用于制备金属有机化合物的工艺的制作方法
【专利说明】用于制备金属有机化合物的工艺
[0001] 本发明涉及用于制备金属有机化合物的工艺、以此方式获得的化合物以及它们的 用途。
[0002] 金属有机化合物是由具有一种或更多种化学结合至金属离子的有机基团的一种 或更多种金属离子组成的那些化合物。它们可以不同地被称为有机金属化合物、配位化合 物、配位络合物和金属络合物。附接至金属的有机基团常被称为'配体'。通常，有机基团通 过碳、氮、氧、硅、磷或硫的原子结合至金属离子，尽管它们也可以通过砷或硒的原子结合。 描述语'有机金属的'通常被保留用于此类化合物的子集，其中有机基团通过碳原子被结合 至金属离子。
[0003] 金属有机化合物在标准化学教科书例如InorganicChemistry(Housecroft 和Sharpe,PearsonEducationLimited,Edinburgh, 第一版，2001)，Inorganic Chemistry(Shriver和Atkins,OxfordUniversityPress,Oxford，第四版，2006)中和 主要参考著作例如ComprehensiveCoordinationChemistryII，编辑J.A.McCleverty 和T.J.Meyer,Elsevier, 2004 以及ComprehensiveOrganometallicChemistryII，编辑 E.W.Abel,F.G.A.Stone和G.Wilkinson,Elsevier, 1995.中被很好地记录为实质的和充分 认可的种类的化学化合物。所有金属离子都可以形成金属有机络合物。说明性实例包括： Li\Na\K\Mg2\Ca2\Sr\Ba2\Sc3\Y3\Ti4\Zr4\Hf4\V4\V3\V2\Nb3\Ta3\Cr3\Cr4\ Cr6\Mo3\Mo6\t\Mn3\Mn2\Re3\Re2\Fe3\Fe2\Ru3\Ru2\ 0s3\ 0s2\Co3\Co2\Rh2\Rh\ Ir2+、Ir+、Ni2+、Ni+、Pd2+、Pd+、Pd4+、Pt2+、Pt+、Pt4+、Cu2+、Cu+、Ag+、Au+、Au3+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Al3+、 Ga3+、In3+、Ti3+、Si4+、Si2+、Ge4+、Ge2+、Sn4+、Sn2+、Pb4+、Pb2+、As5+、As3+、As+、Sb5+、Sb3+、Sb+、Bi5+、 Bi3+和Bi+、以及镧系离子例如La3+、Ce3+、Ce4+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、 Er3+、Tm3+、Yb3+、Lu3+和锕系离子例如Th3+、Pa3+、U3+、U6+、Np3+、Pu3+、Am3+、Cm3+、Bk3+、Cf3+、Es3+、 Fm3+、Md3+、No3+W&Lr3+。
[0004] 用于合成此类化合物的方法通常包括使用合适的溶剂来溶解或部分地溶解一种 或两种包含金属的反应物以及提供有机基团的反应物。溶剂通常以非常大的过量存在。基 于此种溶剂的方法的使用提高了技术复杂性、合成的成本和时间。也可能存在来自此类溶 剂的大规模的使用例如工业工艺中的环境污染。许多有机溶剂对环境是有毒性的和/或有 害的。因此，非常需要在不存在溶剂的情况下合成金属有机化合物。无溶剂合成法是相对 未开发的，但包括使用例如研钵和研件或球磨机将固体反应物碾磨在一起（A.L.Garay,A. Pichon和S.L.JamesChem.Soc.Rev.，2007, 36, 846)。可选择地，无溶剂合成可以通过使反 应物的一种或两种呈气相来实现（P.L.Timms,Chem.Soc.Rev. , 1996, 93 ；A.S.Filatov,A. Y.Rogachev和M.A.Petrukhina,Cryst.GrowthDes. , 2006, 6, 1479)。可选择地，可以使一 种或两种反应物熔融（Μ·D.Bala,Ν·J.CovilleJ.Organomet.Chem. 2007, 692, 709)。然而， 仍然需要无溶剂法，该无溶剂法以连续模式为基础而不是批次模式来操作，并且对于合成 较大量的产物可以容易地按比例增大。
[0005] 金属有机化合物的子集被称为'金属有机骨架'（M0F)。
[0006] 金属有机骨架是结晶的或非结晶的多孔金属有机化合物，具有特别的孔隙分布或 孔隙分布以及大的比表面积。最近，它们已经特别地变成综合性研究工作的目的。应用包 括催化或分离、储存和释放多种化学化合物和气体。
[0007] 金属有机骨架是本领域众所周知的并且已经在文献中被给定各种名称，包括配位 聚合物、金属有机配位网络（M0CN)以及多孔配位聚合物（PCP)。
[0008] 在M0F中，有机基团在金属离子之间桥接，以致获得高分子结构。该高分子网络可 以以一维、二位或三维延伸。特别感兴趣的是以二维或三维延伸的那些，因为此类结构可以 是多孔的。具体地，它们可以包含能容纳其他分子的孔隙。当其他分子被吸收至孔隙中时， 金属有机骨架可以被描述为主体并且被吸收的分子可以被描述为客体。当客体呈液态形式 或气态形式使得它们可以扩散至孔隙结构中时，客体至孔隙中的吸收可以通过对客体简单 暴露M0F而发生。因为孔隙具有特定大小、形状和化学官能度，所以此类材料可以示出对特 定客体的吸收的选择性。因此，孔隙率的性质产生了潜在应用，例如需要储存、分离或释放 客体物质的那些应用。例如，液体或气体可以被储存在此类材料中，气体的混合物可以使用 此类材料被分离成它们的组分，液体的混合物可以使用此类材料被分离成它们的组分，并 且客体可以通过此类材料被释放。此外，此类材料可以作为催化剂通过促进客体中的化学 变化而起作用，或作为用于客体的传感器通过客体引起的M0F的一种或更多种物理性质的 变化而起作用。
[0009] 关于不同的已知的M0F的一般信息和常规合成方法在一些出版物中被报 道， 包括''Metal-organicframeworks,James,S.L. ,ChemicalSocietyReviews 32 (2003)276-288 ；aMetal-〇rganicFrameworks:ARapidlyGrowingClassofVersatile NanoporousMaterials, "Meek，S.T.等人，AdvancedMaterials23(2011)249-267; Long,J.(编辑)ChemicalSocietyReviews,MetalOrganicFrameworkstheme issue, 2009,第 38 卷·Chui等人，Science283 (1999)，1148-1150,描述 了例如Cu-BTC M0F(也称作HKUST-1)的制备，其中铜盐，也就是硝酸铜三水合物被用作起始材料并且使该 盐和均苯三甲酸（H3BTC)溶解于水和乙醇的溶剂混合物中以合成M0F材料。在此，溶剂的 质量与反应物的质量的比是1664%。
[0010]Park等人,ProceedingsoftheNationalAcademyofScience 27 (2006) 10186-10191，描述了例如M0FZIF-8的制备，其中锌盐（硝酸锌）被用作起始材料 并且使该盐和2-甲基咪唑（H-Me頂）溶解于溶剂N，N'_二甲基甲酰胺（DMF)中以合成M0F。 在此，溶剂的质量与反应物的质量的比是6320 %。
[0011]Chen等人，Science291(2001)，1021-1023,描述了例如M0F-14 的制备，其中铜盐 (硝酸铜）被用作起始材料并且使该盐和4, 4'，4〃-苯-1，3, 5-三基三苯甲酸（H3BTC)溶解 于Ν，Ν'-二甲基甲酰胺（DMF)、乙醇和水的溶剂混合物中以合成M0F。在此，溶剂的质量与 反应物的质量的比是2444%。
[0012] 如在以上参考文献中描述的，许多方法已经被开发用于使用包括金属前体的前体 和对应的有机配体来合成M0F。然而，最需要使用一种或更多种溶剂并且加热。使用这些方 法获得的收率对于实验室应用是合理的，但是它们在时间、添加的材料（例如，溶剂）的分 离、以及加热方面对于工业规模是效率低的，并且进一步地遭受环境不友好的溶剂使用的 要求。
[0013] 合成可以被描述为形成使材料的骨架结构保持在一起的化学键的过程。在合成之 后，微孔材料例如金属有机骨架通常在它们的孔隙内包含分子，例如溶剂分子或合成的副 产物。因此，此类材料通常需要被称作活化的过程以除去这些物质，使得孔隙呈现为空的并 且对感兴趣的吸着物是可用的。活化通常由加热或经历减压或用另一种溶剂洗涤、或此类 程序的任何组合组成。这些方法是本领域众所周知的并且不构成材料的实际合成的部分。 因此，也需要这些过程来活化如通过本专利中描述的方法制备的材料。
[0014] 需要此类金属有机金属骨架的减少的溶剂合成或无溶剂合成。 TO2007/023295A2(以其整体并入本文的）描述了用于通过在完全地或大体上不存在溶剂 的情况下通过例如在球磨机中碾磨来制备金属有机骨架的工艺。然而，需要连续生产工艺 来提高可以在工业生产中生产的产品的收率。
[0015] 在以下讨论中，术语"金属有机化合物"涵盖作为子集的多孔的、结晶的金属有机 骨架。
[0016] 最近，挤出的可能性已经开始在药物合成应用中被认识到。US2011/0177126A描述 了通过使两种共晶前体的混合物暴露于延长的且持续的压力和剪力的条件下、优选地在挤 出工艺中生产共晶的方法。然而，此类共晶仅通过非共价力即低结合能被保持在一起。
[0017] 本发明的一个目的是提供用于生产金属有机化合物的连续工艺，所述工艺与基于 溶剂的方法相比还能够提供经济产率，并且在材料、时间、成本或能量方面具有提高的效 率，同时也是环境友好的。
[0018]因此，本发明提供了生产金属有机化合物的方法，该方法包括以下步骤：
[0019] 提供包含至少一种以离子形式的金属的第一反应物和包含至少一种至少单齿有 机配体的第二反应物，使所述第一反应物和所述第二反应物混合在一起；和使所述第一反 应物和所述第二反应物的混合物暴露于足以形成金属有机化合物的延长的且持续的压力 和剪力的条件下。
[0020] 本发明人已令人惊异地发现，仅在需要基于溶剂的形成时于现有技术中公开的金 属有机化合物现在可以通过仅基于使选择的金属离子和有机配体混合在一起并且使所述 混合物暴露于形成共价键的压力和剪力的条件的工艺来形成。以此方式，金属有机化合物 可以在不采用常规溶剂热工艺的情况下来形成。与现有技术的方法不同，在本发明的工艺 期间未观察到澄清的液相的点。
[0021] 这可以在完全地或大体上不存在溶剂的情况下被实现，并且可以优选地通过使组 分经历挤出工艺来进行。
[0022] 挤出机的普遍工业使用常规地是在塑料、橡胶和食品工业中。大部分常规聚合物 加工机器可以适于在良好制造实践（GMP)环境中使用。挤出加工操作可以容易地从实验室 规模按比例至制造规模。
[0023] 本公开内容的工艺当用于例如如上所讨论的本领域中已知的常规的基于溶剂的 工艺中时适合于与离子形式的金属和有机配体的相同组合一起使用。
[0024] 本发明人令人惊异地发现，根据本发明的可实现的转变在非常简短的停留时间、 从仅仅几秒至40分钟内是可能的。优选的是，第一反应物和第二反应物被暴露于持续的压 力和剪力的条件下持续至少1分钟、优选地2分钟或更长、特别地2分钟至40分钟、尤其从 2分钟至30分钟。将认识到，需要形成金属有机化合物的时间长度将通常取决于第一物质 和第二物质被暴露至的压力和剪力条件的严重程度，但是已发现，延长的且持续的暴露通 常导致改进的金属有机化合物形成。然而，在许多情况下，假定在剪力和压力条件下花费过 多时间，那么在有机配体的可能的降解与金属有机化合物形成所需要的时间的量之间存在 平衡。此外，对于金属有机骨架的形成，对高剪力和/或高温的过度暴露可能降低或除去材 料的结晶度。这样的平衡取决于使用的材料和施加于这些材料上的条件并且可以被本领域 技术人员确定。
[0025] 在优选的实施方案中，压力和剪力在挤出方法中被应用。令人惊异地，挤出工艺可 以用于获得金属有机化合物，包括结晶的和非结晶的、多孔金属有机骨架。此外，挤出提供 了生产高收率的且大量的金属有机化合物的方法。这对现有的金属有机化合物合成技术提 供了非常明显的优势。令人惊异地，已经发现，挤出可以引起定量的且高度精确的化学转变 (即，得到单结晶相），该化学转变包括破坏和形成强化学键，例如A1和0之间的那些化学 键（通常，约450kJ/mol)，同时保持获得的产物中的高结晶度，S卩，人们可以预计到，施加在 反应物上的压力和剪力的条件将打破材料中的长程有序，致使它为无定形的。本发明人已 经令人惊异地发现，情况不是这样。
[0026] 挤出意指通过延长的腔运送物质，同时施加压力和剪力；通常，压力或剪力至少部 分地通过使物质穿过腔来运送的方式被施加。挤出还可以包括使物质穿过模具以成形或以 其他方式操纵挤出工艺的产品，尽管这通常不需要金属有机化合物形成。
[0027] 通常优选的是，挤出是基于螺杆的挤出方法。尽管单螺杆挤出在某些实施方案中 可以是合适的，但是通常优选的是，所述方法是基于螺杆的挤出方法，其中两个或更多个螺 杆在挤出过程期间与所述第一反应物和所述第二反应物的混合物相互作用。此类方法提供 较大程度的混合并且以其他方式操纵混合物以获得所需的金属有机化合物。
[0028] 在优选的实施方案中，基于螺杆的挤出方法是双螺杆挤出法。双螺杆法提供最小 化挤出装置的复杂性的有用平衡，同时提供操纵如所需的挤出工艺的能力。当然，可能的 是，可以使用其中三个或更多个螺杆相互作用的挤出工艺并且此类系统对于聚合物的挤出 是众所周知的。
[0029] 通常优选的是，当使用双螺杆挤出法时，它是同步旋转法。然而，在某些实施方案 中，可以发现，反向旋转法提供了某些益处。
[0030] 反向旋转螺杆在需要非常高