図1)。MOFは金属と配位子(カルボン酸塩など)の間の配位結合で構成されているため、これらの配位結合は溶液から外部配位子に置き換えることができます。化学タグを有する所望のリガンドを含む溶液にMOFを曝露することは、PSE 17、18、19、20、21、22を介してMOFに組み込むことができる。PSEプロセスは配位溶媒の存在によって加速されるため、この現象は溶媒支援配位子交換(SALE)とも呼ばれます23,24。このアプローチは、広範囲の外部リガンドを有するMOFを機能化するための柔軟で容易な方法を提供し、幅広い用途を可能にする25、26、27、28、29。

figure-introduction-2127
図1:トリアゾールおよびテトラゾール官能化H2BDC配位子の合成、およびPSEを介したトリアゾール官能化およびテトラゾール官能化UiO-66 MOFの調製。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

PSEプロセスの進行は、配位子比率、交換温度、および時間を調整することによって制御することができる。特に、室温PSEは、溶液からMOF固体20に配位子を交換することによって官能化されたMOFを得るために使用することができる。PSE戦略は、熱的に不安定な官能基(アジド基など)と配位性官能基(フェノール基など)の両方をMOF構造18に導入するのに特に有用である。さらに、PSE戦略は、金属および配位結合のバリエーションを持つさまざまなMOFに適用されています。この交換は、MOF30,31,32の化学における普遍的なプロセスです。本研究では、PSEが手付かずの非機能化MOFから機能化されたMOFを取得するための詳細なプロトコルを提示し、MOFの機能化の成功を確認するための特性評価戦略を提供します。この方法は、多様な官能基を持つMOFを変更するためのPSEの汎用性と利便性を示しています。

テトラゾール含有ベンゼン-1,4-ジカルボン酸(H2 BDC-テトラゾール)33、およびトリアゾール含有ベンゼン-1,4-ジカルボン酸(H2BDC-トリアゾール)を標的配位子として合成し、UiO-66 MOFのPSEに利用して、新規で配位のないトリアゾール含有MOFを取得します。トリアゾールとテトラゾールはどちらも複素環上に酸性N-Hプロトンを有し、金属カチオンと配位できるため、MOFの構築に使用できます34,35。しかし、配位のないテトラゾールやトリアゾールをMOFや関連構造に組み込むことに関する研究は限られています。トリアゾール官能化Zr-MOFの場合,ベンゾトリアゾール官能基を有する直接ソルボサーマル合成によるUiO-68型MOFの光物性を調べた36.テトラゾール官能化Zr-MOFについては、混合直接合成法を採用した33。これらの複素環官能化MOFは、触媒作用、結合親和性による選択的分子取り込み、および燃料電池におけるプロトン伝導などのエネルギー関連アプリケーションのために、MOF細孔内の潜在的な配位部位を提供する可能性があります。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

プロトコル

MOFおよびリガンドの調製に必要な試薬は、 材料表に記載されています。

1. 合成後配位子交換(PSE)プロセスのセットアップ

  1. 予め合成したUiO-66 MOFを真空下で完全に乾燥させ、細孔内の未反応の金属塩と配位子、および残りの溶媒残留物を一晩除去します。
    注:UiO-66 MOFの合成手順については、 補足ファイル1 を参照してください。
  2. 官能化配位子、H 2 BDC-トリアゾール、およびH2BDC-テトラゾールを調製します(調製プロセスについては補足ファイル1を参照)。特性評価のための補足図1および補足図2)を単離状態で、真空下で一晩完全に乾燥させた。
  3. 水酸化カリウムを脱イオン水に溶解して4%水酸化カリウム(KOH)水溶液を調製します。
  4. ポリプロピレン(PP)キャップ付きの20 mLシンチレーションバイアルでPSEプロセスを実行します( 材料表を参照)。
  5. H 2 BDC-トリアゾール (23.3 mg, 0.1 ミリモル) または H2BDC-テトラゾール (23.4 mg, 0.1 ミリモル) を測定し、シンチレーションバイアルに入れます。
  6. H2BDCリガンドを水溶液に溶解する。ガラスピペットを使用して、1.0 mLの4%KOH水溶液をBDC-トリアゾールまたはBDC-テトラゾールを含むシンチレーションバイアルに移します。
    注意:4%KOH水溶液は塩基性が高いです。あらゆる形態の接触を避け、個人用保護具を着用してください。
  7. すべての固体が完全に溶解するまで混合物を超音波処理する。
  8. 溶液をpH 7に中和する。ガラスピペットを使用して、pH 7に達するまでジカルボキシレートを含むシンチレーションバイアルに攪拌しながら1 M塩酸(HCl)水溶液を移します。pH紙(およびその色)またはpHメーターのいずれかでpHを測定します。
    注:MOFは通常、塩基性条件(>pH 7)では不安定であり、BDCリガンドは酸性条件(
  9. MOFをジカルボキシレート溶液に加えてインキュベートします。UiO-66 MOF (33 mg, 0.02 mmol) を pH 7 溶液を含むシンチレーションバイアルに加えます。
    注:pH 7では、UiO-66 MOF粒子は水に溶けないため、水に懸濁します。
  10. MOFとリガンドを含むシンチレーションバイアルをシェーカーで120 rpm、室温で24時間インキュベートします。
    注:攪拌は、PSEプロセスのシェーカーインキュベーションの代わりに使用できます。ただし、磁気攪拌バーとMOFが物理的に接触すると、MOF粒子に亀裂や破損が生じる可能性があるため、注意が必要です。

2.交換されたMOFと洗浄プロセスの分離

  1. インキュベーション後、遠心分離(1,166 x g、5分、室温)により混合物から固体MOFを単離します。
  2. 得られた固体MOFに新鮮なメタノール(10mL)を加え、混合物を振盪して不均一混合物を形成し、残りの未交換BDCリガンドを溶解する。
  3. 遠心分離(1,166 x g、5分、室温)により単離した固体を単離します。
  4. 手順2.2〜2.3をさらに2回繰り返して、合計3回の洗浄サイクルを行います。
  5. 最後の洗浄後、交換したMOF固体を真空下で一晩完全に乾燥させます。

3. 粉末X線回折(PXRD)によるMOFのキャラクタリゼーション

  1. 交換したMOF固体約10 mgをPXRDサンプルホルダーに移します( 材料表を参照)。
  2. サンプルホルダーを回折計に入れます。
  3. PXRDパターン(図2)を5°から30°までの2θの範囲で収集します。
  4. 取得したデータを親 UiO-66 MOF およびシミュレートされたパターンと比較します。

4. 消化後の核磁気共鳴(NMR)によるMOFのキャラクタリゼーション

  1. 交換したMOF固体約30 mgを新しい4 mLバイアルに移します。.
  2. マイクロピペットを使用して、400 μLのDMSO-d 6をMOFサンプルに移します。
  3. マイクロピペットを使用して、200 μLの4.14 M NH4F/D2O溶液をMOF粉末のDMSO-d 6懸濁液に移します。
    注:NH4F / D2O溶液の代わりに、約40%HFの水溶液を使用することができる。この場合、NMRにおいて有意なH2Oピークが観察される。しかしながら、HF消化の場合には、より明瞭な消化が可能である。
    注意: HFは体や中枢神経系に非常に有毒です。あらゆる形態の接触を避け、作業はドラフトで行い、個人用保護具を着用する必要があります。
  4. 消化後にMOFがジメチルスルホキシド(DMSO)-D2O混合溶媒に溶解するまで、不均一混合物を30分間超音波処理する。
  5. 4 mLバイアルからNMRチューブに移しながら、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)シリンジフィルター(Φ13 mm、細孔0.45 μm、 材料表を参照)で溶液をろ過し、残りの不溶性固形物を取り除きます。
  6. NMRチューブをNMR装置に入れます。NMRデータを収集します(図3)。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

結果

交換されたUiO-66 MOF、UiO-66-トリアゾール、およびUiO-66-テトラゾールの合成に成功し、無色の微結晶固体を生成しました。H2BDC−トリアゾールおよびH2BDC−テトラゾール配位子の両方も無色の固体状態を示した。交換の成功を判断するために使用された標準的な方法では、PXRDパターンを測定し、サンプルの結晶化度を元のUiO-66 MOFと比較しました。図2は、?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

ディスカッション

ZrベースのUiO-66 MOFに対する官能化されたBDCリガンドを用いたPSEプロセスは、化学タグを有するMOFを得るための簡単で汎用性の高い方法です。PSEプロセスは水性媒体中で最もよく実施され、水性媒体中でリガンドを溶媒和する最初の工程を必要とする。官能基を有する合成済みBDCを使用する場合は、4%KOH水溶液などの塩基性溶媒に直接溶解することをお勧めします。あるいは、ベンゼン−1,4−?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

開示事項

著者は開示するものは何もありません。

謝辞

この研究は、科学情報通信部が資金提供する韓国国立研究財団(NRF)の基礎科学研究プログラム(NRF-2022R1A2C1009706)の支援を受けました。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
2-Bromoterephthalic acidBLD PharmBD5695reagent for BDC-Triazole
AzidotrimethylsilaneSimga Aldrich155071reagent for BDC-Triazole
Bis(triphenylphosphine)palladium(II) dichlorideTCIB1667reagent for BDC-Triazole
Copper(I) cyanideAlfa-Aesar12135reagent for BDC-Tetrazole
Copper(I) iodideAcros organics20150reagent for BDC-Triazole
Digital Orbital ShakerDaihan ScientificSHO-1DPSE
Formic AcidDaejung chemicalF0195reagent for BDC-Tetrazole
Hybrid LC/Q-TOF systemBruker BioSciencesmaXis 4GHR-MS
Lithum hydroxide monohydrateDaejung chemical5087-4405reagent for BDC-Triazole
Magnesium sulfateSamchun chemicalM1807reagent for BDC-Triazole
Methyl alcoholDaejung chemicalM0584reagent for BDC-Tetrazole
N,N-DimethylformamideDaejung chemicalD0552reagent for BDC-Tetrazole
Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer-500 MHzBrukerAVANCE 500MHzNMR
Polypropylene cap (22 mm, Cork-Backed Foil Lined)Sungho Korea22-200material for digestion
Potassium cyanideAlfa-AesarL13273reagent for BDC-Tetrazole
PVDF Synringe filter (13 mm, 0.45 µm)LK Lab KoreaF14-61-363material for digestion
Scintillation vial (20 mL, borosilicate glass)Sungho Korea74504-20material for digestion
Sodium azide TCIS0489reagent for BDC-Tetrazole
Sodium bicarbonateSamchun chemicalS0343reagent for BDC-Triazole
Tetrabutylammonium fluoride (1 M THF solution)Acros organics20195reagent for BDC-Triazole
TriethylamineTCIT0424reagent for BDC-Triazole
Triethylamine hydrochlorideDaejung chemical8628-4405reagent for BDC-Tetrazole
Trimethylsilyl-acetyleneAlfa-AesarA12856reagent for BDC-Triazole
TriphenylphosphineTCIT0519reagent for BDC-Triazole
X RAY DIFFRACTOMETER SYSTEMRigakuMiniFlex 600PXRD
Zirconium(IV) chlorideAlfa-Aesar12104reagent for BDC-Tetrazole

参考文献

  1. Zhou, H. -C., Long, J. R., Yaghi, O. M. Introduction to metal-organic frameworks. Chemical Reviews. 112 (2), 673-674 (2012).
  2. Furukawa, H., Cordova, K. E., O'Keefe, M., Yaghi, O. M. The chemistry and applications of metal-organic frameworks. Science. 341 (6149), 1230444(2013).
  3. Razavi, S. A. A., Morsali, A. Linker functionalized metal-organic frameworks. Coordination Chemistry Reviews. 399, 213023(2019).
  4. Kim, D., Kang, M., Ha, H., Hong, C. S., Kim, M. Multiple functional groups in metal-organic frameworks and their positional regioisomerism. Coordination Chemistry Reviews. 438, 213892(2021).
  5. Lu, W., et al. Tuning the structure and function of metal-organic frameworks via linker design. Chemical Society Reviews. 43 (16), 5561-5593 (2014).
  6. Xie, L. -H., Liu, X. -M., He, T., Li, J. -R. Metal-organic frameworks for the capture of trace aromatic volatile organic compounds. Chem. 4 (8), 1911-1927 (2018).
  7. Lv, X. -L., et al. Ligand rigidification for enhancing the stability of metal-organic frameworks. Journal of the American Chemical Society. 141 (26), 10283-10293 (2019).
  8. Robison, L., et al. Transient catenation in a zirconium-based metal-organic framework and its effect on mechanical stability and sorption properties. Journal of the American Chemical Society. 143 (3), 1503-1512 (2021).
  9. He, T., Kong, X. -J., Li, J. -R. Chemically stable metal-organic frameworks: rational construction and application expansion. Accounts of Chemical Research. 54 (15), 3083-3094 (2021).
  10. Kalaj, M., Cohen, S. M. Postsynthetic modification: an enabling technology for the advancement of metal-organic frameworks. ACS Central Science. 6 (7), 1046-1057 (2020).
  11. Mandal, S., Natarajan, S., Mani, P., Pankajakshan, A. Post-synthetic modification of metal-organic frameworks toward applications. Advanced Functional Materials. 31 (4), 2006291(2021).
  12. Wang, Z., Cohen, S. M. Postsynthetic modification of metal-organic frameworks. Chemical Society Reviews. 38 (5), 1315-1329 (2009).
  13. Tanabe, K. K., Cohen, S. M. Postsynthetic modification of metal-organic frameworks-a progress report. Chemical Society Reviews. 40 (2), 498-519 (2011).
  14. Cohen, S. M. Postsynthetic methods for the functionalization of metal-organic frameworks. Chemical Reviews. 112 (2), 970-1000 (2012).
  15. Wang, Z., Cohen, S. M. Postsynthetic covalent modification of a neutral metal−organic framework. Journal of the American Chemical Society. 129 (41), 12368-12369 (2007).
  16. Garibay, S. J., Cohen, S. M. Isoreticular synthesis and modification of frameworks with the UiO-66 topology. Chemical Communications. 46 (41), 7700-7702 (2010).
  17. Kim, M., Cahill, J. F., Fei, H., Prather, K. A., Cohen, S. M. Postsynthetic ligand and cation exchange in robust metal-organic frameworks. Journal of the American Chemical Society. 134 (43), 18082-18088 (2012).
  18. Kim, M., Cahill, J. F., Su, Y., Prather, K. A., Cohen, S. M. Postsynthetic ligand exchange as a route to functionalization of 'inert' metal-organic frameworks. Chemical Science. 3 (1), 126-130 (2012).
  19. Taddei, M., Wakeham, R. J., Koutsianos, A., Andreoli, E., Barron, A. R. Post-synthetic ligand exchange in zirconium-based metal-organic frameworks: beware of the defects. Angewandte Chemie International Edition. 57 (36), 11706-11710 (2018).
  20. Park, H., et al. Defect engineering into metal-organic frameworks for the rapid and sequential installation of functionalities. Inorganic Chemistry. 57 (3), 1040-1047 (2018).
  21. Kim, S., Lee, J., Jeoung, S., Moon, H. R., Kim, M. Surface-deactivated core-shell metal-organic framework by simple ligand exchange for enhanced size discrimination in aerobic oxidation of alcohols. Chemistry-A European Journal. 26 (34), 7568-7572 (2020).
  22. Lee, J., et al. Pore engineering of covalently connected metal-organic framework nanoparticle-mixed-matrix membrane composites for molecular separation. ACS Applied Nano Materials. 3 (9), 9356-9362 (2020).
  23. Karagiaridi, O., Bury, W., Mondloch, J. E., Hupp, J. T., Farha, O. K. Solvent-assisted linker exchange: an alternative to the de synthesis of unattainable metal-organic frameworks. Angewandte Chemie International Edition. 53 (18), 4530-4540 (2014).
  24. Yu, D., et al. A solvent-assisted ligand exchange approach enables metal-organic frameworks with diverse and complex architectures. Nature Communications. 11, 927(2020).
  25. Lee, S. Y., et al. Design of ultra-thin nanosheet bimetallic NiCo MOF with binary ligand via solvent-assisted ligand exchange (SALE) reaction for high performance supercapacitors. Electrochimica Acta. 451, 142291(2023).
  26. Liao, W. -M., et al. Post-synthetic exchange (PSE) of UiO-67 frameworks with Ru/Rh half-sandwich units for visible-light-driven H2 evolution and CO2 reduction. Journal of Materials Chemistry A. 6 (24), 11337-11345 (2018).
  27. Islamoglu, T., et al. Postsynthetic tuning of metal-organic frameworks for targeted applications. Accounts of Chemical Research. 50 (4), 805-813 (2017).
  28. Lee, J., et al. Strategies in metal-organic framework-based catalysts for the aerobic oxidation of alcohols and recent progress. Bulletin of the Korean Chemical Society. 42 (3), 359-368 (2021).
  29. Kalaj, M., Prosser, K. E., Cohen, S. M. Room temperature aqueous synthesis of UiO-66 derivatives via postsynthetic exchange. Dalton Transactions. 49 (26), 8841-8845 (2020).
  30. Deria, P., et al. Beyond post-synthesis modification: evolution of metal-organic frameworks via building block replacement. Chemical Society Reviews. 43 (16), 5896-5912 (2014).
  31. Han, Y., Li, J. -R., Xie, Y., Guo, G. Substitution reactions in metal-organic frameworks and metal-organic polyhedral. Chemical Society Reviews. 43 (16), 5952-5981 (2014).
  32. Xu, M. -M., Chen, Q., Xie, L. -H., Li, J. -R. Exchange reactions in metal-organic frameworks: New advances. Coordination Chemistry Reviews. 421, 213421(2020).
  33. Lee, D., et al. Uncoordinated tetrazole ligands in metal-organic frameworks for proton-conductivity studies. Bulletin of the Korean Chemical Society. 43 (7), 912-917 (2022).
  34. Han, B. -X., Jiang, Y. -F., Sun, X. -R., Li, Z. -F., Li, G. Proton conductive N-heterocyclic metal-organic frameworks. Coordination Chemistry Reviews. 432, 213754(2021).
  35. Han, Z., Zhao, Y., Peng, J., Gómez-García, C. J. Unusual oxidation of an N-heterocycle ligand in a metal−organic framework. Inorganic Chemistry. 46 (14), 5453-5455 (2007).
  36. Wu, S., et al. Linker engineering toward full-color emission of UiO-68 type metal-organic frameworks. Journal of the American Chemical Society. 143 (28), 10547-10552 (2021).
  37. Hamzah, H. A., et al. Post-synthetic mannich chemistry on metal-organic frameworks: system-specific reactivity and functionality-triggered dissolution. Chemistry-A European Journal. 24 (43), 11094-11102 (2018).
  38. Oozeerally, R., et al. Systematic modification of UiO-66 metal-organic frameworks for glucose conversion into 5-hydroxymethyl furfural in water. ChemCatChem. 13 (10), 2517-2529 (2021).
  39. Hamzah, H. A., Crickmore, T. S., Rixason, D., Burrows, A. D. Post-synthetic modification of zirconium metal-organic frameworks by catalyst-free aza-Michael additions. Dalton Transactions. 47 (41), 14491-14496 (2018).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

転載および許可

このJoVE論文のテキスト又は図を再利用するための許可を申請します

許可を申請

さらに記事を探す

196

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

個人情報保護方針

利用規約

一般データ保護規則

お問い合わせ

図書館への推薦

JoVE ニュースレター

研究

教育

著者

図書館員

JoVEについて

Copyright © 2023 MyJoVE Corporation. All rights reserved