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Chemistry

합성 후 리간드 교환을 통한 트리아졸 및 테트라졸 기능화 Zr 기반 금속-유기 프레임워크의 합성

Published: June 23, 2023 doi: 10.3791/65619
* These authors contributed equally

Summary

합성 후 리간드 교환(PSE)은 금속-유기 프레임워크(MOF)에 작용기를 설치하기 위한 다재다능하고 강력한 도구입니다. 트리아졸 및 테트라졸 기능화 리간드를 함유하는 용액에 MOF를 노출시키면 PSE 공정을 통해 이러한 헤테로사이클릭 모이어티를 Zr-MOF에 통합할 수 있습니다.

Abstract

금속-유기 프레임워크(MOF)는 금속 클러스터와 유기 리간드 사이의 배위 결합을 통해 형성되는 다공성 재료의 한 종류입니다. 이들의 배위 특성을 감안할 때, 유기 리간드 및 스트럿 프레임워크는 MOF로부터 용이하게 제거될 수 있고 및/또는 다른 배위 분자와 교환될 수 있다. MOF 함유 용액에 표적 리간드를 도입함으로써 합성 후 리간드 교환(PSE)이라는 공정을 통해 새로운 화학 태그로 기능화된 MOF를 얻을 수 있습니다. PSE는 고체 용액 평형 공정을 통해 새로운 화학 태그로 광범위한 MOF를 준비할 수 있는 간단하고 실용적인 접근 방식입니다. 또한 PSE는 실온에서 수행할 수 있으므로 열적으로 불안정한 리간드를 MOF에 통합할 수 있습니다. 이 연구에서 우리는 Zr 기반 MOF(UiO-66; UiO = 오슬로 대학교). 분해 후 기능화된 MOF는 분말 X선 회절 및 핵자기 공명 분광법을 포함한 다양한 기술을 통해 특성화됩니다.

Introduction

금속-유기 프레임워크(MOF)는 금속 클러스터와 다중 주제 유기 리간드 사이의 배위 결합을 통해 형성되는 3차원 다공성 재료입니다. MOF는 영구적인 다공성, 낮은 밀도, 다양한 응용 분야를 가능하게 하는 유기 및 무기 구성 요소를 연결하는 능력으로 인해 상당한 주목을 받았습니다1,2. 또한 광범위한 금속 노드와 스트럿 유기 링커는 이론적으로 무한한 구조 조합을 제공합니다. 동일한 프레임워크 구조를 사용하더라도 MOF의 물리적 및 화학적 특성은 화학적 태그를 사용한 리간드 기능화를 통해 수정할 수 있습니다. 이러한 변형 공정은 특정 용도(3,4,5,6,7,8,9)에 맞게 MOF의 특성을 조정할 수 있는 유망한 경로를 제공한다.

MOF 합성 이전의 리간드의 사전 기능화 및 MOF의 합성 후 변형(PSM)은 모두 MOF 리간드에서 작용기를 도입 및/또는 수정하기 위해 사용되었다(10,11). 특히, 공유 PSM은 새로운 작용기를 도입하고 다양한 기능성을 갖는 다양한 MOF를 생성하기 위해 광범위하게 연구되어 왔다(12,13,14). 예를 들어, UiO-66-NH2 는 적절한 아실 할라이드 (예 : 아세틸 클로라이드 또는 n- 헥사 노일 클로라이드)와의 아실 화 반응을 통해 상이한 사슬 길이 (가장 짧은 아세트 아미드에서 가장 긴 n- 헥실 아미드까지)를 갖는 아미드 작용화 된 UiO-66-AM으로 전환 될 수있다 15,16. 이 접근 방식은 MOF 리간드에 특정 작용기를 도입하는 공유 PSM의 다재다능함을 입증하여 광범위한 응용 분야를 위한 기반을 마련합니다.

공유 PSM 외에도 합성 후 리간드 교환(PSE)은 MOF를 수정하기 위한 유망한 전략입니다(그림 1). MOF는 금속과 리간드(예: 카르복실레이트) 사이의 배위 결합으로 구성되기 때문에 이러한 배위 결합은 용액에서 외부 리간드로 대체될 수 있습니다. 화학적 태그가 있는 원하는 리간드를 함유하는 용액에 MOF를 노출시키는 것은 PSE 17,18,19,20,21,22를 통해 MOF에 통합될 수 있다. PSE 공정은 배위 용매의 존재에 의해 가속화되기 때문에 이 현상을 용매 보조 리간드 교환(SALE)이라고도 합니다.23,24. 이 접근법은 광범위한 외부 리간드로 MOF를 기능화하기 위한 유연하고 용이한 방법을 제공하여 광범위한 응용 분야를 가능하게 합니다(25,26,27,28,29).

Figure 1
그림 1: PSE를 통한 트리아졸 및 테트라졸 작용화 H2BDC 리간드의 합성 및 트리아졸 및 테트라졸 기능화 UiO-66 MOF의 제조. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

PSE 공정의 진행은 리간드 비율, 교환 온도 및 시간을 조정하여 제어할 수 있습니다. 특히, 실온 PSE는 용액으로부터 MOF 고형물(20)로 리간드를 교환함으로써 기능화된 MOF를 얻기 위해 사용될 수 있다. PSE 전략은 열적으로 불안정한 작용기(예: 아지도기)와 배위성 작용기(예: 페놀기)를 MOF 구조(18)에 도입하는 데 특히 유용하다. 또한 PSE 전략은 금속 및 배위 결합 변형이 있는 다양한 MOF에 적용되었습니다. 이 교환은 MOFs30,31,32의 화학에서 보편적인 과정입니다. 본 연구에서는 PSE가 원시적이고 기능화되지 않은 MOF로부터 기능화된 MOF를 얻기 위한 상세한 프로토콜을 제시하고, MOF의 성공적인 기능화를 확인하기 위한 특성화 전략을 제공한다. 이 방법은 다양한 작용기를 가진 MOF를 수정하기 위한 PSE의 다양성과 편의성을 보여줍니다.

테트라졸 함유 벤젠-1,4-디카르복실산(H2BDC-Tetrazole)33 및 트리아졸 함유 벤젠-1,4-디카르복실산(H2BDC-트리아졸)을 표적 리간드로 합성하고 UiO-66 MOF의 PSE에 활용하여 새로운 배위가 없는 트리아졸 함유 MOF를 얻습니다. 트리아졸과 테트라졸은 모두 헤테로사이클릭 고리에 산성 NH 양성자를 가지고 있으며 금속 양이온과 배합할 수 있으므로 MOF34,35를 구성하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 배위가 없는 테트라졸과 트리아졸을 MOF 및 관련 구조에 통합하는 것에 대한 연구는 제한적입니다. 트리아졸 기능화 Zr-MOF의 경우, UiO-68 유형 MOF는 벤조트리아졸 기능성36을 이용한 직접 용매열 합성을 통해 광물리적 특성을 조사하였다. 테트라졸-작용화된 Zr-MOF의 경우, 혼합된 직접 합성이 사용되었다33. 이러한 헤테로사이클 기능화된 MOF는 촉매 작용, 결합 친화력에 의한 선택적 분자 흡수 및 연료 전지의 양성자 전도와 같은 에너지 관련 응용을 위해 MOF 기공에 잠재적인 배위 부위를 제공할 수 있습니다.

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Protocol

MOF와 리간드를 준비하는 데 필요한 시약은 재료 표에 나열되어 있습니다.

1. 합성 후 리간드 교환(PSE) 공정 설정

  1. 미리 합성된 UiO-66 MOF를 진공 하에서 완전히 건조시켜 기공 내의 미반응 금속염 및 리간드와 잔류 용매 잔류물을 밤새 제거합니다.
    알림: 보충 참조 file UiO-1 MOF의 합성 절차는 66.
  2. 기능화 리간드, H2BDC-트리아졸 및H2BDC-테트라졸을 준비합니다(준비 과정은 보충 파일 1 참조; Supplementary Figure 1Supplementary Figure 2 for characterization)를 격리된 상태로 하고, 밤새 진공 하에서 완전히 건조시킨다.
  3. 수산화칼륨을 탈이온수에 용해시켜 4% 수산화칼륨(KOH) 수용액을 준비한다.
  4. 폴리프로필렌(PP) 캡이 있는 20mL 섬광 바이알에서 PSE 공정을 수행합니다( 재료 표 참조).
  5. H2BDC-Triazole (23.3 mg, 0.1 mmol) 또는H2BDC-Tetrazole(23.4 mg, 0.1 mmol)을 측정하고 섬광 바이알에 넣는다.
  6. H2BDC 리간드를 수용액에 용해시킨다. 유리 피펫을 사용하여 4% KOH 수용액 1.0mL를 BDC-트리아졸 또는 BDC-테트라졸이 들어 있는 섬광 바이알에 옮깁니다.
    주의 : 4 % KOH 수용액은 매우 염기성입니다. 모든 형태의 접촉을 피하고 개인 보호 장비를 착용하십시오.
  7. 모든 고체가 완전히 용해 될 때까지 혼합물을 초음파 처리하십시오.
  8. 용액을 pH 7로 중화시킨다. 유리 피펫을 사용하여 pH 7에 도달할 때까지 디카르복실레이트가 들어 있는 섬광 바이알에 넣고 교반하면서 1M 염산(HCl) 수용액을 옮깁니다. pH 종이(및 색상) 또는 pH 측정기로 pH를 측정합니다.
    참고: MOF는 일반적으로 염기성 조건(>pH 7)에서 불안정하고 BDC 리간드는 산성 조건(
  9. 디카르복실레이트 용액에 MOF를 첨가하고 배양합니다. pH 7 용액이 들어 있는 섬광 바이알에 UiO-66 MOF(33mg, 0.02mmol)를 추가합니다.
    참고: pH 7에서 UiO-66 MOF 입자는 물에 용해되지 않아 물에 현탁액이 됩니다.
  10. MOF 및 리간드를 함유하는 섬광 바이알을 120 rpm 및 실온에서 24시간 동안 쉐이커에서 인큐베이션한다.
    참고: 교반은 PSE 공정을 위한 셰이커 배양의 대안으로 사용할 수 있습니다. 그러나 마그네틱 교반 막대와 MOF 사이의 물리적 접촉으로 인해 MOF 입자가 깨지거나 파손될 수 있으므로 주의해야 합니다.

2. 교환된 MOF를 분리하고 세척 공정

  1. 인큐베이션 후, 원심분리(1,166 x g, 5분, 실온)에 의해 혼합물로부터 고체 MOF를 분리한다.
  2. 수득된 고체 MOF에 신선한 메탄올(10 mL)을 첨가하고, 혼합물을 흔들어 불균질 혼합물을 형성하고, 교환되지 않은 나머지 BDC 리간드를 용해시킨다.
  3. 분리된 고체를 원심분리(1,166 x g, 5분, 실온)에 의해 분리하였다.
  4. 2.2-2.3단계를 두 번 더 반복하여 총 3번의 세탁 주기를 반복합니다.
  5. 교환된 MOF 고체를 마지막 세척 후 밤새 진공 하에 완전히 건조시켰다.

3. 분말 X선 회절(PXRD)에 의한 MOF의 특성화

  1. 교환된 MOF 고체 약 10mg을 PXRD 샘플 홀더로 옮깁니다( 재료 표 참조).
  2. 회절분석기에 샘플 홀더를 놓습니다.
  3. PXRD 패턴(그림 2)을 5°에서 30°까지 범위에서 수집합니다.
  4. 얻은 데이터를 부모 UiO-66 MOF 및 시뮬레이션된 패턴과 비교합니다.

4. 소화 후 핵자기 공명(NMR)에 의한 MOF의 특성화

  1. 교환된 MOF 고체 약 30mg을 새로운 4mL 바이알에 옮깁니다.
  2. 마이크로피펫을 사용하여 400μL의 DMSO-d 6을 MOF 샘플로 옮깁니다.
  3. 마이크로피펫을 사용하여 4.14M NH4F/D 2O 용액 200μL를 MOF 분말의 DMSO-d 6 현탁액으로 옮깁니다.
    알림: NH40F/D4O 용액 대신 약 2% HF의 수용액을 사용할 수 있습니다. 이 경우, NMR에서 유의한H2O피크가 관찰된다. 그러나 HF 소화의 경우 더 명확한 소화가 가능합니다.
    주의: HF는 신체와 중추 신경계에 매우 독성이 있습니다. 모든 형태의 접촉을 피하고 흄 후드에서 작업을 수행해야하며 개인 보호 장비를 착용해야합니다.
  4. 소화 후 MOF가 디메틸 설폭사이드(DMSO)-D2O혼합 용매에 용해될 때까지 30분 동안 불균일 혼합물을 초음파 처리합니다.
  5. 용액을 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 주사기 필터(Φ 13mm, 0.45μm 기공, 재료 표 참조)를 통해 여과하여 남아 있는 불용성 고체를 제거하고 4mL 바이알에서 NMR 튜브로 옮깁니다.
  6. NMR 튜브를 NMR 기계에 넣습니다. NMR 데이터를 수집합니다(그림 3).

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Representative Results

교환된 UiO-66 MOF, UiO-66-트리아졸 및 UiO-66-테트라졸의 성공적인 합성은 무색의 미결정 고체를 생성했습니다. H2BDC-트리아졸 및H2BDC-테트라졸 리간드 모두 또한 무색 고체 상태를 나타내었다. 교환의 성공 여부를 결정하는 데 사용된 표준 방법에는 PXRD 패턴을 측정하고 샘플의 결정도를 깨끗한 UiO-66 MOF와 비교하는 것이 포함되었습니다. 그림 2 는 교환된 UiO-66-트리아졸 및 UiO-66-테트라졸의 PXRD 패턴과 깨끗한 UiO-66 및 시뮬레이션 데이터를 보여줍니다. 시뮬레이션된 PXRD 패턴은 대상 MOF의 보고된 결정 구조에서 생성되었습니다. 리간드 교환은 프레임워크의 구조에 영향을 미치지 않기 때문에 반사 피크의 위치, 상대 강도 및 넓이를 깨끗한 UiO-66 MOF와 비교 및 일치시켰으며 기준선은 평평했습니다(그림 2). 교환된 MOF의 안정성은 PXRD 패턴 변화로 조사되었습니다. 전반적으로, UiO-66-트리아졸과 UiO-66-테트라졸은 모두 수성 조건과 산성 1M HCl 조건에서 그들의 결정성을 완벽하게 유지했습니다. 그러나 1M NaOH 용액으로 처리한 후 UiO-66-Triazole과 UiO-66-Tetrazole의 총 분해가 관찰되었습니다(보충 그림 3).

Figure 2
그림 2: PXRD 스펙트럼. 시뮬레이션된 UiO-66(회색), UiO-66(검은색, 합성됨), 교환된 UiO-66-트리아졸(파란색) 및 교환된 UiO-66-테트라졸(빨간색)의 PXRD 패턴. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

UiO-66-트리아졸 및 UiO-66-테트라졸의 교환비를 결정하기 위해, 불소-함유 용액에서 분해된 Zr-기반 MOFs에 대해 1HNMR 측정을 수행하였다. 수성 HF 용액 및NH4F용액은 UiO-66 골격을 파괴하기 위해 널리 사용되어 왔다 37,38,39.3보충 도 4NH4F소화물로부터 얻어진 교환된 UiO-66-트리아졸 및 UiO-66-테트라졸의 1HNMR 패턴을 표시한다. 기능화되지 않은 BDC(깨끗한 MOF의 검은색 원)와 BDC-트리아졸(파란색 원) 또는 BDC-테트라졸(빨간색 원)의 통합을 비교하여 교환율을 결정했습니다. 또한, BDC-트리아졸 및 BDC-테트라졸에서 3개의 피크의 통합, 분할 패턴 및 화학적 이동은 소화 조건에서 BDC-트리아졸 및 BDC-테트라졸의 구조를 유지하는 것으로 간주되었습니다. 트리아졸과 테트라졸의 교환비는 PSE 분석에서 각각 33%와 30%로 측정되었습니다(그림 3).

마지막으로, 얻어진 MOF의 다공성은 77K에서N2흡착 실험에 의해 분석되었다. UiO-66-트리아졸 및 UiO-66-테트라졸 둘 다 순수한 UiO-66보다 감소된N2 흡착량을 나타내었다(보충 그림 5). UiO-66-Triazole의 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 표면적은 809 m 2 / g으로, UiO-66-Tetrazole의 1,045 m2 / g으로 계산되었습니다. 깨끗한 UiO-66에 대해 측정된 BET 표면적은 1,604m2/g이었습니다.

Figure 3
그림 3: 1H NMR 스펙트럼. NH4F 용액 중 BDC-트리아졸의 1HNMR 스펙트럼(하단, 검은색), NH4F 소화 후 UiO-66-트리아졸 교환(하단, 파란색), NH4F 용액 중 BDC-테트라졸(상단, 검은색),NH4F소화 후 UiO-66-테트라졸 교환(상단, 빨간색). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

보충 도 1: (A) 1H NMR 스펙트럼, (B) 13CNMR 스펙트럼, 및 (C) BDCE-트리아졸의 푸리에 변환 적외선 스펙트럼. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충도 2: (A) 1HNMR 스펙트럼, (B) 13CNMR 스펙트럼, 및 (C) H2BDC-Triazole의 푸리에 변환 적외선 스펙트럼. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 그림 3: (A) 1일 동안 물, 1 M HCl 및 1 M NaOH 처리 후 UiO-66-트리아졸의 PXRD 패턴. (B) 1일 동안 물, 1M HCl 및 1M NaOH 처리 후 UiO-66-Tetrazoles의 PXRD 패턴. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 도 4: (A)NH4F소화 후 UiO-66-트리아졸(PSE로부터)의 1HNMR 스펙트럼의 전체 범위. (B) NH4F소화 후 UiO-66-테트라졸(PSE로부터)의 1HNMR 스펙트럼의 전체 범위. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 그림 5: UiO-66(원시, 검은색), UiO-66-트리아졸(PSE로부터, 파란색으로부터) 및 UiO-66-테트라졸(PSE로부터, 빨간색)의N2 등온선(77K에서). 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 파일 1: MOF 및 리간드 준비에 대한 세부 정보. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

Zr 기반 UiO-66 MOF에 대한 기능화된 BDC 리간드를 사용하는 PSE 공정은 화학 태그가 있는 MOF를 얻는 간단하고 다재다능한 방법입니다. PSE 공정은 수성 매질에서 가장 잘 수행되며, 수성 매질에서 리간드를 용매화하는 초기 단계가 필요합니다. 작용기가 있는 사전 합성된 BDC를 사용하는 경우 4% KOH 수용액과 같은 염기성 용매에 직접 용해하는 것이 좋습니다. 대안적으로, 벤젠-1,4-디카르복실레이트의 나트륨 또는 칼륨 염이 사용될 수 있다. pH 7로의 중화는 기능화된 BDC를 사용하는 PSE 공정에 매우 중요한데, 이는 염기성 조건에서 MOF의 낮은 안정성이 효능을 감소시킬 수 있기 때문입니다. 중화를 위해 HCl을 사용하는 것이 좋으며 필요한 경우 다른 산을 사용할 수 있습니다. 산성 조건(pH 7 미만)으로 이어지는 과도한 산 부하의 경우, 작용화된 BDC 리간드가 용액 밖으로 침전될 수 있습니다. 따라서 시스템을 산성 조건에 노출시키기 전에 pH 7에 도달할 때까지 중화를 수행해야 합니다.

교환 온도, 시간, 리간드의 크기 및 리간드 비율을 포함한 여러 요인이 PSE 비율20에 크게 영향을 미친다. PSE 공정은 교환율을 높이기 위해 여러 번 반복될 수 있습니다. 인큐베이션 후, 작용화된 MOF는 적절한 용매로 여러 번 세척할 수 있습니다. 증류수는 남아 있는 디카르복실레이트 리간드를 제거하는 데 적합한 옵션인 반면, MeOH는 갇힌 용매 및 디카르복실레이트 잔류물을 제거하는 대안으로 사용할 수 있습니다. H2BDC및 BDC는 MeOH에 거의 용해되지 않지만, 작용화된H2BDC및 BDC는 일반적으로 MeOH에 용해된다.

수성 조건의 이용은 표적 작용화를 위한 현재 PSE 공정에서 상당한 한계를 나타냅니다. 수성 조건에서 실용적인 PSE를 가능하게 하려면 Zr 기반 MOF 또는 ZIF와 같은 수성 MOF를 사용하는 것이 필수적입니다. PSE는 디메틸포름아미드 용액에서 수행할 수 있지만, 양성자성 용매 및/또는 수성 조건의 존재는 표적 리간드가 모 MOF를 대체하는 비율과 교환 비율 모두를 현저하게 향상시킵니다.

1H NMR 측정은 교환 비율을 결정하기 위해 소화 후 필요합니다. 산성 조건에 대한 UiO-66 MOF의 높은 안정성은 지르코늄과 불소 사이의 높은 친화력을 활용하는 불소 기반 분해 방법을 이러한 목적에 적합하게 만듭니다. HF 분해 방법은 일반적으로 UiO-66 MOF의 분해에 사용됩니다. 많은 경우에, UiO-66 MOF는 10 분16 동안 초음파 처리와 함께 DMSO-d 6 및 48 % 수성 HF 용액의 혼합물 하에서 완전히 소화 될 수 있습니다. 그러나 HF의 사용에는 몇 가지 안전 문제와 사용 제한이 있습니다. 따라서,NH4F방법을 이용하는 대체 소화 절차가 이 작업에 사용되었다. 표적 UiO-66 MOF (~ 30 mg)는 NH4F / D2O / DMSO (600 μL) 조건 하에서 30 분 동안 초음파 처리 되었다.

PSE 공정은 기능화된 리간드를 MOF에 도입하기 위한 매우 효율적이고 간단한 방법입니다. 수성 조건과 실온 변형으로 인해 이 방법론은 광범위한 MOF 기반 재료에 적용할 수 있습니다. PSE 프로세스가 MOF의 표면에서 프레임워크의 코어까지 방향성으로 발생함에 따라 표면 수정 및 표면 비활성화와 같은 추가 기능을 달성할 수 있습니다(21,22). MOF와 같은 다공성 소재의 고유한 PSE 기능화는 다양한 기능화 및 대상 응용 분야에 대한 잠재력을 제공합니다. 특히, 이러한 트리아졸 및 테트라졸 기능화 MOF의 수소 결합 특성은 산성 NH 양성자와 함께 양성자 전도에 활용될 수 있습니다33. 또한, 촉매 응용은 조정 능력을 가진 헤테로사이클 기능화된 MOF로도 고려할 수 있습니다. 결과적으로 PSE 기능화는 고유한 특성과 다양한 응용 분야를 가진 기능화된 MOF를 개발하기 위한 플랫폼을 제공할 것으로 기대됩니다.

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Disclosures

저자는 공개 할 것이 없습니다.

Acknowledgments

본 연구는 과학기술정보통신부 주관으로 한국연구재단(NRF)을 통한 기초과학연구프로그램의 지원을 받았다(NRF-2022R1A2C1009706).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
2-Bromoterephthalic acid BLD Pharm BD5695 reagent for BDC-Triazole
Azidotrimethylsilane Simga Aldrich 155071 reagent for BDC-Triazole
Bis(triphenylphosphine)palladium(II) dichloride TCI B1667 reagent for BDC-Triazole
Copper(I) cyanide Alfa-Aesar 12135 reagent for BDC-Tetrazole
Copper(I) iodide Acros organics 20150 reagent for BDC-Triazole
Digital Orbital Shaker Daihan Scientific SHO-1D PSE
Formic Acid Daejung chemical F0195 reagent for BDC-Tetrazole
Hybrid LC/Q-TOF system Bruker BioSciences maXis 4G HR-MS
Lithum hydroxide monohydrate Daejung chemical 5087-4405 reagent for BDC-Triazole
Magnesium sulfate Samchun chemical M1807 reagent for BDC-Triazole
Methyl alcohol Daejung chemical M0584 reagent for BDC-Tetrazole
N,N-Dimethylformamide Daejung chemical D0552 reagent for BDC-Tetrazole
Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer-500 MHz Bruker AVANCE 500MHz NMR
Polypropylene cap (22 mm, Cork-Backed Foil Lined) Sungho Korea 22-200 material for digestion
Potassium cyanide Alfa-Aesar L13273 reagent for BDC-Tetrazole
PVDF Synringe filter (13 mm, 0.45 µm) LK Lab Korea F14-61-363 material for digestion
Scintillation vial (20 mL, borosilicate glass) Sungho Korea 74504-20 material for digestion
Sodium azide  TCI S0489 reagent for BDC-Tetrazole
Sodium bicarbonate Samchun chemical S0343 reagent for BDC-Triazole
Tetrabutylammonium fluoride (1 M THF solution) Acros organics 20195 reagent for BDC-Triazole
Triethylamine TCI T0424 reagent for BDC-Triazole
Triethylamine hydrochloride Daejung chemical 8628-4405 reagent for BDC-Tetrazole
Trimethylsilyl-acetylene Alfa-Aesar A12856 reagent for BDC-Triazole
Triphenylphosphine TCI T0519 reagent for BDC-Triazole
X RAY DIFFRACTOMETER SYSTEM Rigaku MiniFlex 600 PXRD
Zirconium(IV) chloride Alfa-Aesar 12104 reagent for BDC-Tetrazole

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

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화학 제 196 호 금속-유기 프레임 워크 합성 후 변형 합성 후 리간드 교환 트리아 졸 테트라 졸
합성 후 리간드 교환을 통한 트리아졸 및 테트라졸 기능화 Zr 기반 금속-유기 프레임워크의 합성
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Lee, S., Lee, D., Kim, J. Y., Kim, M. Synthesis of Triazole and Tetrazole-Functionalized Zr-Based Metal-Organic Frameworks Through Post-Synthetic Ligand Exchange. J. Vis. Exp. (196), e65619, doi:10.3791/65619 (2023).

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