Neues Projekt: Voller Gastmoleküle Netzwerke der Zukunft

Aus Fe3+ als Konnektor und Benzen-1,3,5-tricarbonsäure (BTC) als Linker kann ein MOF synthetisiert werden, der in der diesjährigen Arbeit eine wesentliche Rolle spielt: FeBTC Xerogel bzw. MIL-100 Fe (MIL = Material des Instituts Lavoisier). Die Synthesen von ZIF-8 und HKUST-1 verlaufen in wässriger oder organischer Phase (DMF) durch Erhitzen (z. B. hydrothermal) langsam, so dass sich ein geordnetes Gitter ausbildet, das von FeBTC entsteht bei Raumtemperatur hingegen so schnell, dass sich keine geordnete sondern weitgehend eine amorphe Struktur ausbildet. Es entsteht ein Hydrogel bzw. nach Erhitzen auf 80 -100 °C ein Xerogel. Dies zeigen XRD-Aufnahmen.

                

                            Hydrogel                                                               Syntheseapparatur des kristallineren MIL-100 Fe

Röngendiffraktogramm von MIL-100 Fe aufgenommen in der Goethe Universität von Dr. Fink

Mögliche Kristallsruktur von MIL-100 Fe

Bildquelle: Dalton Trans., 2016, 45, 8637-8644 

          

Hemmversuche mit Ampicillin absorbierten MIL-100 Fe: Dieser wird auf die Agarplatte gelegt und die Desorption anhand der Hemmhöfe beobachtet. Die Desorption erfolgt durch Diffusion.

Eine schnellere Freisetzung von Ampicillin kann erreicht werden, wenn man MIL-100 Fe durch eine Redoxreaktion wie z. B. mit Ascorbat zerstört, das zeigen weitere Experimente.    

Zerstörung von MIL-100 Fe durch Ascorbat (Vit. C) Mit Ascorbat bildet sich Turnbulls Blau durch Zugabe von Fe3+- Ionen, da  Fe3+ zu Fe2+ reduziert wurde. Turnbulls Blau wird demnach durch Zugabe von gelbem Blutlaugensalz gebildet und nicht mit rotem.

Letzjähriges Projekt: Käfige für Moleküle

Metal Organic Frameworks (MOFs) - Metall Organische Gerüstsubstanzen

Simulation der Bildung von ZIF-8:Universität Liverpool: chemtube3d.com/solidstate/MOF-ZIF8 

Solche Gerüste bilden sich langsam beim Zusammengeben von Lösungen der Konnektorsalze, z. B. Zinkhexahydratlösungen und Linkern z.B. 2-Methylimidazol in wässrigen oder Methanol- Lösungen bei verschiedenen Bedingungen, z. B. unter Druck, erhitzten in Ölbädern oder Mikrowellen-Öfen oder einfach bei Raumtemperatur unter Normaldruck. Entscheidend ist deren langsame Kristallisation, so dass sich ein geordnetes Netzwerk bilden kann. Die Verknüpfungen zwischen Konnektor und Linkern sind koordinative Bindungen ähnlichen denen, die bei Komplexen zwischen Zentralion und Liganden auftreten. Es bilden sich hier nur makromolekulare  Strukturen, da die Linkerzwei oder mehrere koordinative Bindungen aufbauen können.

      

ZIF-8 Nanokristalle,   tetrahedrale Zn2+- Konnektoren mit Pore,   dazwischen 2-Methylimidazol-Linker 

Aufwändig ist die Aufreinigung der oft nanokristallinen Produkte durch Waschen, Extraktion oder anderen Trennverfahren. Die Reinheit wurde mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) von Dr. Fink in der Goethe-Universität überprüft. Die Porengrößen und innere Oberfläche wurde durch Aufnahme von Adsorptionsisothermen im KIT Karlsruhe von Dr. Weidler durchgeführt. Elektronenmikroskopische Aufnahmen wurden vom Arbeitskreis Terfort durch Dr. Kind und Julian Scherr angefertigt.

Porengröße in ZIF-8 bei etwa 0,9 nm (Mikroporen) und 4 nm (Mesoporen) 

                   

EM-Aufnahmen von nanokristallinen ZIF-8 in verschieder Auflösung. Man sieht einzelne Kristalle und daneben Schichtstrukturen. Die Synthese erfolgte aus wässrigen Lösungen.

                    

 

Kubische Elementarzellen  von ZIF-8 und HKUST-1 mit dem Programm Mercury modelliert.

   

 

HKUST-1 weist aufgrund der Elektronenkonfiguration des Cu2+-Ions eine Intermetallbindung an den freien  Koordinationsstellen auf und kann hier auch große Mengen an Wassermolekülen reversibel binden:

 

Mit ZIF-8 gepackte Säulen und beschichtete Membranen ermöglichen Gase wie CO2 und Methan zu trennen. Diese Trennung erhöht den Energieinhalt von Erdgas. 

 

HKUST-1 kann auch große Mengen an Methylernblau speichern, ein Modellexperiment zur Wirkstoffspeicherung und dessen  Transport