Name: Accelerating Discovery in Microporous Material Chemistry (Video) | JoVE
Uploaded: 2023-10-06T14:20:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Accelerating Discovery in Microporous Material Chemistry at JoVE.com

Arbeidet ble støttet av Christian-Albrechts-Universitetet, staten Schleswig-Holstein og Deutsche Forschungsgemeinschaft (spesielt STO-643/2, STO-643/5 og STO-643/10).
Norbert Stock vil gjerne takke B.Sc., M.Sc. og doktorgradsstudenter, samt samarbeidspartnere som har gjennomført mange interessante prosjekter ved hjelp av high-throughput-metodikken, spesielt Prof. Bein fra Ludwig-Maximilians-Universität i München, som spilte en stor rolle i utviklingen av reaktorene.

I denne protokollen beskrives HT-undersøkelsen av kjemiske systemer for å oppdage nye krystallinske materialer, med Al-CAU-6029 som eksempel.
1. Design av eksperiment (DOE)
MERK: Det første trinnet er å sette opp en synteseplan, som krever kunnskap om reaktoroppsettet (figur 2), reaktanter og løsningsmidler som brukes. Denne synteseplanleggingsprosedyren er tilpasset å utføre 24 eller 48 rea...

Synthesis and Discovery of Phosphonate-Based MOFs: A Solvothermal Approach

<ol>
	<li>Kaskel, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Chemistry of Metal-Organic Frameworks: Synthesis, Characterization, and Applications. , (2016).</li><li>Ding, M., Cai, X., Jiang, H. -. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+MOF+stability:+approaches+and+applications.">Improving MOF stability: approaches and applications.</a> Chemical Science. 10 (44), 10209-10230 (2019).</li><li>Stock, N., Biswas, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+of+metal-organic+frameworks+(MOFs):+routes+to+various+MOF+topologies,+morphologies,+and+composites.">Synthesis of metal-organic frameworks (MOFs): routes to various MOF topologies, morphologies, and composites.</a> Chemical Reviews. 112 (2), 933-969 (2012).</li><li>Shimizu, G. K. H., Vaidhyanathan, R., Taylor, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphonate+and+sulfonate+metal+organic+frameworks.">Phosphonate and sulfonate metal organic frameworks.</a> Chemical Society Reviews. 38 (5), 1430-1449 (2009).</li><li>Yuan, S., Qin, J. -. S., Lollar, C. T., Zhou, H. -. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stable+metal-organic+frameworks+with+group+4+metals:+current+status+and+trends.">Stable metal-organic frameworks with group 4 metals: current status and trends.</a> ACS Central Science. 4 (4), 440-450 (2018).</li><li>Devic, T., Serre, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+valence+3p+and+transition+metal+based+MOFs.">High valence 3p and transition metal based MOFs.</a> Chemical Society Reviews. 43 (16), 6097-6115 (2014).</li><li>Rhauderwiek, T., 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=Highly+stable+and+porous+porphyrin-based+zirconium+and+hafnium+phosphonates-electron+crystallography+as+an+important+tool+for+structure+elucidation.">Highly stable and porous porphyrin-based zirconium and hafnium phosphonates-electron crystallography as an important tool for structure elucidation.</a> Chemical Science. 9 (24), 5467-5478 (2018).</li><li>Steinke, F., Otto, T., Ito, S., W&#246;hlbrandt, S., 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=Isostructural+family+of+rare-earth+MOFs+synthesized+from+1,1,2,2-Tetrakis(4-phosphonophenyl)ethylene.">Isostructural family of rare-earth MOFs synthesized from 1,1,2,2-Tetrakis(4-phosphonophenyl)ethylene.</a> European Journal of Inorganic Chemistry. 2022 (34), 2022005562 (2022).</li><li>Zhu, Y. -. P., Ma, T. -. Y., Liu, Y. -. L., Ren, T. -. Z., Yuan, Z. -. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metal+phosphonate+hybrid+materials:+from+densely+layered+to+hierarchically+nanoporous+structures.">Metal phosphonate hybrid materials: from densely layered to hierarchically nanoporous structures.</a> Inorganic Chemistry Frontiers. 1 (5), 360-383 (2014).</li><li>Glavinovi&#263;, M., Perras, J. H., Gelfand, B. S., Lin, J. -. B., Shimizu, G. K. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Orthogonalization+of+polyaryl+linkers+as+a+route+to+more+porous+phosphonate+metal-organic+frameworks.">Orthogonalization of polyaryl linkers as a route to more porous phosphonate metal-organic frameworks.</a> Chemistry. 28 (31), 202200874 (2022).</li><li>Y&#252;cesan, G., Zorlu, Y., Stricker, M., Beckmann, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metal-organic+solids+derived+from+arylphosphonic+acids.">Metal-organic solids derived from arylphosphonic acids.</a> Coordination Chemistry Reviews. 369, 105-122 (2018).</li><li>Wharmby, M. T., Mowat, J. P. S., Thompson, S. P., Wright, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Extending+the+pore+size+of+crystalline+metal+phosphonates+toward+the+mesoporous+regime+by+isoreticular+synthesis.">Extending the pore size of crystalline metal phosphonates toward the mesoporous regime by isoreticular synthesis.</a> Journal of the American Chemical Society. 133 (5), 1266-1269 (2011).</li><li>Zheng, T., 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=Overcoming+the+crystallization+and+designability+issues+in+the+ultrastable+zirconium+phosphonate+framework+system.">Overcoming the crystallization and designability issues in the ultrastable zirconium phosphonate framework system.</a> Nature Communications. 8, 15369 (2017).</li><li>Dines, M. B., Cooksey, R. E., Griffith, P. C., Lane, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mixed-component+layered+tetravalent+metal+phosphonates/phosphates+as+precursors+for+microporous+materials.">Mixed-component layered tetravalent metal phosphonates/phosphates as precursors for microporous materials.</a> Inorganic Chemistry. 22 (6), 1003-1004 (1983).</li><li>Hermer, N., Reinsch, H., Mayer, P., 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=Synthesis+and+characterisation+of+the+porous+zinc+phosphonate+[Zn2(H2PPB)(H2O)2]&#183;xH2O.">Synthesis and characterisation of the porous zinc phosphonate [Zn2(H2PPB)(H2O)2]&#183;xH2O.</a> CrystEngComm. 18 (42), 8147-8150 (2016).</li><li>Rhauderwiek, T., 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=Crystalline+and+permanently+porous+porphyrin-based+metal+tetraphosphonates.">Crystalline and permanently porous porphyrin-based metal tetraphosphonates.</a> Chemical Communications. 54 (4), 389-392 (2018).</li><li>Steinke, F., 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=Synthesis+and+structure+evolution+in+metal+carbazole+diphosphonates+followed+by+electron+diffraction.">Synthesis and structure evolution in metal carbazole diphosphonates followed by electron diffraction.</a> Inorganic Chemistry. 62 (1), 35-42 (2023).</li><li>Taddei, 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=The+first+route+to+highly+stable+crystalline+microporous+zirconium+phosphonate+metal-organic+frameworks.">The first route to highly stable crystalline microporous zirconium phosphonate metal-organic frameworks.</a> Chemical Communications. 50 (94), 14831-14834 (2014).</li><li>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=High-throughput+investigations+employing+solvothermal+syntheses.">High-throughput investigations employing solvothermal syntheses.</a> Microporous and Mesoporous Materials. 129 (3), 287-295 (2010).</li><li>Clayson, I. G., Hewitt, D., Hutereau, M., Pope, T., Slater, B. <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+methods+in+the+synthesis,+characterization,+and+optimization+of+porous+materials.">High throughput methods in the synthesis, characterization, and optimization of porous materials.</a> Advanced Materials. 32 (44), 2002780 (2020).</li><li>Clearfield, A., Demadis, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Metal Phosphonate Chemistry: From Synthesis to Applications. , (2011).</li><li>Mennen, S. 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=The+evolution+of+high-throughput+experimentation+in+pharmaceutical+development+and+perspectives+on+the+future.">The evolution of high-throughput experimentation in pharmaceutical development and perspectives on the future.</a> Organic Process Research &amp; Development. 23 (6), 1213-1242 (2019).</li><li>Yang, L., 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+methods+in+the+discovery+and+study+of+biomaterials+and+materiobiology.">High-throughput methods in the discovery and study of biomaterials and materiobiology.</a> Chemical Reviews. 121 (8), 4561-4677 (2021).</li><li>Banerjee, R., 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+synthesis+of+zeolitic+imidazolate+frameworks+and+application+to+CO2+capture.">High-throughput synthesis of zeolitic imidazolate frameworks and application to CO2 capture.</a> Science. 319 (5865), 939-943 (2008).</li><li>Reinsch, H., 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=High-throughput+studies+of+highly+porous+Al-based+MOFs.">High-throughput studies of highly porous Al-based MOFs.</a> Microporous and Mesoporous Materials. 171, 156-165 (2013).</li><li>Reimer, N., Reinsch, H., Inge, A. K., 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=New+Al-MOFs+based+on+sulfonyldibenzoate+ions:+a+rare+example+of+intralayer+porosity.">New Al-MOFs based on sulfonyldibenzoate ions: a rare example of intralayer porosity.</a> Inorganic Chemistry. 54 (2), 492-501 (2015).</li><li>Tollitt, A. 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+discovery+of+a+rhombohedral+twelve-connected+zirconium-based+metal-organic+framework+with+ordered+terephthalate+and+fumarate+linkers.">High-throughput discovery of a rhombohedral twelve-connected zirconium-based metal-organic framework with ordered terephthalate and fumarate linkers.</a> Angewandte Chemie. 60 (52), 26939-26946 (2021).</li><li>Palomba, J. 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. 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=Targeted+synthesis+of+an+highly+stable+aluminium+phosphonate+metal-organic+framework+showing+reversible+HCl+adsorption.">Targeted synthesis of an highly stable aluminium phosphonate metal-organic framework showing reversible HCl adsorption.</a> Angewandte Chemie. , (2023).</li><li>Biemmi, E., Christian, S., Stock, N., Bein, T. <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+synthesis+parameters+in+the+formation+of+the+metal-organic+frameworks+MOF-5+and+HKUST-1.">High-throughput screening of synthesis parameters in the formation of the metal-organic frameworks MOF-5 and HKUST-1.</a> Microporous and Mesoporous Materials. 117 (1), 111-117 (2009).</li><li>STOE &amp; Cie GmbH. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=WinXPOW+v.3.1.">WinXPOW v.3.1.</a> STOE &amp; Cie GmbH. , (2016).</li><li>Groom, C. 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>

På grunn av HT-metodens kompleksitet diskuteres de enkelte trinnene og selve metoden i de følgende avsnittene. Den første delen dekker de kritiske trinnene for hvert arbeidstrinn i HT-arbeidsflyten (figur 1), mulige modifikasjoner og begrensninger i teknikken, der det er aktuelt. Avslutningsvis presenteres en generell diskusjon som også inkluderer HT-metodens betydning for eksisterende metoder og fremtidige anvendelser. 
I det første trinnet i HT-arbeidsflyte...

Metallorganiske rammer (MOF) er porøse, krystallinske forbindelser hvis strukturer består av metallholdige noder, som metallioner eller metall-oksygenklynger, som er forbundet med organiske molekyler (linkere)1. Ved å variere metallholdige noder så vel som linkeren, kan en rekke forbindelser oppnås som har et bredt spekter av egenskaper og derfor har potensielle anvendelser i forskjellige felt1.
Stabiliteten til et materiale er viktig for dets anvendelse 1,2,3. Derfor har MOFer som inneholder tri- eller tetravalente metallioner, slik som Al 3+, Cr3+, Ti 4+ eller Zr4+, med karboksylat2 eller fosfonat4 linkermolekyler vært fokus for mange undersøkelser5,6,7. I tillegg til direkte syntese av stabile MOFer, er forbedring av stabilitet gjennom postsyntetiske modifikasjoner samt dannelse av kompositter et interesseområde2. Fosfonatbaserte MOFs har blitt rapportert sjeldnere sammenlignet med karboksylatbaserte MOFs8. En årsak er den høyere koordineringsfleksibiliteten til CPO32-gruppen sammenlignet med -CO2 -gruppen, noe som ofte fører til dannelse av tette strukturer og større strukturelt mangfold 8,9,10,11. I tillegg må fosfonsyrer ofte syntetiseres, da de sjelden er tilgjengelige på markedet. Mens noen metallfosfonater utviser eksepsjonell kjemisk stabilitet10, er systematisk tilgang til isoretikulært metallfosfonat-MOF, som tillater justering av egenskaper, fortsatt et emne av høy relevans12,13. Ulike strategier for syntese av porøse metallfosfonater har blitt undersøkt, for eksempel å inkorporere defekter i ellers tette lag, for eksempel ved delvis å erstatte fosfonat med fosfatligander 4,14. Men da defekte strukturer er dårlig reproduserbare, og porene ikke er ensartede, har andre strategier blitt utviklet. I de senere år har bruk av sterisk krevende eller ortogonaliserte fosfonsyrer som linkermolekyler dukket opp som en egnet strategi for fremstilling av porøse metallfosfonater 4,8,10,11,13,15,16,17,18 . Imidlertid er en universell syntesevei for porøse metallfosfonater ennå ikke oppdaget. Som et resultat er syntesen av metallfosfonater ofte en prosess med prøving og feiling, som krever undersøkelse av mange synteseparametere.
Parameterrommet til et reaksjonssystem inkluderer kjemiske og prosessparametere og kan være stort19. Den består av parametere som type utgangsmateriale (metallsalt), molforhold mellom utgangsmaterialer, tilsetningsstoffer for pH-justering, modulatorer, type løsningsmiddel, løsningsmiddelblandinger, volumer, reaksjonstemperaturer, tider, etc.19,20. Et moderat antall parametervariasjoner kan lett resultere i flere hundre individuelle reaksjoner, noe som gjør en nøye gjennomtenkt synteseplan og velvalgt parameterplass nødvendig. For eksempel, en enkel studie ved hjelp av seks molare forhold mellom linkeren og metallet (f.eks. M: L = 1: 1, 1: 2, ... til 1:6) og fire forskjellige konsentrasjoner av et tilsetningsstoff og holde den andre parameteren konstant, fører allerede til 6 x 4 = 24 eksperimenter. Ved å bruke fire konsentrasjoner, fem løsningsmidler og tre reaksjonstemperaturer ville det være nødvendig å utføre de 24 eksperimentene 60 ganger, noe som resulterte i 1,440 individuelle reaksjoner.
High-throughput (HT) metoder er basert på begrepene miniatyrisering, parallellisering og automatisering, i varierende grad avhengig av det vitenskapelige spørsmålet som tas opp19,20. Som sådan kan de brukes til å akselerere undersøkelsen av multiparametersystemer og er et ideelt verktøy for oppdagelse av nye forbindelser, samt synteseoptimalisering19,20. HT-metoder har blitt brukt med hell på forskjellige felt, alt fra legemiddelforskning til materialvitenskap20. De har også blitt brukt til undersøkelse av porøse materialer som zeolitter og MOFs i solvotermiske reaksjoner, som nylig oppsummert20. En typisk HT-arbeidsflyt for solvotermisk syntese består av seks trinn (figur 1) 19,20,21: a) valg av parameterområdet av interesse (dvs. utformingen av eksperiment [DOE]), som kan gjøres manuelt eller ved hjelp av programvare; b) dosering av reagensene i karene; c) solvotermisk syntese; d) isolasjon og utredning, e) karakterisering, som vanligvis gjøres med pulverrøntgendiffraksjon (PXRD); og f) dataevaluering, som etterfølges av trinn en igjen.
Parallellisering og miniatyrisering oppnås i solvotermiske reaksjoner ved bruk av multiklaver, ofte basert på det veletablerte 96-brønns plateformatet som oftest brukes i biokjemi og farmasi 19,20,22,23. Ulike reaktordesign har blitt rapportert og flere grupper har bygget sine egne reaktorer 19,20. Reaktorvalg avhenger av det kjemiske systemet av interesse, spesielt reaksjonstemperaturen, (autogent) trykk og reaktorstabilitet 19,20. For eksempel, i en systematisk studie av zeolitiske imidazolatrammer (ZIFs), Banerjee et al.25 brukte glassplateformatet med 96 brønner til å utføre over 9600 reaksjoner24. For reaksjoner under solvoterme forhold er tilpassede polytetrafluoretylenblokker (PTFE), eller multiklaver med 24 eller 48 individuelle PTFE-innsatser, beskrevet blant annet av Stock-gruppen19,20. De brukes rutinemessig, for eksempel i syntesen av metallkarboksylater og fosfonater. Reinsch mfl.25 rapporterte fordelene med metodikken innen porøs aluminium MOFs25. De egenproduserte HT-reaktorsystemene (figur 2), som gjør det mulig å studere 24 eller 48 reaksjoner samtidig, inneholder PTFE-innsatser med et totalvolum på henholdsvis 2,655 ml og 0,404 ml (figur 2A,B). Vanligvis brukes ikke mer enn 1 ml eller 0,1 ml. Mens disse reaktorene brukes i konvensjonelle ovner, er det også rapportert mikrobølgeassistert oppvarming ved hjelp av SiC-blokker og små glassbeholdere26.
Automatiseringen av studier fører til tidsbesparelser og forbedret reproduserbarhet, da påvirkning av den menneskelige faktoren minimeres20. I hvilken grad automatisering har blitt brukt varierer sterkt19,20. Helautomatiske kommersielle systemer, inkludert pipettering 20 eller vekting20, er kjent. Et nylig eksempel er bruken av en væskehåndteringsrobot for å studere ZrMOFs, rapportert av gruppen Rosseinsky27. Automatisert analyse kan utføres av PXRD ved hjelp av et diffraktometer utstyrt med et xy-trinn. I et annet eksempel ble en plateleser brukt til å screene solid-state katalysatorer, hovedsakelig MOFs, for HT-screening av nervegassnedbrytning28. Prøver kan karakteriseres i en enkelt kjøring uten behov for manuell prøve eller posisjonsendringer. Automatisering eliminerer ikke menneskelige feil, men det reduserer muligheten for at det oppstår19,20.
Ideelt sett bør alle trinn i en HT-arbeidsflyt tilpasses når det gjelder parallellisering, miniatyrisering og automatisering for å eliminere mulige flaskehalser og maksimere effektiviteten. Men hvis det ikke er mulig å etablere en HT-arbeidsflyt i sin helhet, kan det være nyttig å ta i bruk utvalgte trinn/verktøy for egen forskning. Bruken av multiklaver for 24 reaksjoner er spesielt nyttig her. De tekniske tegningene av det egenproduserte utstyret som ble brukt i denne studien (samt andre) publiseres for første gang og finnes i Tilleggsfil 1, Tilleggsfil 2, Tilleggsfil 3 og Tilleggsfil 4.

<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

High-throughput (HT) metoder er et viktig verktøy for rask og effektiv screening av synteseparametere og oppdagelse av nye materialer. Dette manuskriptet beskriver syntesen av metallorganiske rammer (MOF) fra løsning ved bruk av et HT-reaktorsystem, noe som resulterer i oppdagelsen av forskjellige fosfonatbaserte MOFer av sammensetningen [Al 2 H 12-x (PMP) 3] Cl x ∙ 6H2O (H 4 PMP = N, N '-piperazin bis (metylenfosfonsyre)) forx =4, 6, betegnet som Al-CAU-60-xHCl, som inneholder trivalente aluminiumioner. Dette ble oppnådd under solvotermiske reaksjonsbetingelser ved systematisk å screene virkningen av molforholdet mellom linkeren og metallet og pH i reaksjonsblandingen på produktdannelsen. Protokollen for HT-undersøkelsen inkluderer seks trinn: a) synteseplanlegging (DOE = eksperimentdesign) innenfor HT-metodikken, b) dosering og arbeid med egenutviklede HT-reaktorer, c) solvotermisk syntese, d) synteseopparbeidelse ved bruk av egenutviklede filtreringsblokker, e) karakterisering ved HT-pulverrøntgendiffraksjon, og f) evaluering av dataene. HT-metoden ble først brukt til å studere påvirkning av surhet på produktdannelsen, noe som førte til oppdagelsen av Al-CAU-60∙xHCl (x = 4 eller 6).

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

PXRD-dataene er vist i figur 9. For den første evalueringen er de oppnådde resultatene knyttet til synteseparametrene til det undersøkte parameterrommet. Undersøkelsen ble utført ved hjelp av seks forskjellige molforhold mellom linker og metall og fire forskjellige molforhold mellom NaOH / HCl til Al3 +. Ved å koble denne informasjonen med de oppnådde PXRD-dataene (figur 9), kan det sees at produkter med lav krystallinitet ble oppnådd fra synt...

Watch this Scientific Journal Video about Accelerating Discovery in Microporous Material Chemistry at JoVE.com

Accelerating Discovery in Microporous Material Chemistry (Video) | JoVE

Den målrettede syntesen av nye metallorganiske rammer (MOF) er vanskelig, og deres oppdagelse avhenger av kjemikerens kunnskap og kreativitet. Høykapasitetsmetoder gjør det mulig å utforske komplekse syntetiske parameterfelt raskt og effektivt, akselerere prosessen med å finne krystallinske forbindelser og identifisere syntetiske og strukturelle trender.

Oppdagelse og synteseoptimalisering av isoretikulære Al(III)fosfonatbaserte metallorganiske rammeforbindelser ved bruk av høykapasitetsmetoder

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

Jeg ser det periodiske systemet som en stor lekeplass, og i vår forskning fokuserer vi på syntesen av nye materialer, porøse materialer, som dette her. Det er en strukturell modell, og vi ser hull i rammeverket. og som kan brukes til å lagre molekyler eller også til å skille molekyler basert på størrelsen på disse.Og i tillegg til den typen studier, utvikler vi også nye reaktorsystemer for å akselerere oppdagelsesprosessen. De nåværende eksperimentelle utfordringene er å ytterligere akselerere syntese- og karakteriseringsprosessen med ekstra høy gjennomstrømningsinstrumentering, for eksempel karakteriseringsenhet med høy gjennomstrømningsabsorpsjon. Mangelen på detaljer i publikasjoner angående syntese- og karakteriseringsprosedyren som påvirker reproduserbarhet er et velkjent problem i kjemi.Ved å gi en grundig beskrivelse av vår metode og oppsett, tar vi sikte på å oppmuntre andre grupper til å ta i bruk den beskrevne metodikken, og dermed øke reproduserbarheten av eksperimentelle studier. Vi vet ikke hva fremtiden vil bringe siden vi jobber med oppdagelsen av nye materialer, og vi vet aldri hva slags egenskaper disse materialene vil ha. Likevel tror jeg at bruken av linkermolekyler fra fornybare råstoffer vil spille en stor rolle.Og når det gjelder applikasjonen, vil bruken i sensing og separasjon av gassmolekyler være svært viktig.