JP2012519171A - Coordination block copolymer - Google Patents
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Abstract
本発明は、結晶質配位共重合体の組成物、および該組成物の製造方法と使用方法を提供する。該製造方法では、複数種の有機分子を集成して、層状構造もしくはコア−シェル構造を有する多孔性骨格材料を生成させる。これらの材料は、種成長法のような逐次的成長法によって合成される。本発明はさらに、官能性を制御するための単純な手順を提供する。
【選択図】図1aThe present invention provides compositions of crystalline coordination copolymers and methods for making and using the compositions. In the production method, a plurality of types of organic molecules are assembled to produce a porous skeleton material having a layered structure or a core-shell structure. These materials are synthesized by a sequential growth method such as a seed growth method. The present invention further provides a simple procedure for controlling functionality.
[Selection] Figure 1a
Description
本発明は、米国政府、米エネルギー省の国立エネルギー技術研究所の支援の下に、アワード番号(Award No.)DE−FC26−07NT42121にてなされた。米国政府は、本発明に対してある特定の権利を有する。 This invention was made with the award number (Award No.) DE-FC26-07NT42121 with the support of the National Energy Technology Laboratory of the US Government, US Department of Energy. The US government has certain rights to the invention.
多孔質固体という種類の既知材料は、有機金属構造体(MOF)または配位重合体と呼ばれている。 Known materials of the type porous solids are called organometallic structures (MOFs) or coordination polymers.
Alfred Wernerによって開発された配位結合の理論[A.Werner,Z.Anorg.Allg.Chem.3(1893)267]は、錯体無機化学の実験結果を理解することを初めて可能にした。安定な配位重合体は、溶解無機塩に、錯体を形成できる有機分子(ジアミンや二酸等)を加えることによって得られる。配位中心としての金属イオンの間の距離は、特に有機成分の構造により広い範囲で設定することができ、微孔性〜メソ多孔性材料が得られる。したがって配位重合体は、さまざまに変えることができ、文献にかなりまとめられている[S.Kitagawa et al.Angew.Chem.Int.Ed.43(2004)2334]。 Coordination bond theory developed by Alfred Werner [A. Werner, Z .; Anorg. Allg. Chem. 3 (1893) 267] made it possible for the first time to understand the experimental results of complex inorganic chemistry. A stable coordination polymer can be obtained by adding an organic molecule (such as diamine or diacid) capable of forming a complex to a dissolved inorganic salt. The distance between the metal ions as the coordination center can be set in a wide range depending on the structure of the organic component, and a microporous to mesoporous material can be obtained. Coordination polymers can therefore be varied and are well documented in the literature [S. Kitagawa et al. Angew. Chem. Int. Ed. 43 (2004) 2334].
多孔性を有する配位重合体を合成できることから、結晶性モレキュラーシーブという新たな種類の材料が得られる。任意の配位重合体の結晶構造は、X線結晶構造解析によって決定することができ、細孔またはチャネルの寸法をかなり正確に求めることができる。一部の多孔質配位重合体の内部表面積は、他の多孔質材料より相当大きい。細孔の径と形状はかなり調整可能であり、既知のゼオライトと比較して大きな細孔径を合成することができる。これらの材料の主鎖や骨格構造の官能化は、官能基が既に組み込まれている有機リンカーを使用して合成をスタートするか、あるいは合成後の修飾によって達成することができる。 Since a coordination polymer having porosity can be synthesized, a new type of material called crystalline molecular sieve can be obtained. The crystal structure of any coordination polymer can be determined by X-ray crystal structure analysis and the pore or channel dimensions can be determined fairly accurately. The internal surface area of some porous coordination polymers is considerably larger than other porous materials. The diameter and shape of the pores can be adjusted considerably, and a larger pore diameter can be synthesized compared to known zeolites. Functionalization of the backbone or skeletal structure of these materials can be achieved by starting synthesis using organic linkers that already incorporate functional groups or by post-synthesis modifications.
最近、トポロジー的に区別可能な2種のリンカーを使用する配位共重合法が報告されており、この方法により、これまでは達成できなかったメソ多孔性構造を有する微孔質配位重合体(MCP)を生じさせることができる[K.Koh,A.G.Wong−Foy and A.J.Matzger,Angew.Chem.,Int.Ed.,47,(2008),677]。この方法の最初の例[UMCM−1(ミシガン大学の結晶質材料)]は、単一リンカータイプの個別集成体から生じる結晶相の混合物の代わりに、各有機リンカーのモル比を調節することによって、すべての有機成分を組み込んだ新規相を生成させることができる、ということを示した。 Recently, a coordination copolymerization method using two topologically distinguishable linkers has been reported. By this method, a microporous coordination polymer having a mesoporous structure which has not been achieved so far has been reported. (MCP) can be generated [K. Koh, A .; G. Wong-Foy and A.W. J. et al. Matzger, Angew. Chem. , Int. Ed. 47, (2008), 677]. The first example of this method [UMCM-1 (crystalline material at the University of Michigan)] is by adjusting the molar ratio of each organic linker instead of a mixture of crystalline phases resulting from individual assemblies of a single linker type. Have shown that new phases incorporating all organic components can be produced.
本発明は、新しい種類の材料である配位共重合体を説明する。これらの材料の製造には、シード成長法等の逐次成長法が用いられ、第2以上のシェルの三次元増殖により層機能がつくり出される。その材料は、分離工程等の工程で、及び反応触媒として、使用することができる。 The present invention describes a new class of materials, coordination copolymers. In order to manufacture these materials, a sequential growth method such as a seed growth method is used, and a layer function is created by three-dimensional growth of the second or more shells. The material can be used in a process such as a separation process and as a reaction catalyst.
本発明の新規材料は、少なくとも第1の配位重合体と第2の配位重合体を含む配位共重合体であり、ここで第1と第2の配位重合体は同一ではない。第1の配位重合体と第2の配位重合体は、第1と第2の層状構造にて存在することができる。必要に応じて、少なくとも第3の配位重合体を、第2の層上に層状化することができる。第3の配位重合体は、第1の層と同じであってもよい。第3の配位重合体は、第1と第2の配位重合体のいずれかのそれとは異なる組成または異なる構造を有してよい。第1と第2の層状構造は、コアとシェル構造を形成してよい。少なくとも第3の配位重合体を、シェル上に層状化することができる。第3の配位重合体は、コアと同じであってもよい。第3の配位重合体は、第1と第2の配位重合体のいずれかのそれとは異なる組成または異なる構造を有してよい。 The novel material of the present invention is a coordination copolymer comprising at least a first coordination polymer and a second coordination polymer, wherein the first and second coordination polymers are not the same. The first coordination polymer and the second coordination polymer can be present in the first and second layered structures. If desired, at least the third coordination polymer can be layered on the second layer. The third coordination polymer may be the same as the first layer. The third coordination polymer may have a different composition or a different structure than either of the first and second coordination polymers. The first and second layered structures may form a core and shell structure. At least a third coordination polymer can be layered on the shell. The third coordination polymer may be the same as the core. The third coordination polymer may have a different composition or a different structure than either of the first and second coordination polymers.
配位共重合体を製造する1つの方法は、少なくとも1種の金属カチオン源と少なくとも1種の有機連結化合物(organic linking compound)を溶媒に加えて、第1の溶液もしくはコロイド懸濁液を形成させること;第1の溶液もしくはコロイド懸濁液を処理して、第1の配位重合体の結晶を形成させること;少なくとも1種の金属カチオン源と少なくとも1種の有機連結化合物を溶媒に加えて、第2の溶液またはコロイド懸濁液を形成させること、ここで第2の溶液は、第1の溶液またはコロイド懸濁液と同一ではない;第1の配位重合体の結晶を第2の溶液もしくはコロイド懸濁液に加えること;および、第2の溶液もしくはコロイド懸濁液を処理して、第2の配位重合体の結晶を、第1の配位重合体の1つ以上の結晶を覆う層として形成させ、これにより配位共重合体を形成させること、ここで第1の配位重合体は、第2の配位重合体と同一ではない;を含む。第1の配位重合体の結晶は、10ナノメートル〜1ミクロンの範囲のサイズであってよい。配位共重合体は、“ワンポット”法によっても製造することができる。例えば、配位共重合体は、少なくとも1種の金属カチオン源と少なくとも1種の有機連結化合物を溶媒に加えて、溶液もしくはコロイド懸濁液を形成させること;溶液もしくはコロイド懸濁液を処理して、第1の配位重合体の結晶を形成させること;第2の金属カチオン源、第2の有機連結化合物、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも1種の追加試剤を溶液もしくはコロイド懸濁液に加えること;および、溶液を処理して、第2の配位重合体の結晶を、第1の配位重合体の1つ以上の結晶を覆う層として形成させ、これにより配位共重合体を形成させること、ここで第1の配位重合体は、第2の配位重合体と同一ではない;によって製造することができる。 One method of making a coordination copolymer is to add at least one metal cation source and at least one organic linking compound to a solvent to form a first solution or colloidal suspension. Treating the first solution or colloidal suspension to form crystals of the first coordination polymer; adding at least one metal cation source and at least one organic linking compound to the solvent; Forming a second solution or colloidal suspension, wherein the second solution is not the same as the first solution or colloidal suspension; And treating the second solution or colloidal suspension to produce crystals of the second coordination polymer in one or more of the first coordination polymer. Forming as a layer covering the crystal, thereby forming a coordination copolymer, wherein the first coordination polymer is not the same as the second coordination polymer. The crystals of the first coordination polymer may be sized in the range of 10 nanometers to 1 micron. Coordination copolymers can also be produced by the “one pot” method. For example, a coordination copolymer can be prepared by adding at least one metal cation source and at least one organic linking compound to a solvent to form a solution or colloidal suspension; Forming a crystal of the first coordination polymer; at least one additional agent selected from the group consisting of a second metal cation source, a second organic linking compound, and combinations thereof in solution or Adding to the colloidal suspension; and treating the solution to form crystals of the second coordination polymer as a layer over the one or more crystals of the first coordination polymer, thereby distributing Forming a coordination copolymer, wherein the first coordination polymer is not the same as the second coordination polymer.
配位共重合体は、少なくとも第1の配位重合体と第2の配位重合体とを含む配位共重合体と混合物とを接触させることによって、混合物の第1の成分を、混合物の第2の成分から分離するための方法において使用することができ、ここで第1と第2の配位重合体は同一ではない。配位共重合体はさらに、化学反応における触媒として使用することもできる。例えば、配位共重合体は、少なくとも第1の配位重合体と第2の配位重合体とを含む配位共重合体と、少なくとも1種の反応物を含む供給材料とを接触させることによって少なくとも1種の反応物を転化させて、転化生成物を得るのに使用することができ、ここで第1と第2の配位重合体は同一ではなく、少なくとも1種の配位重合体が触媒機能を有する。 The coordination copolymer is obtained by bringing the first component of the mixture into contact with the mixture by contacting the mixture with the coordination copolymer including at least the first coordination polymer and the second coordination polymer. It can be used in a method for separating from the second component, where the first and second coordination polymers are not identical. The coordination copolymer can also be used as a catalyst in chemical reactions. For example, the coordination copolymer comprises contacting a coordination copolymer comprising at least a first coordination polymer and a second coordination polymer with a feed comprising at least one reactant. Can be used to convert at least one reactant to obtain a converted product, wherein the first and second coordination polymers are not the same, and at least one coordination polymer. Has a catalytic function.
本発明は、少なくとも2種の異なる配位重合体を含む、配位ブロック共重合体と呼ばれる新規種類の材料を提供する。2種の異なる配位重合体は空間的に連続しており、配位共重合体は、第1の配位重合体の区域もしくはブロック、および第2の配位重合体の区域もしくはブロックを示す。少なくとも2種の異なる配位重合体は、多孔質配位重合体、非多孔質配位重合体、またはこれらの組み合わせであってよい。 The present invention provides a new class of materials called coordination block copolymers, comprising at least two different coordination polymers. The two different coordination polymers are spatially continuous, and the coordination copolymer represents a zone or block of the first coordination polymer and a zone or block of the second coordination polymer. . The at least two different coordination polymers may be a porous coordination polymer, a non-porous coordination polymer, or a combination thereof.
本明細書に記載の方法は、少なくとも2種の同一ではない配位重合体を含む配位ブロック共重合体の製造を示す。例えば、2種の配位重合体はそれぞれ異なる細孔径を有してよく、単一の配位共重合体を製造するのに使用されると、得られる多成分配位共重合体は、第1の細孔径を有する少なくとも1つの部分と、第2の細孔径を有する少なくとも1つの他の部分を有することがある。3種以上の配位重合体を使用して多成分配位共重合体を製造することができ、このとき異なる細孔径を有する複合材料の複数部分が生じる。したがって、新しい特性を有する新規種類の材料を造りだすことができる。本発明の方法の1つのメリットは、複合材料を(従って細孔径を)製造するのに使用される配位重合体を、該複合材料が使用される用途に応じて選択することができる、という点である。さらに、複合材料の製造方法に応じて、ある特定の細孔径を複合材料の特定区域に位置決めするために、複合材料の製造時に調節を施すことができる。したがって、必要に応じて、開始時の配位重合体の種類と配位共重合体の製造方法を選択することによって、配位共重合体を特定の用途向けに製造することができる。配位共重合体は、サイズ選択的な分離ならびにサイズ及び/又は形状選択的な触媒等の用途において、高い選択性と高い能力を有するように合成することができる、と考えられる。 The method described herein illustrates the preparation of a coordination block copolymer comprising at least two non-identical coordination polymers. For example, the two coordination polymers may have different pore sizes, and when used to produce a single coordination copolymer, the resulting multicomponent coordination copolymer is It may have at least one portion having one pore size and at least one other portion having a second pore size. Three or more coordination polymers can be used to produce a multi-component coordination copolymer, resulting in multiple portions of composite material having different pore sizes. Therefore, a new kind of material having new characteristics can be created. One advantage of the method of the present invention is that the coordination polymer used to produce the composite material (and thus the pore size) can be selected depending on the application for which the composite material is used. Is a point. Further, depending on the method of manufacturing the composite material, adjustments can be made during the manufacture of the composite material to position a particular pore size in a specific area of the composite material. Therefore, if necessary, the coordination copolymer can be produced for a specific application by selecting the type of coordination polymer at the start and the method for producing the coordination copolymer. It is believed that coordination copolymers can be synthesized with high selectivity and high capacity in applications such as size selective separation and size and / or shape selective catalysts.
複合配位共重合体を合成する際に使用するための好適な配位重合体の例を最初に説明し、次いで複合配位共重合体を製造するための方法を説明する。
配位共重合体複合物を製造するのに使用される配位重合体が分子骨格を画定する。配位重合体は、複数の有機連結配位子によって連結された複数の金属原子または金属クラスターを含有する。連結配位子は、2つ以上の金属原子または金属クラスターを配位結合させる。有機連結配位子は、同一であっても、異なっていてもよい。有機連結配位子は電荷中性であってもよいし、あるいは各有機連結配位子は、負に帯電した多座配位子から誘導される。配位共重合体の連結配位子は、第1の骨格を有する第1の連結配位子、および第2の骨格を有する第2の連結配位子を含むのが特徴である。最も一般的なケースでは、第1と第2の骨格が同一であり、例えば、同じ芳香環構造もしくは直鎖炭化水素構造を有する。しかしながら、第1と第2の骨格が異なっていてもよいことは言うまでもない。例えば、第1と第2の骨格が異なる環構造もしくは直鎖構造を有してもよく;第1と第2の骨格が同じ環構造もしくは直鎖構造を有するが、異なる官能基で置換されていてもよく;あるいは、第1と第2の骨格が炭化水素であるか、またはN、O、もしくはS等のヘテロ原子で置き換えられた1つ以上の原子を有してもよい。配位共重合体は、結晶クラスターのような結晶形をとることもあり、触媒活性であることもあり、配位重合体の表面は極性であっても無極性であってもよい。
An example of a suitable coordination polymer for use in synthesizing the composite coordination copolymer is first described, followed by a method for producing the composite coordination copolymer.
The coordination polymer used to make the coordination copolymer composite defines the molecular backbone. The coordination polymer contains a plurality of metal atoms or metal clusters linked by a plurality of organic linking ligands. A linking ligand coordinates two or more metal atoms or metal clusters. The organic linking ligands may be the same or different. The organic linking ligand may be charge neutral, or each organic linking ligand is derived from a negatively charged multidentate ligand. The linking ligand of the coordination copolymer is characterized by including a first linking ligand having a first skeleton and a second linking ligand having a second skeleton. In the most common case, the first and second skeletons are the same, for example, having the same aromatic ring structure or linear hydrocarbon structure. However, it goes without saying that the first and second skeletons may be different. For example, the first and second skeletons may have different ring structures or linear structures; the first and second skeletons have the same ring structure or linear structure, but are substituted with different functional groups. Alternatively, the first and second skeletons may be hydrocarbons or have one or more atoms replaced with heteroatoms such as N, O, or S. The coordination copolymer may take a crystal form such as a crystal cluster, may be catalytically active, and the surface of the coordination polymer may be polar or nonpolar.
本発明の1つの実施態様では、配位共重合体の各金属クラスターは、1つ以上の金属イオンを、有機連結配位子が金属イオンの電荷を部分的もしくは完全に相殺する状態で含む。特定の実施態様では、各金属クラスターが、アクチニド、ランタニド、およびこれらの組み合わせを含めたIUPAC元素周期表の第1〜16族の金属からなる群から選択される金属を有する金属イオンもしくはメタロイドを含む。有用な金属イオンの特定の例としては、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Sc3+、Y3+、Ti4+、Zr4+、Hf4+、V4+、V3+、V2+、Nb3+、Ta3+、Cr3+、Mo3+、W3+、Mn3+、Mn2+、Re3+、Re2+、Fe3+、Fe2+、Ru3+、Ru2+、Os3+、Os2+、Co3+、Co2+、Rh+、Rh2+、Rh3+、Ir+、Ir3+、Ni2+、Ni+、Pd2+、Pd4+、Pt2+、Pt4+、Cu2+、Cu+、Ag+、Au+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Al3+、Ga3+、In3+、Tl3+、Si4+、Si2+、Ge4+、Ge2+、Sn4+、Sn2+、Pb4+、Pb2+、As5+、As3+、As+、Sb5+、Sb3+、Sb+、Bi5+、Bi3+、およびBi+からなる群から選択される金属イオンがあるが、これらに限定されない。 In one embodiment of the invention, each metal cluster of the coordination copolymer comprises one or more metal ions, with the organic linking ligand partially or completely offsetting the charge of the metal ions. In certain embodiments, each metal cluster comprises a metal ion or metalloid having a metal selected from the group consisting of metals from Groups 1-16 of the IUPAC periodic table, including actinides, lanthanides, and combinations thereof . Specific examples of useful metal ions include Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ , Sc 3+ , Y 3+ , Ti 4+ , Zr 4+ , Hf 4+ , V 4+ , V 3+ , V 2+ , Nb 3+ , Ta 3+, Cr 3+, Mo 3+ , W 3+, Mn 3+, Mn 2+, Re 3+, Re 2+, Fe 3+, Fe 2+, Ru 3+, Ru 2+, Os 3+, Os 2+, Co 3+, Co 2+, Rh + , Rh 2+ , Rh 3+ , Ir + , Ir 3+ , Ni 2+ , Ni + , Pd 2+ , Pd 4+ , Pt 2+ , Pt 4+ , Cu 2+ , Cu + , Ag + , Au + , Zn 2+ , Gd 2+ , H 2+ , Al 3+ , Ga 3+ , In 3+ , Tl 3+ , Si 4+ , Si 2+ , Ge 4+ , Ge 2+ , Sn 4+ , Sn 2+ , Pb 4 There are, but are not limited to, metal ions selected from the group consisting of + , Pb 2+ , As 5+ , As 3+ , As + , Sb 5+ , Sb 3+ , Sb + , Bi 5+ , Bi 3+ , and Bi + .
配位共重合体は、有機連結配位子を有する配位重合体を含んでなる。本発明の1つの実施態様では、有機連結配位子は式I:
XnY(I)
(式中、Xは官能基であり;nは2以上の整数であり;そしてYは、炭化水素基、または、1つ以上の炭素原子がヘテロ原子で置き換えられた炭化水素基である)で表わすことができる。
The coordination copolymer comprises a coordination polymer having an organic linking ligand. In one embodiment of the invention, the organic linking ligand is of the formula I:
XnY (I)
(Wherein X is a functional group; n is an integer greater than or equal to 2; and Y is a hydrocarbon group or a hydrocarbon group in which one or more carbon atoms are replaced with a heteroatom). Can be represented.
1つの実施態様では、Xは、CE2 −、C(Ar)2 −、RC(=G)C=C(G’)R、またはR1C(ZR2)C=C(ZR2)R1であって、ここで、EはO、S、Se、またはTeであり、ZはN、PまたはAsであり、R、R1、R2はH、アルキル基またはアリール基であり、AはN、P、またはAsであり、GがO、S、Se、またはTeである。Xに対する好適な例としては、CO2 −、CS2 −、ROPO2 −、PO3 −2、ROPO3 −2、PO4 −2、ROAsO2 −、AsO3 −2、ROAsO3 −2、SO3 −、SO4 −、SeO3 −、SeO4 −、TeO3 −、またはTeO4 −などがあるが、これらに限定されない。他の実施態様では、Yは、単環式芳香環、多環式芳香環、単環式ヘテロ芳香環、多環式ヘテロ芳香環、1〜10の炭素原子を有するアルキル基、及びこれらの組み合わせ、からなる群から選択される部位を含む。他の実施態様では、Yは、アルキル、アルキルアミン、アリールアミン、アルキルアリールアミン、またはフェニルである。さらに他の実施態様では、Yは、C1−10アルキル、C6−50芳香環、またはC4−24ヘテロ芳香環系である。有機連結配位子が、配位重合体の全体にわたって同じであってもよいし、あるいは2種以上の有機連結配位子を配位重合体中に組み込むこともできる。 In one embodiment, X is CE 2 − , C (Ar) 2 − , RC (═G) C═C (G ′) R, or R 1 C (ZR 2 ) C═C (ZR 2 ) R. 1 , wherein E is O, S, Se, or Te, Z is N, P, or As, R, R 1 , R 2 are H, an alkyl group, or an aryl group, and A Is N, P, or As, and G is O, S, Se, or Te. Suitable examples for X include CO 2 − , CS 2 − , ROPO 2 − , PO 3 −2 , ROPO 3 −2 , PO 4 −2 , ROAsO 2 − , AsO 3 −2 , ROAsO 3 −2 , SO 3 -, SO 4 -, SeO 3 -, SeO 4 -, TeO 3 -, or TeO 4 - there are such as, but not limited to. In other embodiments, Y is a monocyclic aromatic ring, a polycyclic aromatic ring, a monocyclic heteroaromatic ring, a polycyclic heteroaromatic ring, an alkyl group having 10 to 10 carbon atoms, and combinations thereof And a site selected from the group consisting of: In other embodiments, Y is alkyl, alkylamine, arylamine, alkylarylamine, or phenyl. In still other embodiments, Y is a C 1-10 alkyl, C 6-50 aromatic ring, or C 4-24 heteroaromatic ring system. The organic linking ligand can be the same throughout the coordination polymer, or two or more organic linking ligands can be incorporated into the coordination polymer.
本発明の1つの実施態様では、配位共重合体は、2〜40オングストローム、5〜30オングストローム、または8〜20オングストロームの平均細孔寸法(窒素吸着によって測定)を有することを特徴とする。本発明の他の実施態様では、配位共重合体は、2000m2/g以上の表面積(ラングミュア法によって測定)を有することを特徴とする。他の実施態様では、配位共重合体は、1000〜40000m2/gの表面積(ラングミュア法によって測定)を有することを特徴とする。さらに他の実施態様では、配位重合体は、配位重合体1グラム当たり0.1cm3/g以上の細孔体積(窒素吸着によって測定)を有する。 In one embodiment of the invention, the coordination copolymer is characterized by having an average pore size (measured by nitrogen adsorption) of 2-40 angstroms, 5-30 angstroms, or 8-20 angstroms. In another embodiment of the invention, the coordination copolymer has a surface area (measured by Langmuir method) of 2000 m 2 / g or more. In another embodiment, the coordination copolymer is characterized by having a surface area (measured by the Langmuir method) of 1000 to 40000 m 2 / g. In yet another embodiment, the coordination polymer has a pore volume (measured by nitrogen adsorption) of 0.1 cm 3 / g or more per gram of coordination polymer.
さらに、多成分配位共重合体のバルク特性は、配位重合体の少なくとも1種の合成時に、溶液中における異なるリンカーの濃度を変えることによって制御することができる(実施例2を参照)。配位共重合体のバルク特性を制御することで、特定のバルク特性を必要とする特定の目的に沿った配位共重合体を合成することが可能となる。例えば、配位共重合体複合材料の表面積を制御することで、エンドユーザーは、所定の課題を達成するのにより少ない材料を使用できるようになるであろう。なぜなら、表面積がより大きくなると、非常に多くの活性部位がもたらされるからである。 Furthermore, the bulk properties of multi-component coordination copolymers can be controlled by varying the concentration of different linkers in solution during the synthesis of at least one coordination polymer (see Example 2). By controlling the bulk properties of the coordination copolymer, it is possible to synthesize a coordination copolymer for a specific purpose that requires specific bulk properties. For example, controlling the surface area of the coordination copolymer composite will allow the end user to use less material to accomplish a given task. This is because a larger surface area results in so many active sites.
リンカーを加える順序を制御することが配位共重合体の製造方法を構成し、こうした制御は、異なる成分を含む金属有機配位分子のエピタキシャル成長が関与する種成長法であると見なすことができる。得られる物質組成は、骨格のネスティングにより誘導される層状材料である。従来、金属イオンの置き換えに対して幾つかの方法が適用されており、色のコントラストが強くなったり、磁性の変化が起きたりする。本発明の方法により、異なる官能性を有する多層結晶構造のエンジニアリングが可能となる。最初に、2種の異なる配位重合体(AとB)の種を、例えばソルボサーマル法によって別々に作製する。時間と加熱を施すことで、配位重合体AとBの種の成長が可能となる。一般的な結晶化温度は周囲温度〜250℃の範囲であり、反応時間は数分〜数か月の範囲である。周囲温度〜125℃にて数時間〜数日を要する結晶化が最も一般的である。反応時間の例としては、1分〜5ヶ月、あるいは2時間〜4日などがある。好適な溶媒としては、ホルムアルデヒド、スルホキシド、ニトリル、エステル、アミン、エーテル、ケトン、芳香族化合物、脂肪族化合物、水、およびこれらの組み合わせなどがある。溶媒の特定の例としては、アンモニア、ヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、ニトロベンゼン、ナフタレン、チオフェン、ピリジン、アセトン、1,2−ジクロロエタン、塩化メチレン、テトラヒドロフラン、エタノールアミン、トリエチルアミン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、メタノール、エタノール、プロパノール、アルコール類、ジメチルスルホキシド、クロロホルム、ブロモホルム、ジブロモメタン、ヨードホルム、ジメードメタン、ハロゲン化有機溶媒、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、1−メチル−2−ピロリジノン、アミド溶媒、メチルピリジン、ジメチルピリジン、およびこれらの混合物などがあるが、これらに限定されない。 Controlling the order in which the linkers are added constitutes a method of making the coordination copolymer, and such control can be viewed as a seed growth method involving the epitaxial growth of metal organic coordination molecules containing different components. The resulting material composition is a layered material derived by skeletal nesting. Conventionally, several methods have been applied to the replacement of metal ions, resulting in a strong color contrast or a change in magnetism. The method of the present invention allows the engineering of multilayer crystal structures with different functionalities. First, two different coordination polymer (A and B) seeds are made separately, for example by the solvothermal method. By applying time and heating, seeds of coordination polymers A and B can be grown. Typical crystallization temperatures range from ambient temperature to 250 ° C., and reaction times range from minutes to months. Crystallization that takes several hours to several days at ambient temperatures to 125 ° C is most common. Examples of reaction time include 1 minute to 5 months, or 2 hours to 4 days. Suitable solvents include formaldehyde, sulfoxide, nitrile, ester, amine, ether, ketone, aromatic compound, aliphatic compound, water, and combinations thereof. Specific examples of solvents include ammonia, hexane, benzene, toluene, xylene, chlorobenzene, nitrobenzene, naphthalene, thiophene, pyridine, acetone, 1,2-dichloroethane, methylene chloride, tetrahydrofuran, ethanolamine, triethylamine, N, N- Dimethylformamide, N, N-diethylformamide, methanol, ethanol, propanol, alcohols, dimethyl sulfoxide, chloroform, bromoform, dibromomethane, iodoform, dimedmethane, halogenated organic solvent, N, N-dimethylacetamide, N, N-diethyl Examples include, but are not limited to, acetamide, 1-methyl-2-pyrrolidinone, amide solvents, methylpyridine, dimethylpyridine, and mixtures thereof.
次に、それぞれの反応溶液の一部を交換する。例えば、配位重合体Aの種を含有する反応溶液の一部を配位重合体Bに対する反応溶液に加え;そして配位重合体Bの種を含有する反応溶液の一部を、配位重合体Aに対する反応溶液に加える。純度のため、種を含有する一部を、種を生成させるのに使用された反応溶液の代わりにフレッシュな反応溶液に加えてもよいことは言うまでもない。再び時間と加熱を施して、既に存在する第一層(primary layer)の上に配位重合体の新たな層を成長させる(実施例3を参照)。この時点で手順を停止し、このとき配位共重合体は、2種の配位重合体を、一方を第一層もしくはコア層として、そして他方を第一層を覆う又は取り囲む層(例えばシェル)として有する。あるいは、手順を1回以上の繰り返にて続けてもよく、これにより配位重合体のさらなる層を成長させる。当初の2種の配位重合体を使用して、交互の層を形成させることもできるし、あるいは追加の異なる配位重合体を使用して、異なる組成の層をつくり出すこともできる。第1の層の上に第2の層を(等々)成長させた状態で、支持体上に第1の層を成長させることも本発明の範囲内である。 Next, a part of each reaction solution is exchanged. For example, a portion of the reaction solution containing the coordination polymer A species is added to the reaction solution for the coordination polymer B; and a portion of the reaction solution containing the coordination polymer B species is added to the coordination weight. Add to reaction solution for coalescence A. Of course, for purity, a portion containing the seed may be added to the fresh reaction solution instead of the reaction solution used to generate the seed. Time and heat are again applied to grow a new layer of coordination polymer on the already existing primary layer (see Example 3). At this point, the procedure is stopped, where the coordination copolymer comprises two coordination polymers, one as the first layer or core layer and the other over or surrounding the first layer (eg, shell). ) As. Alternatively, the procedure may be continued one or more times, thereby growing a further layer of coordination polymer. The original two coordination polymers can be used to form alternating layers, or additional different coordination polymers can be used to create layers of different composition. It is also within the scope of the present invention to grow the first layer on the support with the second layer (and so on) grown on the first layer.
異なる層に異なる配位重合体を選択することにより、物質の配位共重合体組成を、特定の目的に適うようエンジニアリングすることができる。例えば、第一層もしくはコア層中の配位重合体がより大きな細孔径を含む一方で、第一層の上の第1の層中の配位重合体がより小さな細孔径を含んでよい。このように、本発明の材料は、高容量の選択性吸着剤として使用することができる。より小さな細孔の配位重合体層は、選択性をもたらすように作用し、一方、第一層におけるより大きな細孔の配位重合体は、高容量をもたらすように作用する。ゲストの取り込みと放出の速度論を調整することができる。配位共重合体の他の特性は、同様の方法で調節することができる。さらに、単一の材料にて多段触媒を作製することができる。 By selecting different coordination polymers for different layers, the coordination copolymer composition of the material can be engineered to suit a particular purpose. For example, the coordination polymer in the first layer or core layer may contain a larger pore size while the coordination polymer in the first layer above the first layer may contain a smaller pore size. Thus, the material of the present invention can be used as a high capacity selective adsorbent. The smaller pore coordination polymer layer acts to provide selectivity, while the larger pore coordination polymer in the first layer acts to provide higher capacity. Guest uptake and release kinetics can be adjusted. Other properties of the coordination copolymer can be adjusted in a similar manner. Furthermore, a multistage catalyst can be produced with a single material.
触媒機能を有する少なくとも1種の配位重合体を選択することによって、配位共重合体は、反応を触媒するための触媒として使用することができる。例えば、配位共重合体は、少なくとも1種の反応物を含む供給材料と、少なくとも第1の配位重合体と第2の配位重合体を含む配位共重合体とを接触させて転化生成物を得ることによって、少なくとも1種の反応物を転化させるためのプロセスにおいて使用することができる。ここで、第1と第2の配位重合体は同一ではなく、少なくとも一方の配位重合体が触媒機能を含む。他の例においては、反応は、炭化水素を含む供給材料と、少なくとも第1の配位重合体と第2の配位重合体を含む配位共重合体とを接触させて転化生成物を得る、という炭化水素転化反応であってよい。ここで、第1と第2の配位重合体は同一ではなく、少なくとも一方の配位重合体が触媒機能を含む。炭化水素転化プロセスとしては、クラッキング、水素化分解、芳香族アルキル化、イソパラフィンアルキル化、異性化、重合、リフォーミング、脱ろう、水素化、脱水素、アルキル交換、脱アルキル、水和、脱水、水素処理、水素化脱窒素、水素化脱硫、メタン化、開環、および合成ガスシフト等の反応がある。他の実施態様では、合成後に、配位共重合体に触媒機能を加えることができる。 By selecting at least one coordination polymer having a catalytic function, the coordination copolymer can be used as a catalyst for catalyzing the reaction. For example, a coordination copolymer is converted by contacting a feed comprising at least one reactant with a coordination copolymer comprising at least a first coordination polymer and a second coordination polymer. By obtaining the product, it can be used in a process for converting at least one reactant. Here, the first and second coordination polymers are not the same, and at least one of the coordination polymers includes a catalytic function. In another example, the reaction involves contacting a feed comprising a hydrocarbon with a coordination copolymer comprising at least a first coordination polymer and a second coordination polymer to obtain a conversion product. , May be a hydrocarbon conversion reaction. Here, the first and second coordination polymers are not the same, and at least one of the coordination polymers includes a catalytic function. Hydrocarbon conversion processes include cracking, hydrocracking, aromatic alkylation, isoparaffin alkylation, isomerization, polymerization, reforming, dewaxing, hydrogenation, dehydrogenation, alkyl exchange, dealkylation, hydration, dehydration, There are reactions such as hydrotreating, hydrodenitrogenation, hydrodesulfurization, methanation, ring opening, and syngas shift. In other embodiments, the catalyst function can be added to the coordination copolymer after synthesis.
実施例5〜7はさらに、特定の晶癖を有する配位重合体を、異なる晶癖を有する配位重合体の結晶上にうまく層状化できる、ということを示している。一般には、これは、うまく行うのが困難な課題である。なぜなら、結晶は、同じモルホロジーと晶癖を有する種上に最も効果的に成長するからである。例えば、角柱は角柱上に最良の状態で成長し、立方体は立方体上に最良の状態で成長する。他方、結晶は、所定の結晶性物質の核形成と成長に必要な試剤に関して過飽和の反応混合物中に存在するナノ粒子上に不均一に核形成させることもできる。例えば、氷の結晶は不均一に核形成され、次いで大気中において、ナノダスト粒子上に雪片として成長し続ける。 Examples 5-7 further show that coordination polymers with specific crystal habits can be successfully layered on the crystals of coordination polymers with different crystal habits. In general, this is a difficult task to do well. This is because crystals grow most effectively on seeds with the same morphology and habit. For example, a prism grows best on a prism and a cube grows best on a cube. On the other hand, the crystals can also be heterogeneously nucleated on the nanoparticles present in the supersaturated reaction mixture with respect to the reagents necessary for nucleation and growth of a given crystalline material. For example, ice crystals are heterogeneously nucleated and then continue to grow as snowflakes on nanodust particles in the atmosphere.
このプロセスは、少なくとも2タイプの結晶(特に、第1の層、すなわちコア層の結晶)を小さな(すなわちナノ)結晶サイズの型(regime)にて調製することによって可能となる。1つの実施態様では、ナノ結晶は10〜100nmの範囲であってよいが、サイズが500nm(さらには1ミクロンでも)に近い結晶も、コア材料として使用することができる。これらのナノ結晶は、同じ材料のより大きな結晶と比較して、晶癖と結晶モルホロジーがより不規則であることが多い。しかしながら、それらのナノサイズ、ならびにそれほど明白ではないことが多い晶癖と結晶モルオロジーにもかかわらず、結晶は、特徴的な粉末XRDパターンによって容易に識別することができる。同様に、第2の層を第1の層の表面上に成長させると、最終生成物のXRDパターンにおいて、第2の材料の特徴的なXRDパターンが、別のセットのピークとして現われる。 This process is made possible by preparing at least two types of crystals (especially the first layer, ie, the core layer) in small (ie nano) crystal size regimes. In one embodiment, the nanocrystals can range from 10-100 nm, but crystals close in size to 500 nm (or even 1 micron) can also be used as the core material. These nanocrystals are often more irregular in crystal habit and crystal morphology compared to larger crystals of the same material. However, despite their nanosize, as well as crystal habit and crystal morphology, which are often less obvious, crystals can be easily identified by a characteristic powder XRD pattern. Similarly, when the second layer is grown on the surface of the first layer, the characteristic XRD pattern of the second material appears as another set of peaks in the XRD pattern of the final product.
このプロセスの重要なメリットは、第1の材料を成長させるのに使用したのと同じ反応溶液において、第2の材料の結晶を第1の層(すなわちコア層)の結晶上に成長させることができる、という点である。こうしたその場合成、すなわち「ワンポット」合成は、廃棄物が最小限化されたり、コストのかかる中間処理工程(例えば、第1の材料を第2の層の層形成化学に付す前に、第1の材料を単離・精製すること)が不要となることから、実際的に極めて重要である。そうは言うものの、本発明の他の実施態様では、第1の材料上に第2の材料を成長させるために、第1の層の結晶を単離し、第2の材料の過飽和溶液中に再懸濁させる。このプロセシングは、2つの材料の溶液化学や他の処理条件が相容れない場合に必要とされることがある。 An important advantage of this process is that crystals of the second material are grown on the crystals of the first layer (ie, the core layer) in the same reaction solution used to grow the first material. It is possible. Such in-situ synthesis, or “one-pot” synthesis, can be used to minimize waste or costly intermediate processing steps (e.g., before subjecting the first material to the second layer layering chemistry). It is practically extremely important because it is no longer necessary to isolate and purify the material. Nevertheless, in another embodiment of the invention, in order to grow the second material on the first material, the first layer of crystals is isolated and reconstituted in a supersaturated solution of the second material. Suspend. This processing may be required when the solution chemistry and other processing conditions of the two materials are incompatible.
「ワンポット」の実施例5〜7の他の態様は、第1の層(すなわちコア層)の材料の化学と第2の層の化学とを整合させることである。このことは、例えば、第1の層に対する溶媒は、第2の層に対する溶媒と類似しているか、もしくは同一でなければならないので重要である。これは、第2の層を調製するための試剤を、第1の層のナノ結晶の懸濁液に加えなければならないからである。第2の材料を調製するための試剤が、第1の材料の調製からの溶媒に対して不溶性であれば、あるいはこれらの試剤が、第1の材料の調製からの溶液中に残存している他の可溶性試剤と反応すれば、望ましくない副生物及び/又は沈殿物が生じるかもしれない。他方、第2の材料の調製の化学を、第1の材料の結晶と反応するように、第1の材料の結晶を変性するように、及び/又は第1の材料の結晶をある程度溶解するように調整することができる。第1の材料上に第2の層を形成させて得られる複合材料は、極めて望ましい物理的特性(例えば、増大した多孔性や結晶の完全性)を有することがある。 Another aspect of the “one pot” Examples 5-7 is to match the chemistry of the material of the first layer (ie, core layer) with the chemistry of the second layer. This is important, for example, because the solvent for the first layer must be similar to or the same as the solvent for the second layer. This is because the reagent for preparing the second layer must be added to the nanocrystal suspension of the first layer. If the reagents for preparing the second material are insoluble in the solvent from the preparation of the first material, or these reagents remain in solution from the preparation of the first material. Reaction with other soluble agents may result in undesirable by-products and / or precipitates. On the other hand, the chemistry of the preparation of the second material may be modified to react with the first material crystal, to modify the first material crystal, and / or to dissolve the first material crystal to some extent. Can be adjusted. Composite materials obtained by forming the second layer on the first material may have highly desirable physical properties (eg, increased porosity and crystal integrity).
実施例においては、コア材料とシェル材料の選択は、2種のそれぞれの材料に対するXRDピークのオフセット配列(offset placement)に基づいて行った。これら実験の一般的な実験計画は、それぞれの生成物に対する反応物を、所望する生成物の分子式に基づいて化学量論量にまで減らすことを含む。金属もしくは金属クラスターへのリンカーの配位を容易にするために、カルボン酸官能基1つ当たり等モル量の塩基[例えばトリエチルアミン(TEA)]を使用した。第1の材料(すなわちコア材料)の反応を適切な時間にわたって進行させてから、第2の材料のための予備混合反応物を加える。詳細については実施例5〜7に記載されている。実施例において使用されている略語としては、H3BTC−1,3,5−ベンゼントリカルボン酸;DMF−N,N’−ジメチルホルムアミド;EtOH−エチルアルコール;TEA−トリエチルアミン;H2BDC−1,4−ベンゼンジカルボン酸;およびBipy−4,4’−ビピリジル;などがある。実施例において使用されているMOF式としては、HKUST−1:Cu3BTC2(H2O)3;MOF−508:ZnBDC(bipy)1/2DMF(H2O)1/2;IRMOF−1:Zn4O(BDC)3;およびMIL−53:Al(OH)(BDC)(H2BDC)0.7;などがある。 In the examples, the selection of the core material and the shell material was based on the XRD peak offset placement for each of the two materials. The general experimental design for these experiments involves reducing the reactants for each product to a stoichiometric amount based on the molecular formula of the desired product. In order to facilitate coordination of the linker to the metal or metal cluster, an equimolar amount of base [eg triethylamine (TEA)] per carboxylic acid functional group was used. The reaction of the first material (ie, core material) is allowed to proceed for an appropriate time before the premixed reactant for the second material is added. Details are described in Examples 5-7. Abbreviations used in the examples include: H 3 BTC-1,3,5-benzenetricarboxylic acid; DMF-N, N′-dimethylformamide; EtOH-ethyl alcohol; TEA-triethylamine; H 2 BDC-1, 4-benzenedicarboxylic acid; and Bipy-4,4′-bipyridyl; The MOF formulas used in the examples are as follows: HKUST-1: Cu 3 BTC 2 (H 2 O) 3 ; MOF-508: ZnBDC (bipy) 1/2 DMF (H 2 O) 1/2 ; IRMOF- 1: Zn 4 O (BDC) 3 ; and MIL-53: Al (OH) (BDC) (H 2 BDC) 0.7 ;
下記の実施例で使用されているように、配位共重合体の略語は下記のとおりである:第1のMOF式を記載し、次いで記号@を記載し、次いで第2のMOF式を記載する。配位共重合体中の複数種の共重合体は、複数のMOF式(それぞれが、記号@によって他から隔離されている)を記載することによって示される。例えば、IRMOF−3@MOF−5は、IRMOF−3とMOF−5を含む配位共重合体を表わすのに使用され;MOF−5@IRMOF−3@MOF−508は、MOF−5とMOF−3とMOF−508を含む配位共重合体を表わすのに使用される。配位共重合体がMOFの層を複数有する場合、層の順序は略語で表わすことができる、という点に留意すべきである。 As used in the examples below, coordination copolymer abbreviations are as follows: describe the first MOF formula followed by the symbol @ followed by the second MOF formula To do. Multiple types of copolymers in a coordination copolymer are indicated by describing multiple MOF formulas, each separated from the others by the symbol @. For example, IRMOF-3 @ MOF-5 is used to denote a coordination copolymer comprising IRMOF-3 and MOF-5; MOF-5 @ IRMOF-3 @ MOF-508 is used as MOF-5 and MOF-5 -3 and MOF-508 are used to represent coordination copolymers. It should be noted that if the coordination copolymer has multiple layers of MOF, the layer order can be expressed in abbreviations.
ダイトピック・リンカー(ditopic linker)であるベンゼン−1,4−ジカルボキシレート(BDC)と2−アミノベンゼン−1,4−ジカルボキシレート(ABDC)から誘導される配位共重合体は、本発明を説明するのに役立つ。背景として、硝酸亜鉛・四水和物とジエチルホルムアミド(DEF)の存在下では、純粋なベンゼン−1,4−ジカルボン酸が反応して配位重合体MOF−5を生成する(結晶構造の分析により、Fm−3m空間群中の単純立方体ネットであることがわかる)、という点に留意しておかねばならない。同様に、純粋な2−アミノベンゼン−1,4−ジカルボン酸が反応してIRMOF−3を生成し、これはMOF−5と同じ構造を有する。最初の例として、MOF−5とIRMOF−3の種を、MOF−5の合成の場合と同じソルボサーマル法に従って別々に作製した。15時間後、それぞれの反応溶液を交換した[すなわち、MOF−5の種結晶を、ABDCとZn(NO3)2の未反応溶液中に浸漬した(逆もまた同様)]。溶液をさらに15時間加熱することにより、配位共重合体が得られた。得られた生成物の顕微鏡画像により、コア−シェルキューブであることが明らかになった(図1aと図1bを参照)。カラーコントラストは、白色(MOF−5)とオレンジ色(IRMOF−3)に対応している。図1aは、IRMOF−3をシェル層として、そしてMOF−5をコア層として示しており、一方、図1bは、MOF−5をシェル層として、そしてIRMOF−3をコア層として示している。図1aと1bにおける縮尺目盛りバーは200μmである。MOF−5とIRMOF−3を種とするどちらの場合においても、コア−シェル様のMOFが適切に得られる。コア−シェルMOFを分解させた後の1H−NMR分析により、ブロック共重合体のモル組成がBDC:ABDC=1:1であることがわかり、このことは、種MOFの表面上にて、カルボキシレート基のアンカー・ポイント(anchor points)から成長するMOFシェルが適切に形成されている、ということを示している。両方のコア−シェルMOFのN2取り込み量は、IRMOF−3@MOF−5とMOF−5@IRMOF−3の両方に対して820cm3/gであり、MOF−5の取り込み量(920cm3/g)とIRMOF−3の取り込み量(750cm3/g)との間である。 A coordination copolymer derived from ditopic linkers benzene-1,4-dicarboxylate (BDC) and 2-aminobenzene-1,4-dicarboxylate (ABDC) Help explain the invention. As background, in the presence of zinc nitrate tetrahydrate and diethylformamide (DEF), pure benzene-1,4-dicarboxylic acid reacts to form coordination polymer MOF-5 (analysis of crystal structure) It should be noted that this is a simple cubic net in the Fm-3m space group. Similarly, pure 2-aminobenzene-1,4-dicarboxylic acid reacts to produce IRMOF-3, which has the same structure as MOF-5. As a first example, MOF-5 and IRMOF-3 seeds were made separately according to the same solvothermal method as in the synthesis of MOF-5. After 15 hours, each reaction solution was changed [ie, MOF-5 seed crystals were immersed in an unreacted solution of ABDC and Zn (NO 3 ) 2 (and vice versa)]. The solution was further heated for 15 hours to obtain a coordination copolymer. A microscopic image of the resulting product revealed a core-shell cube (see FIGS. 1a and 1b). The color contrast corresponds to white (MOF-5) and orange (IRMOF-3). FIG. 1a shows IRMOF-3 as a shell layer and MOF-5 as a core layer, while FIG. 1b shows MOF-5 as a shell layer and IRMOF-3 as a core layer. The scale bar in FIGS. 1a and 1b is 200 μm. In both cases using MOF-5 and IRMOF-3 as seeds, a core-shell-like MOF is appropriately obtained. 1 H-NMR analysis after decomposition of the core-shell MOF shows that the molar composition of the block copolymer is BDC: ABDC = 1: 1, on the surface of the seed MOF, It shows that MOF shells growing from anchor points of the carboxylate group are properly formed. The N 2 uptake of both core-shell MOFs is 820 cm 3 / g for both IRMOF-3 @ MOF-5 and MOF-5 @ IRMOF-3, and the uptake of MOF-5 (920 cm 3 / g) and the amount of IRMOF-3 uptake (750 cm 3 / g).
コア−シェルMOFの存在下で種成長法を利用することで、多層結晶を生成させることもできる。コア−シェル種からの新たな層の成長により、MOF−5層とIRMOF−3層の交互の層が造られる。2つの異なる多層MOFが適切に得られた;図2aに示すMOF−5@IRMOF−3@MOF−5、および図2bに示すIRMOF−3@MOF−5@IRMOF−3。図2aと図2bにおける縮尺目盛りバーは200μmである。 Multi-layer crystals can also be generated by using seed growth in the presence of core-shell MOF. Growth of new layers from the core-shell species creates alternating layers of MOF-5 and IRMOF-3 layers. Two different multilayer MOFs were successfully obtained; MOF-5 @ IRMOF-3 @ MOF-5 shown in FIG. 2a and IRMOF-3 @ MOF-5 @ IRMOF-3 shown in FIG. 2b. The scale bar in FIGS. 2a and 2b is 200 μm.
実施例1:コア−シェルMOFの作製
H2ABCD(48mg,0.26ミリモル)とH2BDC(44mg,0.26ミリモル)を20mlのバイアル中に別々に装入した。両方のバイアルにZn(NO3)2・4H2O(0.208g,0.795ミリモル)と10mlのDEFを加えた。混合物を15分超音波処理し、100℃で加熱した。15時間後、両方の溶液中に立方形状の結晶が形成された。次いで両方の溶液をデカントし、互いに切り換えた。混合物を100℃でさらに15時間加熱した。生成物をDEFで洗浄してから、CHCl3中に浸漬した。
Example 1: Core - Shell MOF Preparation H 2 ABCD (48mg, 0.26 mmol) and H 2 BDC (44mg, 0.26 mmol) was charged separately in vials of 20 ml. To both vials were added Zn (NO 3 ) 2 .4H 2 O (0.208 g, 0.795 mmol) and 10 ml DEF. The mixture was sonicated for 15 minutes and heated at 100 ° C. After 15 hours, cubic crystals were formed in both solutions. Both solutions were then decanted and switched to each other. The mixture was heated at 100 ° C. for an additional 15 hours. The product was washed with DEF and then immersed in CHCl 3 .
実施例2:多層MOFの作製
種としてのコア−シェルMOFの作製は、実施例1の場合と同じ方法で行った。コア−シェルMOFを形成させた後、溶液をデカントし、Zn(NO3)2・4H2O(0.208g,0.795ミリモル)とH2ABCD(48mg,0.26ミリモル)もしくはH2BDC(44mg,0.26ミリモル)とを10mlのDEF中に含んでなるフレッシュな混合物を加えた。得られた混合物を100℃でさらに15時間加熱した。生成物をDEFで洗浄し、次いでCHCl3中に浸漬した。
Example 2: Production of multilayer MOF Production of a core-shell MOF as a seed was carried out in the same manner as in Example 1. After formation of the core-shell MOF, the solution was decanted and Zn (NO 3 ) 2 .4H 2 O (0.208 g, 0.795 mmol) and H 2 ABCD (48 mg, 0.26 mmol) or H 2 A fresh mixture comprising BDC (44 mg, 0.26 mmol) in 10 ml DEF was added. The resulting mixture was heated at 100 ° C. for an additional 15 hours. The product was washed with DEF and then immersed in CHCl 3 .
実施例3:コア−シェルMOFにおけるシェル部分の後修飾
湿潤状態のコア−シェルMOF(IRMOF−3@MOF−5,10mg)と10mgのシクロヘキシルイソシアネートを1mlのクロロホルム中で混合した。混合物を、振とう浴によって室温で3日かき混ぜた。反応後、生成物をクロロホルムで洗浄した。
Example 3 Post-Modification of Shell Part in Core-Shell MOF Wet core-shell MOF (IRMOF-3 @ MOF-5, 10 mg) and 10 mg cyclohexyl isocyanate were mixed in 1 ml chloroform. The mixture was stirred at room temperature for 3 days with a shaking bath. After the reaction, the product was washed with chloroform.
実施例4:MOF中へのナイルレッド拡散の測定
5ppmのナイルレッドをクロロホルム中に混合して得られる溶液中にMOFを浸漬した。規定時間にて、溶液の吸光度を紫外線可視分光光度計によって測定した。較正曲線を使用して、溶液中のナイルレッドの濃度を算出した。ナイルレッド濃度の減少から、MOFへのナイルレッドの吸着量を測定した。図3は、(1)配位共重合体の2種の配位重合体がIRMOF−3とMOF−5である場合の配位共重合体、および(2)配位共重合体の2種の配位重合体がシクロヘキシル修飾したIRMOF−3とMOF−5である場合の配位共重合体、に吸着されたナイルレッドの量を曝露時間の関数としてプロットしたものである。
Example 4 Measurement of Nile Red Diffusion into MOF MOF was immersed in a solution obtained by mixing 5 ppm of Nile Red in chloroform. At a specified time, the absorbance of the solution was measured with a UV-visible spectrophotometer. A calibration curve was used to calculate the concentration of Nile Red in the solution. From the decrease in Nile Red concentration, the amount of Nile Red adsorbed on MOF was measured. FIG. 3 shows (1) a coordination copolymer when two types of coordination polymers of the coordination copolymer are IRMOF-3 and MOF-5, and (2) two types of coordination copolymers. Is a plot of the amount of Nile Red adsorbed as a function of exposure time when the coordination polymer is cyclohexyl modified IRMOF-3 and MOF-5.
実施例5:ナノHKUST−1上ナノMOF−508
H3BTC(0.5g,2.38ミリモル)、DMF(8.3ml)、EtOH(8.3ml)、水(8.3ml)、および硝酸銅(II)(0.83g,3.57ミリモル)を、室温で磁気撹拌しながらガラスジャーに加えることによって、ナノHKUST−1の懸濁液を調製した。TEA(1ml,7.14ミリモル)を徐々に加え、ジャーを密閉し、曇った青色の懸濁液を室温で3.5時間撹拌した。その一方で、H2BDC(0.38g,2.37ミリモル)、DMF(50ml)、EtOH(50ml)、bipy(0.19g,1.18ミリモル)、および硝酸亜鉛(II)(0.70g,2.37ミリモル)の無色透明溶液を、室温で磁気撹拌しながらガラスビーカー中にて調製した。この無色透明溶液を、上記のナノHKUST−1懸濁液に加え、ジャーを密閉し、混合物を撹拌した。3時間後、懸濁液のpHは2〜3であった。次いで、TEA/DMF/EtOH(0.6ml,41.7ml,41.7ml)溶液を混合物に徐々に滴下し、得られた混合物を最後に密閉して一晩撹拌した。ターコイズ色の固体を、無色透明液体(pH約5)から、0.45μmの濾紙を通して濾過することによって分離し、60℃のオーブン中にて窒素雰囲気下で一晩乾燥した。濾液に対しての誘導結合プラズマ(ICP)による元素分析により、0.0001質量%未満のZnとCuが反応後の溶液中に残存する、ということが分かった。その一方で、固体材料に対するXRD粉末パターンは、MOF−508とHKUST−1の両方に対するピークを示し、固体生成物に対するICP元素分析は、両方の金属(CuとZn)の存在を明らかにした。
Example 5: Nano MOF-508 on Nano HKUST-1
H 3 BTC (0.5 g, 2.38 mmol), DMF (8.3 ml), EtOH (8.3 ml), water (8.3 ml), and copper (II) nitrate (0.83 g, 3.57 mmol) ) Was added to a glass jar with magnetic stirring at room temperature to prepare a nano HKUST-1 suspension. TEA (1 ml, 7.14 mmol) was added slowly, the jar was sealed and the cloudy blue suspension was stirred at room temperature for 3.5 hours. Meanwhile, H 2 BDC (0.38 g, 2.37 mmol), DMF (50 ml), EtOH (50 ml), bipy (0.19 g, 1.18 mmol), and zinc (II) nitrate (0.70 g). , 2.37 mmol) was prepared in a glass beaker with magnetic stirring at room temperature. This clear colorless solution was added to the above nano HKUST-1 suspension, the jar was sealed and the mixture was stirred. After 3 hours, the pH of the suspension was 2-3. The TEA / DMF / EtOH (0.6 ml, 41.7 ml, 41.7 ml) solution was then slowly added dropwise to the mixture, and the resulting mixture was finally sealed and stirred overnight. The turquoise solid was separated from the clear colorless liquid (pH about 5) by filtration through 0.45 μm filter paper and dried in a 60 ° C. oven under a nitrogen atmosphere overnight. Elemental analysis by inductively coupled plasma (ICP) on the filtrate revealed that less than 0.0001% by mass of Zn and Cu remained in the solution after the reaction. On the other hand, the XRD powder pattern for the solid material showed peaks for both MOF-508 and HKUST-1, and ICP elemental analysis for the solid product revealed the presence of both metals (Cu and Zn).
実施例6:ナノIRMOF−1上ナノMOF−508
H2BDC(0.85g,5ミリモル)、DMF(100ml)、および硝酸亜鉛(II)(3.0g,10ミリモル)を、室温で磁気撹拌しながらガラスジャーに加えることによって、ナノIRMOF−1の懸濁液を調製した。TEA(1.4ml,10ミリモル)を徐々に加え、ジャーを密閉し、曇った白色の懸濁液を室温で3.5時間撹拌した。その一方で、H2BDC(0.38g,2.37ミリモル)、EtOH(50ml)、bipy(0.19g,1.18ミリモル)、および硝酸亜鉛(II)(0.70g,2.37ミリモル)の懸濁液を、室温で磁気撹拌しながらガラスビーカー中にて調製した。この乳白色懸濁液を、上記のナノIRMOF−1懸濁液に加え、ジャーを密閉し、混合物を撹拌した。3時間後、懸濁液のpHは3〜3.5であった。TEA/EtOH(0.7ml,50ml)溶液を混合物に徐々に滴下し、得られた混合物を最後に密閉して一晩撹拌した。白色固体を、無色透明液体(pH約4)から、0.45μmの濾紙を通して濾過することによって分離し、60℃のオーブン中にて窒素雰囲気下で一晩乾燥した。濾液に対しての元素分析により、0.16質量%のZnが反応後の溶液中に残存する、ということが分かった。その一方で、固体材料に対するXRD粉末パターンは、MOF−508とIRMOF−1の両方に対するピークを示し、固体生成物に対する元素分析は、Znの存在を明らかにした。
Example 6: Nano MOF-508 on Nano IRMOF-1
Nano IRMOF-1 by adding H 2 BDC (0.85 g, 5 mmol), DMF (100 ml), and zinc (II) nitrate (3.0 g, 10 mmol) to a glass jar with magnetic stirring at room temperature. A suspension of was prepared. TEA (1.4 ml, 10 mmol) was added slowly, the jar was sealed and the cloudy white suspension was stirred at room temperature for 3.5 hours. Meanwhile, H 2 BDC (0.38 g, 2.37 mmol), EtOH (50 ml), bipy (0.19 g, 1.18 mmol), and zinc (II) nitrate (0.70 g, 2.37 mmol). ) Was prepared in a glass beaker with magnetic stirring at room temperature. This milky white suspension was added to the nano IRMOF-1 suspension above, the jar was sealed and the mixture was stirred. After 3 hours, the pH of the suspension was 3-3.5. A TEA / EtOH (0.7 ml, 50 ml) solution was slowly added dropwise to the mixture and the resulting mixture was finally sealed and stirred overnight. The white solid was separated from the colorless clear liquid (pH about 4) by filtration through 0.45 μm filter paper and dried in a 60 ° C. oven under a nitrogen atmosphere overnight. Elemental analysis of the filtrate revealed that 0.16% by mass of Zn remained in the solution after the reaction. On the other hand, the XRD powder pattern for the solid material showed peaks for both MOF-508 and IRMOF-1, and elemental analysis for the solid product revealed the presence of Zn.
実施例7:ナノHKUST−1上ナノMIL−53
H3BTC(0.5g,2.38ミリモル)、DMF(8.3ml)、EtOH(8.3ml)、水(8.3ml)、および硝酸銅(II)(0.83g,3.57ミリモル)を、室温で磁気撹拌しながらガラスジャーに加えることによって、ナノHKUST−1の懸濁液を調製した。TEA(1ml,7.14ミリモル)を徐々に加え、ジャーを密閉し、曇った青色の懸濁液を室温で3.5時間撹拌した。その一方で、H2BDC(0.58g,3.5ミリモル)、DMF(10ml)、EtOH(10ml)、H2O(10ml)、および硝酸アルミニウム(III)(2.6g,6.9ミリモル)の懸濁液を、室温で磁気撹拌しながらガラスビーカー中にて調製した。この曇った白色懸濁液を、上記のナノHKUST−1懸濁液に徐々に加え、ジャーを密閉し、混合物を撹拌した。3時間後、懸濁液のpHは1.5〜2.5であった。TEA/DMF/EtOH/H2O(0.96ml,7.7ml,7.7ml,8.7ml)溶液を混合物に徐々に滴下し、得られた混合物を最後に密閉して一晩撹拌した。青色懸濁液を、15,000相対遠心力(rcf)にて1時間遠心分離し、pH2〜3の母液をデカントし、得られた固体を、50℃のオーブン中にて窒素雰囲気下で一晩乾燥した。固体材料に対するXRD粉末パターンは、MIL−53ととHKUST−1の両方に対するピークを示し、母液に対する元素分析は、0.094質量%のCuと0.11質量%のAlが溶液中に存在していることを明らかにした。
Example 7: Nano MIL-53 on Nano HKUST-1
H 3 BTC (0.5 g, 2.38 mmol), DMF (8.3 ml), EtOH (8.3 ml), water (8.3 ml), and copper (II) nitrate (0.83 g, 3.57 mmol) ) Was added to a glass jar with magnetic stirring at room temperature to prepare a nano HKUST-1 suspension. TEA (1 ml, 7.14 mmol) was added slowly, the jar was sealed and the cloudy blue suspension was stirred at room temperature for 3.5 hours. Meanwhile, H 2 BDC (0.58 g, 3.5 mmol), DMF (10 ml), EtOH (10 ml), H 2 O (10 ml), and aluminum (III) nitrate (2.6 g, 6.9 mmol). ) Was prepared in a glass beaker with magnetic stirring at room temperature. This cloudy white suspension was slowly added to the nano HKUST-1 suspension above, the jar was sealed and the mixture was stirred. After 3 hours, the pH of the suspension was 1.5-2.5. A solution of TEA / DMF / EtOH / H 2 O (0.96 ml, 7.7 ml, 7.7 ml, 8.7 ml) was slowly added dropwise to the mixture, and the resulting mixture was finally sealed and stirred overnight. The blue suspension is centrifuged at 15,000 relative centrifugal force (rcf) for 1 hour, the mother liquor at pH 2-3 is decanted, and the resulting solid is placed in a 50 ° C. oven under a nitrogen atmosphere. Dried overnight. The XRD powder pattern for the solid material shows peaks for both MIL-53 and HKUST-1, and elemental analysis for the mother liquor shows that 0.094 wt% Cu and 0.11 wt% Al are present in the solution. Made clear.
Claims (10)
式XnY(I)
(式中、Xは官能基であり;nは2以上の整数であり;そしてYは、炭化水素基、または、1つ以上の炭素原子がヘテロ原子で置き換えられた炭化水素基である)で示される有機連結配位子を含む、請求項1に記載の配位共重合体。 The first and second coordination polymers are
Wherein X n Y (I)
(Wherein X is a functional group; n is an integer greater than or equal to 2; and Y is a hydrocarbon group or a hydrocarbon group in which one or more carbon atoms are replaced with a heteroatom). The coordination copolymer of claim 1, comprising the organic linking ligand shown.
a)第1の成分と第2の成分とを含む混合物と配位共重合体とを接触させることによって第1の成分を第2の成分から分離し、第1の成分を回収すること;または
b)少なくとも1種の反応物を含む供給材料と配位共重合体とを接触させることによって少なくとも1種の反応物を転化させて、転化生成物を生成させること、ここで少なくとも1種の配位重合体が触媒機能を含む;
を含む方法。 A method of using a coordination copolymer comprising at least a first coordination polymer and a second coordination polymer that are not identical,
a) separating the first component from the second component by contacting the mixture comprising the first component and the second component with the coordination copolymer and recovering the first component; or b) converting at least one reactant by contacting a feed comprising at least one reactant with a coordination copolymer to produce a converted product, wherein at least one coordination; The coordination polymer contains a catalytic function;
Including methods.
b)第1の溶液もしくはコロイド懸濁液を処理して、第1の配位重合体の結晶を形成させること;
c)少なくとも1種の金属カチオン源と少なくとも1種の有機連結化合物を溶媒に加えて、第2の溶液もしくはコロイド懸濁液を作製すること、ここで第2の溶液は、第1の溶液もしくはコロイド懸濁液と同一ではない;
d)第1の配位重合体の結晶を第2の溶液もしくはコロイド懸濁液に加えること;及び
e)第2の溶液もしくはコロイド懸濁液を処理して、第2の配位重合体の結晶を、第1の配位重合体の1つ以上の結晶を覆う層として形成させ、これにより配位共重合体を形成させること、ここで第1の配位重合体は、第2の配位重合体と同一ではない;
を含む、配位共重合体の製造方法。 a) adding at least one metal cation source and at least one organic linking compound to a solvent to produce a first solution or colloidal suspension;
b) treating the first solution or colloidal suspension to form crystals of the first coordination polymer;
c) adding at least one metal cation source and at least one organic linking compound to the solvent to produce a second solution or colloidal suspension, wherein the second solution is the first solution or Not the same as a colloidal suspension;
d) adding crystals of the first coordination polymer to the second solution or colloidal suspension; and e) treating the second solution or colloidal suspension to form the second coordination polymer of Forming a crystal as a layer covering one or more crystals of the first coordination polymer, thereby forming a coordination copolymer, wherein the first coordination polymer is a second coordination polymer; Not the same as the coordination polymer;
A method for producing a coordination copolymer, comprising:
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