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.

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 프로그램에서 24개 또는 48개의 반응을 수행하는 데 적합하며, 이를 위해 사내에서 만든 강철 멀티클레이브를 사용하여 한 번에 24개(그림 2A) 또는 48개의 반응(그림 2B)을 수행합니다. 반응기는 사용된 시약/용매 부피가 1mL(강철 멀티클레이브에서 24개의 반응을 수행하기 위한 PTFE 반응기) 또는 100μL(강철 멀티클레이브에서 48개의 반응을 수행하기 위한 PTFE 반응기)인 사내에서 만든 PTFE 삽입물입니다. 원자로 설정의 기술 도면은 각각 보충 파일 1 및 보충 파일 2 에서 찾을 수 있습니다.
<ol><li>먼저 조사할 매개 변수 공간을 결정합니다. 따라서 초기 반응 횟수, 금속 공급원 및 링커 분자, 첨가제 및 용매 사용에 대한 결정을 내리십시오.<ol><li>Al-CAU-60의 선택된 예에서 AlCl3∙6H2O를 금속 공급원으로, N , N'-피페라진-비스(메틸렌포스폰산)(H4PMP)를 링커 분자로 사용하여 24회 반응을 수행합니다. 또한 NaOH 및 HCl 수용액을 첨가제로 사용하여 반응 혼합물의 pH가 생성물 형성에 미치는 영향을 연구합니다.1 알림: 매개변수 선택은 일반적으로 공개된 합성 절차 또는 기본 화학 지식을 기반으로 하는 원리를 기반으로 합니다. 그러나 새로운 물질의 성공적인 발견을 위해서는 반응 파라미터의 더 넓은 변형이 적용되어야 합니다(즉, 반응 파라미터의 어느 정도의 다양성이 고려되어야 함). 변경할 파라미터의 수와 변형 유형은 서로 다른 원칙을 기반으로 할 수 있습니다. 가장 간단한 형태에서는 한 번에 하나의 매개 변수만 변경해야 합니다. 예를 들어, 다양한 링커 분자 농도와 조합된 고정된 금속염 농도를 사용하여 다양한 링커 대 금속 비율을 조사할 수 있습니다. 그러나, 조사는 또한 금속 및 다른 용매 또는 첨가제에 대한 링커의 상이한 몰비를 사용할 수 있다. 접근 가능한 파라미터 공간은 용액만 사용되는 경우 출발 물질의 용해도(양 및 용매 유형)에 의해 제한된다21. 고체의 투여는 접근 가능한 파라미터 공간(20)을 확장시킨다.</li>
	</ol></li>
	<li>매개변수 공간을 지정합니다. 이를 위해 출발 물질의 양(몰 비율)과 용매 부피를 선택하고 계산합니다.<ol><li>Al-CAU-60의 선택된 예에서 H 4 PMP와 Al3+의 몰비를 4:1에서 0.3:1 사이의 6단계로 변경합니다:4:1, 3:1, 2:1, 1:1, 0.5:1, 0.3:1. 서로 다른 첨가제 비율로 6 개의 합성을 모두 수행하십시오. NaOH와 Al 3+의 몰비 1개(1:1)와 HCl과 Al3+의 2개 몰비(20:1 및 40:1), 첨가제가 없는 것을 연구합니다. 스프레드시트를 사용하여 이에 필요한 시작 물질의 양을 계산하며, 이는 추가 정보에서 찾을 수 있습니다.</li>
	</ol></li>
</ol>2. 투약 및 solvothermal 합성
<ol><li>시약의 원액을 준비하기 위한 표준 프로토콜에 따라 흄 후드에서 원액을 준비합니다. 주의 : H4PMP, AlCl3∙6 H2O, HCl 및 NaOH는 부식성 물질로 접촉 시 심한 피부 화상과 눈 손상을 유발합니다. 이러한 물질로 작업할 때는 개인 보호 장비를 착용하십시오.<ol><li>Al-CAU-60의 선택된 예에 대해 지원 정보(보충 표 1)의 스프레드시트에 따라 다음 시약을 준비하십시오: 10 mol/L 농도의 염산 용액, 1 mol/L 농도의 수산화나트륨 용액 및 1 mol/L 농도의 AlCl3∙6H2O 용액. 참고: 제품 형성은 추가된 시약의 응집 상태에 따라 달라질 수도 있습니다. 고체의 경우, 입자 크기는 용해 속도로 인해 영향을 미칠 수 있습니다. 체계적인 평가를 위해 고체를 사용할지 용액을 사용할지 여부를 연구 초기에 결정해야 합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>샘플을 플레이트에 디스크를 삽입합니다(그림 3A).</li>
	<li>시약, 첨가제 및 용매를 PTFE 인서트로 옮깁니다(그림 3B).<ol><li>Al-CAU-60의 선택된 예의 경우, 먼저 링커 H4PMP를 PTFE 인서트에 고체로 첨가 한 다음 염화 알루미늄 용액, 탈염수 및 첨가제 용액 (NaOH 또는 HCl)을 피펫과 함께 첨가하십시오 지원 정보의 스프레드 시트에서 계산 된 값에 따라 (보충 표 1). 알림: PTFE 인서트가 채워지는 순서도 제품 형성에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 출발 물질의 순서는 사전에 선택되어야 하며 체계적인 평가가 가능하도록 연구 전반에 걸쳐 동일하게 유지되어야 합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>채워진 PTFE 인서트를 샘플 플레이트에 삽입합니다.</li>
	<li>나중에 PTFE 인서트를 식별할 수 있는 방식으로 반응기의 접지판을 표시하십시오. 삽입amp채워진 PTFE 인서트가 있는 플레이트를 반응기의 접지판에 삽입합니다(그림 3C).</li>
	<li>샘플 플레이트를 덮을 두 개의 PTFE 시트(두께 0.1mm)를 준비합니다.</li>
	<li>PTFE 시트를 샘플 플레이트에 놓습니다(그림 3D).</li>
	<li>PTFE 시트가 올바르게 배치되고 가이드 핀(그림 3E)을 사용하여 헤드 플레이트에 맞는지 확인하고 나사를 추가한 다음 손으로 조입니다.</li>
	<li>예를 들어 기계식 또는 유압식 프레스(그림 4A)를 사용하여 초기에 닫힌 반응기를 밀봉하여 스프링이 장착된 압력 조각에 여전히 2mm의 여유 공간이 있을 만큼 충분히 멀리 밀봉합니다(그림 4B). 그런 다음 손으로 나사를 다시 조입니다(그림 4C). 과도하게 조이면 멀티클레이브가 손상(구부러짐)될 수 있습니다.</li>
	<li>멀티클레이브를 프로그래밍 가능한 강제 대류 오븐(그림 4D)에 넣은 다음 선택한 온도-시간 프로그램을 설정하고 시작합니다. 균일 한 가열을 위해 대류 오븐을 사용하는 것이 좋습니다.<ol><li>Al-CAU-60의 발견을 위해 다음 온도-시간-프로그램을 설정하십시오 : 오븐을 12 시간 동안 160 ° C로 가열하고, 36 시간 동안 목표 온도를 유지하고, 12 시간 동안 실온 (RT)으로 냉각하십시오. 알림: 온도-시간 프로그램의 선택은 제품 형성에 영향을 미칠 수 있습니다30. 여기에는 형성된 상이 포함되지만, 더 자주 결정 크기 및 형태30이 포함된다.</li>
	</ol></li>
</ol>3. 격리 및 정밀 검사
<ol><li>온도가 실온에 도달하면 오븐에서 멀티클레이브를 꺼냅니다.</li>
	<li>예를 들어 멀티클레이브를 배치ample, 기계식 또는 유압식 프레스에 넣고 나사를 손으로 풀 수 있을 때까지 부드럽게 압축합니다(그림 5A).</li>
	<li>멀티클레이브를 흄 후드에 놓고 반응기의 헤드 플레이트를 제거한 다음 PTFE 시트를 제거하고 s를 제거합니다.amp반응기의 접지판에서 PTFE 인서트가 있는 플레이트(그림 5B).</li>
	<li>PTFE 인서트를 검사하고 결정이 있는지 확인합니다(그림 5C). 있는 경우 일부 모액과 함께 일부를 분리하십시오.</li>
	<li>다음으로, 사내 고처리량 여과 블록(그림 6A)을 조립합니다: 두 개의 세척 병을 통해 필터 블록을 진공 펌프에 연결하고, 필터 블록의 해당 홈(그림 6B-D)이 있는 두 개의 실리콘 밀봉 매트 사이에 두 개의 여과지를 놓습니다. PTFE 충전 블록을 맨 위에 놓고 적절한 홈이 밀봉 매트 및 필터 블록과 일치하는지 확인합니다(그림 6E). 4개의 스터드 볼트로 제자리에 고정되는 클램핑 프레임을 사용하여 레이어를 조입니다. 장치를 제대로 밀봉하려면 스터드 볼트에 날개 너트를 사용하고 손으로 조입니다(그림 6F). 알림: 여과 블록의 기술 도면은 지원 정보(보충 파일 3)에 나와 있습니다. 필터 블록을 사용할 수 없는 경우 제품을 개별적으로 필터링할 수도 있습니다.</li>
	<li>플러그로 채우지 않아야 하는 충전 블록의 홈을 닫습니다(그림 6F).<ol><li>프로세스 후반에 이미 배수된 홈을 밀봉합니다. 이렇게 하면 다른 우물도 배수할 수 있습니다.</li>
	</ol></li>
	<li>멤브레인 진공 펌프를 켜고 가능한 최상의 진공(5-12mbar)으로 펌핑하는 모드로 설정합니다.</li>
	<li>일회용 피펫을 사용하여 PTFE 인서트의 내용물을 충전 블록의 지정된 웰로 옮깁니다(그림 7A). 알림: 유해한 용매(예: 디메틸포름아미드)를 사용하는 경우 다음 단계에서 유해 물질과의 접촉을 줄이기 위해 에탄올 또는 독성이 적고 휘발성이 높은 다른 용매로 제품을 세척해야 합니다.</li>
	<li>모든 인서트가 비워지면 크리스탈을 다시 살펴보고 크리스탈이 있는 경우 분리합니다(그림 7B). 참고: 결정자의 크기를 결정하기 위해 다양한 배율을 사용할 수 있는 광학 현미경을 사용하는 것이 좋습니다.</li>
	<li>모든 웰이 배수되면 여과 블록을 조심스럽게 분해합니다(그림 7C).</li>
	<li>이제 소위 "제품 라이브러리"를 여과지에서 사용할 수 있습니다(그림 7D).</li>
	<li>제품 라이브러리를 흄 후드에서 공기 건조시켜 건조시킵니다. 무독성 및 비부식성 용매의 경우 습식 제품으로 PXRD 측정을 수행할 수 있습니다.</li>
</ol>4. 특성화
참고: 새로운 결정성 화합물의 발견을 위해 얻은 제품은 HT-PXRD로 특성화됩니다. 새로운 결정상이 식별되고 추가 특성화에 사용됩니다. 분말 X선 회절분석기로 작업하는 것은 사용 설명서에서 찾을 수 있는 표준 절차를 따릅니다. 표준 분말 X선 회절분석기도 사용할 수 있어 특성 분석이 더 지루합니다.
<ol><li>제품 라이브러리를 두 개의 금속판(베이스 플레이트와 커버 플레이트; 그림 7E 및 보충 파일 4) 플레이트의 오목한 부분이 제품 위치와 일치하도록 하여 PXRD로 검사할 수 있습니다. 플레이트를 조심스럽게 정렬하고 두 개의 나사로 고정합니다(그림 7F).</li>
	<li>제품 라이브러리를 회절분석기의 샘플 홀더에 삽입합니다(그림 8A,B). 알림: 다른 샘플 홀더에는 다른 브래킷이 필요할 수 있습니다. 자세한 내용은 사용 설명서를 참조하십시오.</li>
	<li>로드된 샘플 홀더를 xy s에 조심스럽게 놓습니다.tage 회절계의 s를 닫고 기기를 닫습니다(그림 8C).</li>
	<li>회절계는 WinXPOW 소프트웨어(31)를 통해 제어된다. Diffractometer Control(회절분석기 제어) 창에서 Ranges(범위) 메뉴를 클릭하여 측정 모드를 설정하고 Scan Mode(스캔 모드)를 선택합니다. 새 창이 열립니다. 여기에서 스캔 모드: 전송, PSD 모드: 이동, 스캔 유형: 2세타 및 오메가 모드: 고정을 선택하고 대화 상자를 확인합니다.</li>
	<li>측정 파라미터를 설정하려면 범위 메뉴를 클릭하고 스캔 범위를 선택합니다.<ol><li>새 창이 열립니다. 여기에서 더하기 아이콘을 클릭하고 나타나는 표준 설정을 두 번 클릭하여 편집합니다.</li>
		<li>제품 라이브러리를 특성화하려면 (a) 2 세타(시작, 종료): 2, 47 , (b) 단계: 1.5, (c) 시간/PSD 단계: 2, (d) 오메가: 0. 두 대화 상자를 모두 확인합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>xy 스테이지에서 측정할 샘플을 선택하려면 범위 메뉴를 클릭하고 스캔 사용량을 선택합니다.<ol><li>새 창이 열립니다. 여기에서 Scan Usage(스캔 사용량 )를 Multiple Samples(여러 샘플 )로 설정하고 Individual Ranges/Files(개별 범위/파일) 옵션을 선택합니다.</li>
		<li>그런 다음 Ranges/Files 버튼을 클릭합니다. 48개의 선택 가능한 샘플 위치가 있는 새 창("HT_Editor")이 열립니다. 샘플이 있는 모든 위치를 선택합니다.ample 플레이트에서 'control' 키를 누른 상태에서 위치를 클릭합니다.</li>
		<li>위치를 활성화하려면 Measure Samples(샘플 측정)를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭합니다. 두 대화 상자를 모두 확인합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>메뉴에서 파일을 클릭하여 파일을 저장하고 다른 이름으로 저장을 선택합니다. 디렉토리와 파일 이름을 선택한 후 저장 버튼을 클릭합니다.</li>
	<li>메뉴에서 측정을 클릭하여 측정을 시작하고 첫 번째 항목인 데이터 수집을 선택합니다. 새 창이 열립니다. 확인 버튼을 클릭하여 측정을 시작합니다. 알림: 회절계를 보정하는 기본 설정 및 절차는 사용 설명서에서 가져와야 합니다. 측정 파라미터(스캐닝 각도, 스텝 크기, 스캐닝 스텝당 시간)의 선택은 또한 재료의 밀도, 회절 원자의 무게 등에 따라 달라지며 조정해야 할 수도 있습니다. X선의 흡수는 너무 많은 샘플이 형성되고 무거운 원소가 사용되는 경우 문제가 될 수 있습니다.</li>
</ol>5. 데이터 평가
참고: 데이터를 평가하기 위해 사내 절차가 사용됩니다. 다른 절차를 생각할 수 있습니다. PXRD 데이터는 ".raw" 파일 형식으로 얻습니다. 다른 소프트웨어에서 회절을 평가하려면 이 파일 형식을 ".xyd" 파일 형식으로 변환해야 합니다.
<ol><li>WinXPOW 소프트웨어열기 31. 분말 X선 회절도를 열려면 [Raw Data] 메뉴를 사용하고 [Raw Data Handling]을 선택합니다. 새 창이 열립니다.</li>
	<li>일괄 열기 아이콘을 클릭하고 파일 추가를 통해 모든 파일을 선택합니다. 모든 파일을 선택한 후 열기를 클릭하고 확인을 확인합니다.</li>
	<li>Ranges(범위)를 클릭하고 Adapt Intensities(강도 적응)를 선택하여 강도를 최대값 10,000으로 정규화합니다. 새 창이 열립니다. Normalize Intensities to max. Int. 옵션을 선택하고 10000을 씁니다. 딸깍 하는 소리 Ok. 참고 : WinXPOW소프트웨어(31 )는 데이터가 변경 될 때 원시 데이터를 덮어 씁니다. 데이터 복사본에서 작업해야 합니다.</li>
	<li>내보내기 아이콘을 통해 평가 프로그램에 적합한 파일 형식으로 파일을 내보냅니다. 출력 디렉토리를 선택하고 X/Y 파일 형식을 사용합니다. 딸깍 하는 소리 Ok 내보내기를 완료합니다.</li>
	<li>PXRD 데이터를 적절한 프로그램에서 누적되거나 분리된 보기로 표시합니다. 반사 횟수, 절반 너비(절반 최대값[FWHM]에서의 전체 너비) 및 신호 대 잡음비를 검사하여 가장 결정질적인 제품을 식별합니다. 참고: 제1 분석을 위해, 그래픽 서브루틴 및 검색 및 일치 기능이 있는 WinXPOW소프트웨어(31 )도 사용할 수 있습니다.</li>
</ol>

포스포네이트 기반 MOF의 합성 및 발견: 용융열 접근법

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M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-throughput+screening+of+solid-state+catalysts+for+nerve+agent+degradation.">High-throughput screening of solid-state catalysts for nerve agent degradation.</a> Chemical Communications. 54 (45), 5768-5771 (2018).</li><li>Reichenau, T. 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R., Bruno, I. J., Lightfoot, M. P., Ward, S. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Cambridge+structural+database.">The Cambridge structural database.</a> Acta Crystallographica Section B, Structural Science. Crystal Engineering and Materials. 72, 171-179 (2016).</li><li>Bruno, I. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+software+for+searching+the+Cambridge+Structural+Database+and+visualizing+crystal+structures.">New software for searching the Cambridge Structural Database and visualizing crystal structures.</a> Acta Crystallographica. Section B, Structural Science. 58, 389-397 (2002).</li><li>Hermer, N., Wharmby, M. T., Stock, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> CCDC 1499757: Experimental Crystal Structure Determination. , (2017).</li><li>Cawse, J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Experimental Design for Combinatorial and High Throughput Materials Development. , (2003).</li><li>Dhanumalayan, E., Joshi, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+properties+and+applications+of+polytetrafluoroethylene+(PTFE)-a+review.">Performance properties and applications of polytetrafluoroethylene (PTFE)-a review.</a> Advanced Composites and Hybrid Materials. 1, 247-268 (2018).</li><li>Lenzen, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scalable+green+synthesis+and+full-scale+test+of+the+metal-organic+framework+CAU-10-H+for+use+in+adsorption-driven+chillers.">Scalable green synthesis and full-scale test of the metal-organic framework CAU-10-H for use in adsorption-driven chillers.</a> Advanced Materials. 30 (6), 1705869 (2018).</li></ol>

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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 ?...

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.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>AlCl3&#183;6H2O</td>
			<td>Gr&#252;ssing</td>
			<td>N/A</td>
			<td>99%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Filter block for filtration of max. 48 reaction mixtures</td>
			<td>In-house made</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Technical drawings in the supplementary files</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrochloric acid</td>
			<td>Honeywell</td>
			<td>258148</td>
			<td>Conc. 37 %, p.a.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Multiclaves with 24 individual Teflon inserts</td>
			<td>In-house made</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Technical drawings in the supplementary files</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N,N &#8216;-piperazine bis(methylenephosphonic acid</td>
			<td>Prepared by coworkers</td>
			<td>N/A</td>
			<td>H4PMP,&#160; Prepared by coworkers with the method reported by Villemin et al.: D. Villemin, B. Moreau, A. Elbilali, M.-A. Didi, M.&#8217;h. Kaid, P.-A. Jaffr&#232;s, Phosphorus Sulfur Silicon Relat. Elem. 2010, 185, 2511.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sample Plate for PXRD</td>
			<td>In-house made</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Technical drawings in the supplementary files</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium hydroxide</td>
			<td>Gr&#252;ssing</td>
			<td>N/A</td>
			<td>99%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stoe Stadi P Combi</td>
			<td>STOE</td>
			<td>Stadi P Combi</td>
			<td>Cu-K&#945;1 radiation (&#955; = 1.5406 &#197;); transmission geometry; MYTHEN2 1K detector; opening angle 18&#176;; curved&#160; monochromator; xy-table</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Forced convection oven</td>
			<td>Memmert</td>
			<td>UFP400</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

discovery and synthesis optimization of isoreticular al(iii) phosphonate-based metal-organic framework compounds using high-throughput methods

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.

Metal-organic frameworks (MOFs) are porous, crystalline compounds whose structures consist of metal-containing nodes, like metal ions or metal-oxygen clusters, which are connected by organic molecules (linkers)1. By varying the metal-containing nodes as well as the linker, a variety of compounds can be obtained that exhibit a wide range of properties and therefore have potential applications in different fields1.
The stability of a material is important for its application1,2,3. Therefore, MOFs containing tri- or tetravalent metal ions, such as Al3+, Cr3+, Ti4+, or Zr4+, with carboxylate2 or phosphonate4 linker molecules have been the focus of many investigations5,6,7. In addition to the direct synthesis of stable MOFs, the enhancement of stability through post-synthetic modifications as well as the formation of composites is a field of interest2. Phosphonate-based MOFs have been less often reported compared to carboxylate-based MOFs8. One reason is the higher coordination flexibility of the CPO32- group compared to the -CO2- group, which often leads to the formation of dense structures and greater structural diversity8,9,10,11. In addition, phosphonic acids often must be synthesized, as they are rarely available on the market. While some metal phosphonates exhibit exceptional chemical stability10, systematic access to isoreticular metal phosphonate MOFs, which allows the tuning of properties, is still a topic of high relevance12,13. Different strategies for the synthesis of porous metal phosphonates have been investigated, such as incorporating defects into otherwise dense layers, for example, by partially replacing phosphonate with phosphate ligands4,14. However, as defective structures are poorly reproducible, and the pores are not uniform, other strategies have been developed. In recent years, the use of sterically demanding or orthogonalized phosphonic acids as linker molecules have emerged as a suitable strategy for the preparation of porous metal phosphonates4,8,10,11,13,15,16,17,18. However, a universal synthesis route for porous metal phosphonates has not yet been discovered. As a result, the synthesis of metal phosphonates is often a process of trial and error, requiring the investigation of many synthesis parameters.
The parameter space of a reaction system includes chemical and process parameters and can be vast19. It consists of parameters such as the type of starting material (metal salt), molar ratios of starting materials, additives for pH adjustment, modulators, type of solvent, solvent mixtures, volumes, reaction temperatures, times, etc.19,20. A moderate number of parameter variations can easily result in several hundred individual reactions, making a carefully considered synthesis plan and well-chosen parameter space necessary. For example, a simple study using six molar ratios of the linker to the metal (e.g., M:L = 1:1, 1:2, ... to 1:6) and four different concentrations of an additive and keeping the other parameter constant, leads already to 6 x 4 = 24 experiments. Using four concentrations, five solvents, and three reaction temperatures would necessitate carrying out the 24 experiments 60 times, resulting in 1,440 individual reactions.
High-throughput (HT) methods are based on the concepts of miniaturization, parallelization, and automation, to varying degrees depending on the scientific question being addressed19,20. As such, they can be used to accelerate the investigation of multi-parameter systems and are an ideal tool for the discovery of new compounds, as well as synthesis optimization19,20. HT methods have been used successfully in different fields, ranging from drug discovery to materials science20. They have also been used for the investigation of porous materials such as zeolites and MOFs in solvothermal reactions, as recently summarized20. A typical HT workflow for solvothermal synthesis consists of six steps (Figure 1)19,20,21: a) selection of the parameter space of interest (i.e., the design of experiment [DOE]), which can be done manually or by using software; b) dosing of the reagents into the vessels; c) solvothermal synthesis; d) isolation and workup; e) characterization, which is typically done with powder X-ray diffraction (PXRD); and f) data evaluation, which is followed by step one again.
Parallelization and miniaturization are achieved in solvothermal reactions through the use of multiclaves, often based on the well-established 96-well plate format most commonly used in biochemistry and pharmacy19,20,22,23. Various reactor designs have been reported and several groups have constructed their own reactors19,20. Reactor choice depends on the chemical system of interest, especially the reaction temperature, (autogenous) pressure, and reactor stability19,20. For example, in a systematic study of zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs), Banerjee et al.25 used the 96-well glass plate format to perform over 9600 reactions24. For reactions under solvothermal conditions, customized polytetrafluoroethylene (PTFE) blocks, or multiclaves with 24 or 48 individual PTFE inserts, have been described among others by the Stock group19,20.&#160;They are routinely employed, for example, in the synthesis of metal carboxylates and phosphonates. As such, Reinsch et al.25 reported the advantages of the methodology in the field of porous aluminum MOFs25. The in-house made HT reactor systems (Figure 2), which allow 24 or 48 reactions to be studied simultaneously, contain PTFE inserts with a total volume of 2.655 mL and 0.404 mL, respectively (Figure 2A,B). Usually, no more than 1 mL or 0.1 mL, respectively, is used. While these reactors are used in conventional ovens, microwave-assisted heating using SiC blocks and small glass vessels has also been reported26.
The automation of studies leads to time savings and improved reproducibility, as influence of the human factor is minimized20. The degree to which automation has been used varies strongly19,20. Fully automated commercial systems, including pipetting20 or weighting capabilities20, are known. A recent example is the use of a liquid-handling robot to study ZrMOFs, reported by the group of Rosseinsky27. Automated analysis can be performed by PXRD using a diffractometer equipped with an xy stage. In another example, a plate reader was used to screen solid-state catalysts, mainly MOFs, for HT screening of nerve agent degradation28. Samples can be characterized in a single run without the need for manual sample or position changes. Automation does not eliminate human error, but it reduces the possibility of its occurring19,20.
Ideally, all steps in a HT workflow should be adapted in terms of parallelization, miniaturization, and automation to eliminate possible bottlenecks and maximize efficiency. However, if it is not possible to establish a HT workflow in its entirety, it may be helpful to adopt selected steps/tools for one&#39;s own research. The use of multiclaves for 24 reactions is particularly useful here. The technical drawings of the in-house made equipment used in this study (as well as others) are published for the first time and can be found in Supplementary File 1, Supplementary File 2, Supplementary File 3, and Supplementary File 4.

저자 스포트라이트: 미세 다공성 재료 화학의 발견 가속화 

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

I see the periodic table as a huge playground, and in our research, we focus on the synthesis of new materials, porous materials, such as this here. That's a structural model, and we see holes in the framework. and that can be used to store molecules or also to separate molecules based on the size of these.And in addition to that kind of studies, we also develop new reactor systems in order to accelerate the discovery process. The current experimental challenges are to further accelerate the synthesis and characterization process with additional high throughput instrumentation, such as high throughput absorption characterization device. The lack of detail in publications regarding the synthesis and characterization procedure affecting reproducibility is a well-known problem in chemistry.By providing a thorough description of our method and setup, we aim to encourage other groups to adopt the described methodology, thereby increasing the reproducibility of experimental studies. We do not know what the future will bring since we work on the discovery of new materials, and we never know what kind of properties these materials will have. Nevertheless, I think that the use of linker molecules from renewable feedstocks will play a major role.And regarding the application, the use in sensing and the separation of gas molecules will be very important.

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?...

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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.

High-throughput (HT) methods are an important tool for the fast and efficient screening of synthesis parameters and the discovery of new materials. This ...

저는 주기율표를 거대한 놀이터로 보고 있으며, 우리 연구에서는 여기에서 이와 같은 새로운 물질, 다공성 물질의 합성에 중점을 둡니다. 그것은 구조적 모델이며, 우리는 프레임 워크에 구멍이 있습니다. 분자를 저장하거나 이들의 크기에 따라 분자를 분리하는 데 사용할 수 있습니다.그리고 그런 종류의 연구 외에도 우리는 발견 과정을 가속화하기 위해 새로운 원자로 시스템을 개발합니다. 현재의 실험 과제는 고처리량 흡수 특성화 장치와 같은 추가적인 고처리량 기기를 사용하여 합성 및 특성화 공정을 더욱 가속화하는 것입니다. 재현성에 영향을 미치는 합성 및 특성화 절차에 관한 출판물의 세부 사항 부족은 화학에서 잘 알려진 문제입니다.우리의 방법과 설정에 대한 철저한 설명을 제공함으로써 다른 그룹이 설명된 방법론을 채택하도록 장려하여 실험 연구의 재현성을 높이는 것을 목표로 합니다. 우리는 새로운 재료를 발견하기 위해 노력하기 때문에 미래가 어떻게 될지 모르고 이러한 재료가 어떤 특성을 가질지 결코 알 수 없습니다. 그럼에도 불구하고, 재생 가능한 공급 원료로부터 링커 분자를 사용하는 것이 중요한 역할을 할 것이라고 생각한다.그리고 응용과 관련하여 가스 분자의 감지 및 분리에 사용하는 것이 매우 중요합니다.

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Research

JoVE Journal

Chemistry

Discovery and Synthesis Optimization of Isoreticular Al(III) Phosphonate-Based Metal-Organic Framework Compounds Using High-Throughput Methods

2.5K 조회수.  Kiel University. 저는 주기율표를 거대한 놀이터로 보고 있으며, 우리 연구에서는 여기에서 이와 같은 새로운 물질, 다공성 물질의 합성에 중점을 둡니다. 그것은 구조적 모델이며, 우리는 프레임 워크에 구멍이 있습니다. 분자를 저장하거나 이들의 크기에 따라 분자를 분리하는 데 사용할 수 있습니다.그리고 그런 종류의 연구 외에도 우리는 발견 과정을 가속화하기 위해 새로운 원자?...

비디오: 저자 스포트라이트: 미세 다공성 재료 화학의 발견 가속화 

High-throughput (HT) methods are an important tool for the fast and efficient screening of synthesis parameters and the discovery of new materials. This manuscript describes the synthesis of metal-organic frameworks (MOFs) from solution using an HT reactor system, resulting in the discovery of various phosphonate-based MOFs of the composition [Al2H12-x(PMP)3]Clx&#8729;6H2O (H4PMP = N,N &#39;-piperazine bis(methylenephosphonic acid)) for x = 4, 6, denoted as Al-CAU-60-xHCl, containing trivalent aluminum ions. This was accomplished under solvothermal reaction conditions by systematically screening the impact of the molar ratio of the linker to the metal and the pH of the reaction mixture on the product formation. The protocol for the HT investigation includes six steps: a) synthesis planning (DOE = design of&#160;experiment) within the HT methodology, b) dosing and working with in-house developed HT reactors, c) solvothermal synthesis, d) synthesis workup using in-house developed filtration blocks, e) characterization by HT powder X-ray diffraction, and f) evaluation of the data. The HT methodology was first used to study the influence of acidity on the product formation, leading to the discovery of Al-CAU-60&#8729;xHCl (x = 4 or 6).

The targeted synthesis of new metal-organic frameworks (MOFs) is difficult, and their discovery depends on the knowledge and creativity of the chemist. High-throughput methods allow complex synthetic parameter fields to be explored quickly and efficiently, accelerating the process of finding crystalline compounds and identifying synthetic and structural trends.

연구

화학

Solvothermal Synthesis and Isolation of the Crystalline Material Al-CAU-60

To begin, add the linker H4PMP as a solid to the polytetrafluoroethylene, or PTFE, inserts for Al-CAU-60. Then use a pipette to add the aluminum chloride solution, demineralized water, and the solution of additives to the inserts. Insert the discs into the sample plate and place the filled PTFE inserts into the sample plate.Mark the ground plate of the reactor in a way that allows the identification of the PTFE inserts and insert the sample plate with the filled PTFE inserts into the ground plate. Prepare two PTFE sheets and place them on the sample plates ensuring full coverage. Ensure that the PTFE sheet is correctly positioned and fits the head plate using the guide pins.Add the screws and tighten them by hand. Then seal the initially closed reactor with the help of a mechanical or hydraulic press and tighten the screws by hand again. Place the multiclave in a programmable forced convection oven.For Al-CAU-60, set the temperature time program shown on the screen. Then start the temperature time program. Remove the multiclave from the oven.Once it cools down to room temperature, place it on a mechanical or hydraulic press and gently compress it until the screws can be loosened by hand. Place the multiclave inside a fume hood and remove the head plate of the reactor. Then remove the PTFE sheets and the sample plate with the PTFE inserts from the ground plate of the reactor.Now assemble the high-throughput filtration block by connecting the filter block to a vacuum pump via two wash bottles. Place two filter papers between two silicone sealing mats with the corresponding recesses in the filter block. Then place the PTFE filling block on top, ensuring that the appropriate recesses match the ceiling mats and the filter block.Tighten the layers using the clamping frame, which is held in place by six stud bolts. To properly seal the unit, use wing nuts on the stud bolts and tighten them by hand. Close the recesses of the filling block that are not to be filled with plugs.Turn on the membrane vacuum pump and set it to a mode in which it will pump down to the best possible vacuum. Transfer the contents of the PTFE inserts into the designated wells of the filling block with disposable pipettes. Once all the inserts are empty, take a second look for crystals and isolate them if present.Carefully disassemble the filtration block once all the wells are drained. A product library is now available on filter paper. Allow it to air dry inside the fume hood.Place the product library between the base plate and the cover plate to characterize the obtained product by powder x-ray diffraction later. Ensure that the recesses and the plates match the product locations. After aligning the plates, secure them with two screws.Insert the product library into the sample holder of the diffractometer. Carefully place the loaded sample holder into the XY stage of the diffractometer. Close the instrument before starting the measurements.The parameter space is shown in this figure. The synthesis with sodium hydroxide as an additive are highlighted in blue, the synthesis with no additive are highlighted in green, and the synthesis with the additive hydrochloric acid are highlighted in orange and red. The molar ratios of the reagents are shown on the left side and on the top.The stacked plot of all the measured powder X-ray diffraction patterns is shown in this figure. Here, the additive sodium hydroxide is highlighted in blue, no additive is highlighted in green, and the additive hydrochloric acid is highlighted in red. The sample names are shown here which correlate to the molar ratios of the starting materials used in the synthesis mixture.These results suggest that the products with low crystallinity were obtained from the synthesis where the molar ratio of sodium hydroxide to aluminum was one-to-one, or no sodium hydroxide or hydrochloric acid was present. Products of higher crystallinity were obtained from synthesis where hydrochloric acid was used as an additive.