In Situ Observation of Solvent Exchange Kinetics in a MOF with Coordinatively Unsaturated Sites

化学 溶剂 二氯甲烷 金属有机骨架 动力学 铜 二甲基甲酰胺 扩散 溶剂效应 无机化学 化学工程 有机化学 热力学 吸附 工程类 物理 量子力学
作者
Hochul Woo,Angela M. Devlin,Adam J. Matzger
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (33): 18634-18641 被引量:32
标识
DOI:10.1021/jacs.3c06396
摘要

Solvent exchange of synthesis solvent within metal-organic frameworks (MOFs) is an essential process for the activation of coordinatively unsaturated sites (CUS) to achieve an optimal surface area; activation of the CUS is required to exploit the versatile applications of MOFs. However, it is challenging to replace CUS-bound synthesis solvent prior to MOF activation, which can lead to a structural collapse and reduced surface area post-evacuation. Herein, we quantify the exchange behavior of a copper paddlewheel-based CUS-MOF (HKUST-1) in the presence of three different solvents: ethanol (EtOH), dichloromethane (DCM), and N,N-dimethylformamide (DMF). The DMF release profiles are monitored via in situ observation of the exchange solvent composition via 1H NMR and Raman spectroscopy at the macroscopic scale. Furthermore, the change in solvent within a single crystal is measured to directly elucidate the exchange behavior. We demonstrate the DMF release profile from HKUST-1 exhibits different rate laws depending on whether the solvent exchange occurs at the CUS or is purely diffusive through the pores. This contribution represents the first characterization of release from a CUS-MOF as a function exchange solvent and reveals that solvent exchange in a CUS-MOF is not diffusion-limited, but rather is limited by the solvent exchange kinetics at the metal center. Insights from this study can be generalized to the variety of copper-paddlewheel-based MOFs, informing best practices for solvent exchange.
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