KR102538233B1 - Mass manufacturing method of metal-organic polyhedra and metal-organic polyhedra manufactured using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속-유기 다면체의 대량 제조방법 및 이를 사용하여 제조된 금속-유기 다면체에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면은, 3핵성 금속클러스터 전구체; 유기연결 리간드 전구체; 및 용매;를 포함하는, 반응 혼합물을 준비하는 단계; 상기 반응 혼합물을 밀폐된 상태로 상온 교반하는 단계; 상기 상온 교반된 반응 혼합물을 30 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 10 시간 내지 20 시간 동안 가열한 후, 상온에서 냉각시켜 반응 생성물을 수득하는 단계; 상기 반응 생성물을 유기용매로 세척하는 단계; 및 상기 세척된 반응 생성물을 양이온 용액에 첨가하여 양이온 교환 반응을 수행하는 단계;를 포함하는, 금속-유기 다면체의 대량 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a method for mass-producing metal-organic polyhedrons and a metal-organic polyhedron manufactured using the same. One aspect of the present invention relates to a trinuclear metal cluster precursor; organic linking ligand precursors; And a solvent; preparing a reaction mixture comprising; Stirring the reaction mixture at room temperature in a sealed state; heating the reaction mixture stirred at room temperature at a temperature of 30° C. to 100° C. for 10 hours to 20 hours, and then cooling the reaction mixture at room temperature to obtain a reaction product; washing the reaction product with an organic solvent; and performing a cation exchange reaction by adding the washed reaction product to a cation solution.
Description
본 발명은 금속-유기 다면체의 대량 제조방법 및 이를 사용하여 제조된 금속-유기 다면체에 관한 것이다.The present invention relates to a method for mass-producing metal-organic polyhedrons and metal-organic polyhedrons manufactured using the same.
MOF(metal-organic framework)는, 중심 금속이 유기연결 리간드와 결합하여 형성된 다공성 유무기 고분자 화합물로, 골격 구조 내에 유기물과 무기물을 모두 포함하고 분자크기 또는 나노 크기의 세공 구조를 갖는 결정성 화합물을 의미한다. MOF는 금속 노드 및 유기 연결기 등을 이용한 자체 조립과 같은 간단한 방법으로 광범위한 기능을 갖는 형태의 제조에 활용되고 있다.MOF (metal-organic framework) is a porous organic-inorganic high molecular compound formed by combining a central metal with an organic linking ligand. it means. MOFs are being utilized for fabrication of forms with a wide range of functions by simple methods such as self-assembly using metal nodes and organic linkers.
최근에는 자가 조립(self-assembly)에 의한 금속-유기 다면체(MOP, metal-organic polyhydra)와 같은 나노크기 빌딩블록(building blocks)을 이용하여 고차원의 금속-유기물질의 합성이 이루어지고 있으며, MOP 및 MOF를 다공성 재료를 위한 빌딩 블록으로 활용하여 케이지 기반 구조를 합성하는 연구들이 진행되고 있다.Recently, synthesis of high-order metal-organic materials has been performed using nano-scale building blocks such as metal-organic polyhydra (MOP) by self-assembly, and MOP and research on the synthesis of cage-based structures using MOFs as building blocks for porous materials.
이와 같이 금속-유기 다면체는, 다공성 특성 및 뛰어난 안정성을 바탕으로 활발히 연구되고 있으나, 대부분의 연구들은 작은 스케일에서 진행되고 있으며 대량 합성 방법에 대해서는 아직 보고되지 않고 있다. 특히, 대량 스케일에서의 합성은 불순물이 생성됨에 따라 순도가 낮아진다는 한계가 존재한다.As described above, metal-organic polyhedrons are actively studied based on their porous properties and excellent stability, but most studies are conducted on a small scale and mass synthesis methods have not yet been reported. In particular, synthesis on a large scale has a limitation in that purity is lowered as impurities are generated.
따라서, 대량 스케일에서 높은 순도 및 수율을 확보할 수 있는 금속-유기 다면체의 합성 공정이 개발될 필요가 있다. Therefore, it is necessary to develop a synthesis process of metal-organic polyhedra capable of securing high purity and yield on a large scale.
전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.The above background art is possessed or acquired by the inventor in the process of deriving the disclosure of the present application, and cannot necessarily be said to be known art disclosed to the general public prior to the present application.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 대량 합성 시 높은 수율 및 순도를 확보할 수 있는, 금속-유기 다면체의 대량 제조 방법을 제공하는 것인다.The present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for mass-producing metal-organic polyhedrons capable of securing high yield and purity during mass synthesis.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
본 발명의 일 측면은, 3핵성 금속클러스터 전구체; 유기연결 리간드 전구체; 및 용매;를 포함하는, 반응 혼합물을 준비하는 단계; 상기 반응 혼합물을 밀폐된 상태로 상온 교반하는 단계; 상기 상온 교반된 반응 혼합물을 30 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 10 시간 내지 20 시간 동안 가열한 후, 상온에서 냉각시켜 반응 생성물을 수득하는 단계; 상기 반응 생성물을 유기용매로 세척하는 단계; 및 상기 세척된 반응 생성물을 양이온 용액에 첨가하여 양이온 교환 반응을 수행하는 단계;를 포함하는, 금속-유기 다면체의 대량 제조방법을 제공한다.One aspect of the present invention, a trinuclear metal cluster precursor; organic linking ligand precursors; And a solvent; preparing a reaction mixture comprising; Stirring the reaction mixture at room temperature in a sealed state; heating the reaction mixture stirred at room temperature at a temperature of 30° C. to 100° C. for 10 hours to 20 hours, and then cooling the reaction mixture at room temperature to obtain a reaction product; washing the reaction product with an organic solvent; and performing a cation exchange reaction by adding the washed reaction product to a cation solution.
일 실시형태에 따르면, 상기 3핵성 금속클러스터 전구체는, Cp2ZrCl2, Cp2ZrH2, Cp2ZrClH 및 Cp2ZrBr2으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the trinuclear metal cluster precursor may include one or more selected from the group consisting of Cp 2 ZrCl 2 , Cp 2 ZrH 2 , Cp 2 ZrClH and Cp 2 ZrBr 2 .
일 실시형태에 따르면, 상기 유기연결 리간드 전구체는, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the organic linking ligand precursor may include a compound represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
여기서, R1 내지 R4는, 각각, 수소, 할로겐, 히드록시기(-OH), 탄소수 1 내지 50의 알킬기, 탄소수 2 내지 50의 알케닐기, 탄소수 1 내지 50의 알콕시기, 카르복실기(-COOH), 에테르기(-CH2OR, R은 탄소수 1 내지 50의 알킬기 또는 탄소수 2 내지 30의 알케닐기), 아민기(-NRR', R 및 R'은, 각각, 수소 또는 탄소수 1 내지 50의 알킬기), 니트로기(-NO2), 슬폰산기(-SO3H), 아지드기(-N3), 탄소수 1 내지 30의 알코올기, 탄소수 3 내지 30의 시클로알킬기, 탄소수 3 내지 30의 헤테로시클로알킬기, 탄소수 5 내지 30의 아릴기 또는 탄소수 5 내지 30의 헤테로아릴기이다.Here, R 1 to R 4 are, respectively, hydrogen, halogen, a hydroxy group (-OH), an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 50 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 50 carbon atoms, a carboxyl group (-COOH), An ether group (-CH 2 OR, R is an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms or an alkenyl group having 2 to 30 carbon atoms), an amine group (-NRR', R and R' are hydrogen or an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, respectively) , nitro group (-NO 2 ), sulfonic acid group (-SO 3 H), azide group (-N 3 ), alcohol group having 1 to 30 carbon atoms, cycloalkyl group having 3 to 30 carbon atoms, heterocyclo having 3 to 30 carbon atoms It is an alkyl group, a C5-C30 aryl group, or a C5-C30 heteroaryl group.
일 실시형태에 따르면, 상기 용매는, 유기용매; 또는 유기용매 및 증류수를 포함하는 혼합용매;를 포함하고, 상기 유기용매는, N,N-디메틸아세트아미드(DMA), N,N'-디메틸포름아미드(DMF), N,N-디에틸포름아미드(DEF), 탄소수 1 내지 10의 알코올, 에틸렌 글리콜, 글리세롤, 시클로헥산올, 탄소수 2 내지 10의 케톤, 아세토니트릴, 디옥산, 클로로벤젠, 피리딘, N-메틸피롤리돈(NMP), 설포란, 테트라하이드로퓨란(THF), 감마-부티로락톤, 탄소수 1 내지 12의 알킬아민, 헥산, 헵탄, 옥탄, 톨루엔, 아세톤, 메틸에틸케톤, 클로로포름 및 디클로로메탄으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the solvent is an organic solvent; or a mixed solvent containing an organic solvent and distilled water; wherein the organic solvent is N,N-dimethylacetamide (DMA), N,N'-dimethylformamide (DMF), N,N-diethylform Amides (DEF), alcohols of 1 to 10 carbon atoms, ethylene glycol, glycerol, cyclohexanol, ketones of 2 to 10 carbon atoms, acetonitrile, dioxane, chlorobenzene, pyridine, N-methylpyrrolidone (NMP), sulfonyl containing at least one selected from forran, tetrahydrofuran (THF), gamma-butyrolactone, alkylamines having 1 to 12 carbon atoms, hexane, heptane, octane, toluene, acetone, methyl ethyl ketone, chloroform and dichloromethane can
일 실시형태에 따르면, 상기 3핵성 금속클러스터 전구체 및 상기 유기연결 리간드 전구체의 몰비는, 1 : 0.1 내지 1 : 1인 것일 수 있다.According to one embodiment, the molar ratio of the trinuclear metal cluster precursor and the organic linking ligand precursor may be 1:0.1 to 1:1.
일 실시형태에 따르면, 상기 반응 생성물을 유기용매로 세척하는 단계;는, 3회 내지 8회 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, washing the reaction product with an organic solvent; may be performed 3 to 8 times.
일 실시형태에 따르면, 상기 양이온 용액은, 디메틸암모늄 클로라이드, 디에틸암모늄 클로라이드, 비스(3-클로로-2-하이드록시프로필)디메틸암모늄 클로라이드, 비스(2,3-에폭시프로필)디메틸암모늄 클로라이드, 비스(2,3-디하이드록시프로필)디메틸암모늄 클로라이드, 아크릴옥시에틸 트리메틸암모늄 클로라이드, 아크릴아미도프로필트리메틸암모늄 클로라이드, 디알릴디에틸암모늄 클로라이드 및 디알릴디메틸암모늄 클로라이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the cationic solution is dimethylammonium chloride, diethylammonium chloride, bis(3-chloro-2-hydroxypropyl)dimethylammonium chloride, bis(2,3-epoxypropyl)dimethylammonium chloride, bis (2,3-dihydroxypropyl) at least one selected from the group consisting of dimethylammonium chloride, acryloxyethyl trimethylammonium chloride, acrylamidopropyltrimethylammonium chloride, diallyldiethylammonium chloride and diallyldimethylammonium chloride may include
일 실시형태에 따르면, 상기 양이온 용액의 농도는, 0.01 M 내지 1 M인 것일 수 있다.According to one embodiment, the concentration of the cation solution may be 0.01 M to 1 M.
일 실시형태에 따르면, 상기 양이온 교환을 수행하는 단계;는, 1회 내지 5회 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, performing the cation exchange; may be performed 1 to 5 times.
일 실시형태에 따르면, 상기 양이온 교환 반응을 수행하는 단계; 이후에, 상기 양이온 교환 반응이 수행된 반응 생성물을 세척 및 건조하는 단계;를 더 포함하고, 상기 세척은, 클로로포름, 디클로로메탄 및 아세톤으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 유기용매를 사용하여, 3회 내지 8회 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, performing the cation exchange reaction; Thereafter, washing and drying the reaction product in which the cation exchange reaction has been performed; further comprising, wherein the washing is performed three times using at least one organic solvent selected from the group consisting of chloroform, dichloromethane, and acetone. It may be performed up to 8 times.
일 실시형태에 따르면, 상기 금속-유기 다면체의 수득률은, 50 % 이상인 것일 수 있다.According to one embodiment, the yield of the metal-organic polyhedron may be 50% or more.
일 실시형태에 따르면, 상기 금속-유기 다면체의 최종 생성량은, 90 mg 내지 3,000 mg인 것일 수 있다.According to one embodiment, the final production amount of the metal-organic polyhedron may be 90 mg to 3,000 mg.
본 발명의 다른 측면은, 상기의 제조방법으로 제조되고, 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 것인, 금속-유기 다면체를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a metal-organic polyhedron prepared by the above preparation method and comprising a compound represented by Formula 2 below.
[화학식 2][Formula 2]
여기서, 상기 는, 이고,here, above Is, ego,
상기 R은 유기연결 리간드이다.R is an organic linking ligand.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 금속-유기 다면체를 포함하는, 기체 흡착 물질을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a gas adsorption material comprising the metal-organic polyhedron.
본 발명에 따른 금속-유기 다면체의 대량 제조방법은, 용매열 반응 시 용매 및 온도를 제어함으로써, 금속-유기 다면체를 높은 수율로 대량 제조할 수 있는 효과가 있다.The method for mass-producing metal-organic polyhedrons according to the present invention has an effect of mass-producing metal-organic polyhedrons in high yield by controlling the solvent and temperature during the solvothermal reaction.
본 발명에 따라 대량 제조된 금속-유기 다면체는, 구조적 및 화학적으로 안정하고, 높은 다공성을 가지며, 우수한 기체 포집 성능을 나타내어, 센서, 촉매, 약물전달, 흡착, 분리막 등에 응용 가능한 장점이 있다.The metal-organic polyhedron mass-produced according to the present invention is structurally and chemically stable, has high porosity, and exhibits excellent gas collection performance, and thus has the advantage of being applicable to sensors, catalysts, drug delivery, adsorption, and separation membranes.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 금속-유기 다면체(UMOP-1-H)의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 금속-유기 다면체의 X-ray diffraction pattern이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 금속-유기 다면체의 동공 크기의 분포 (pore size distribution) 그래프이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 금속-유기 다면체(UMOP-1-H)의 질소 흡착 그래프(77K)이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 금속-유기 다면체(UMOP-1-H)의 이산화탄소 흡착 그래프(273K, 298K)이다.1 shows the structure of a metal-organic polyhedron (UMOP-1-H) prepared according to an embodiment of the present invention.
2 is an X-ray diffraction pattern of a metal-organic polyhedron prepared according to an embodiment of the present invention.
3 is a pore size distribution graph of metal-organic polyhedrons prepared according to an embodiment of the present invention.
4 is a nitrogen adsorption graph (77K) of a metal-organic polyhedron (UMOP-1-H) prepared according to an embodiment of the present invention.
5 is a carbon dioxide adsorption graph (273K, 298K) of a metal-organic polyhedron (UMOP-1-H) prepared according to an embodiment of the present invention.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, since various changes can be made to the embodiments, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all changes, equivalents or substitutes to the embodiments are included within the scope of rights.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in the examples are used only for descriptive purposes and should not be construed as limiting. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the embodiment belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present application, they should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components regardless of reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. In describing the embodiment, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the embodiment, the detailed description will be omitted.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, in describing the components of the embodiment, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the corresponding component is not limited by the term. When an element is described as being “connected,” “coupled to,” or “connected” to another element, that element may be directly connected or connected to the other element, but there may be another element between the elements. It should be understood that may be "connected", "coupled" or "connected".
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Components included in one embodiment and components having common functions will be described using the same names in other embodiments. Unless stated to the contrary, descriptions described in one embodiment may be applied to other embodiments, and detailed descriptions will be omitted to the extent of overlap.
본 발명의 일 측면은, 3핵성 금속클러스터 전구체; 유기연결 리간드 전구체; 및 용매;를 포함하는, 반응 혼합물을 준비하는 단계; 상기 반응 혼합물을 밀폐된 상태로 상온 교반하는 단계; 상기 상온 교반된 반응 혼합물을 30 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 10 시간 내지 20 시간 동안 가열한 후, 상온에서 냉각시켜 반응 생성물을 수득하는 단계; 상기 반응 생성물을 유기용매로 세척하는 단계; 및 상기 세척된 반응 생성물을 양이온 용액에 첨가하여 양이온 교환 반응을 수행하는 단계;를 포함하는, 금속-유기 다면체의 대량 제조방법을 제공한다.One aspect of the present invention, a trinuclear metal cluster precursor; organic linking ligand precursors; And a solvent; preparing a reaction mixture comprising; Stirring the reaction mixture at room temperature in a sealed state; heating the reaction mixture stirred at room temperature at a temperature of 30° C. to 100° C. for 10 hours to 20 hours, and then cooling the reaction mixture at room temperature to obtain a reaction product; washing the reaction product with an organic solvent; and performing a cation exchange reaction by adding the washed reaction product to a cation solution.
본 발명에 따른 금속-유기 다면체의 대량 제조방법은, 용매열 반응을 사용하여 대량 스케일에서 높은 수율로 금속-유기 다면체를 제조할 수 있는 효과가 있다.The mass production method of metal-organic polyhedrons according to the present invention has an effect of producing metal-organic polyhedrons in high yield on a large scale using solvothermal reaction.
이하, 본 발명에 따른 금속-유기 다면체의 대량 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for mass-producing metal-organic polyhedrons according to the present invention will be described step by step in detail.
반응 혼합물 준비 단계Reaction mixture preparation step
본 발명에 따른 금속-유기 다면체의 대량 제조방법에 있어서, 첫번째 단계는, 반응 혼합물을 제조하는 단계이다.In the method for mass-producing metal-organic polyhedrons according to the present invention, the first step is to prepare a reaction mixture.
본 발명에 따라 제조되는 금속-유기 다면체는, 3핵성 금속클러스터 및 이를 연결하는 유기연결 리간드를 포함한다.The metal-organic polyhedron prepared according to the present invention includes trinuclear metal clusters and organic linking ligands connecting them.
상기 금속-유기 다면체를 제조하기 위해, 먼저 반응물로서 3핵성 금속클러스터 전구체; 유기연결 리간드 전구체; 및 용매;를 포함하는, 반응 혼합물을 준비한다.In order to prepare the metal-organic polyhedron, first, a trinuclear metal cluster precursor as a reactant; organic linking ligand precursors; Prepare a reaction mixture comprising; and a solvent.
상기 3핵성 금속클러스터 전구체 및 상기 유기연결 리간드 전구체는, 정해진 용량으로 상기 용매에 첨가하여 용해된다. 상기 용해 시 사용되는 용기로는, 둥근 바닥 플라스크를 사용할 수 있다.The trinuclear metal cluster precursor and the organic linking ligand precursor are added to and dissolved in the solvent in a predetermined amount. As a container used for the dissolution, a round bottom flask can be used.
일 실시형태에 따르면, 상기 3핵성 금속클러스터 전구체는, 금속 메탈로센의 황산염, 질산염, 염산염, 탄산염, 할로겐염, 인산염, 수소화물 및 수산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the trinuclear metal cluster precursor may contain at least one selected from the group consisting of sulfates, nitrates, hydrochlorides, carbonates, halogen salts, phosphates, hydrides, and hydroxides of metal metallocenes. .
일 실시형태에 따르면, 상기 3핵성 금속클러스터 전구체는, 3핵성 지르코늄 클러스터 전구체를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the trinuclear metal cluster precursor may include a trinuclear zirconium cluster precursor.
일 실시형태에 따르면, 상기 3핵성 금속클러스터 전구체는, Cp2ZrCl2, Cp2ZrH2, Cp2ZrClH 및 Cp2ZrBr2으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the trinuclear metal cluster precursor may include one or more selected from the group consisting of Cp 2 ZrCl 2 , Cp 2 ZrH 2 , Cp 2 ZrClH and Cp 2 ZrBr 2 .
상기 3핵성 금속클러스터 전구체는, 금속-유기 다면체에 포함되는 3핵성 금속클러스터를 형성하는 것으로, 유기연결 리간드에 의해 연결되어 다면체 네트워크를 형성한다.The trinuclear metal cluster precursor forms a trinuclear metal cluster included in a metal-organic polyhedron, and is connected by an organic linking ligand to form a polyhedral network.
일 실시형태에 따르면, 상기 3핵성 금속클러스터는, Cp3Zr3O(OH)3(RCO2)3를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the trinuclear metal cluster may include Cp 3 Zr 3 O(OH) 3 (RCO 2 ) 3 .
일 실시형태에 따르면, 상기 유기연결 리간드 전구체는, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the organic linking ligand precursor may include a compound represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
여기서, R1 내지 R4는, 각각, 수소, 할로겐, 히드록시기(-OH), 탄소수 1 내지 50의 알킬기, 탄소수 2 내지 50의 알케닐기, 탄소수 1 내지 50의 알콕시기, 카르복실기(-COOH), 에테르기(-CH2OR, R은 탄소수 1 내지 50의 알킬기 또는 탄소수 2 내지 30의 알케닐기), 아민기(-NRR', R 및 R'은, 각각, 수소 또는 탄소수 1 내지 50의 알킬기), 니트로기(-NO2), 슬폰산기(-SO3H), 아지드기(-N3), 탄소수 1 내지 30의 알코올기, 탄소수 3 내지 30의 시클로알킬기, 탄소수 3 내지 30의 헤테로시클로알킬기, 탄소수 5 내지 30의 아릴기 또는 탄소수 5 내지 30의 헤테로아릴기이다.Here, R 1 to R 4 are, respectively, hydrogen, halogen, a hydroxy group (-OH), an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 50 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 50 carbon atoms, a carboxyl group (-COOH), An ether group (-CH 2 OR, R is an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms or an alkenyl group having 2 to 30 carbon atoms), an amine group (-NRR', R and R' are hydrogen or an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, respectively) , nitro group (-NO 2 ), sulfonic acid group (-SO 3 H), azide group (-N 3 ), alcohol group having 1 to 30 carbon atoms, cycloalkyl group having 3 to 30 carbon atoms, heterocyclo having 3 to 30 carbon atoms It is an alkyl group, a C5-C30 aryl group, or a C5-C30 heteroaryl group.
바람직하게는, 상기 R1 내지 R4는, 각각, 수소, 할로겐, 히드록시기(-OH), 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 탄소수 2 내지 10의 알케닐기, 탄소수 1 내지 10의 알콕시기, 카르복실기(-COOH), 에테르기(-CH2OR, R은 탄소수 1 내지 10의 알킬기 또는 탄소수 2 내지 10의 알케닐기), 아민기(-NRR', R 및 R'은 각각, 수소 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬기), 니트로기(-NO2), 슬폰산기(-SO3H), 아지드기(-N3) 또는 탄소수 1 내지 10의 알코올기이다.Preferably, R 1 to R 4 are each selected from hydrogen, halogen, a hydroxy group (-OH), an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 10 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, and a carboxyl group (- COOH), an ether group (-CH 2 OR, R is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or an alkenyl group having 2 to 10 carbon atoms), an amine group (-NRR', R and R' are each hydrogen or 1 to 10 carbon atoms alkyl group), a nitro group (-NO 2 ), a sulfonic acid group (-SO 3 H), an azide group (-N 3 ), or an alcohol group having 1 to 10 carbon atoms.
상기 유기연결 리간드 전구체는, 금속-유기 다면체에 포함되는 유기연결 리간드를 형성하는 것으로, 금속-유기 다면체의 3핵성 금속 클러스터를 연결하여 다면체 네트워크를 형성한다.The organic linking ligand precursor forms an organic linking ligand included in the metal-organic polyhedron, and forms a polyhedral network by connecting trinuclear metal clusters of the metal-organic polyhedron.
일 실시형태에 따르면, 상기 유기연결 리간드 전구체는, 테레프탈산을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the organic linking ligand precursor may include terephthalic acid.
일 실시형태에 따르면, 상기 용매는, 유기용매; 또는 유기용매 및 증류수를 포함하는 혼합용매;를 포함하고, 상기 유기용매는, N,N-디메틸아세트아미드(DMA), N,N'-디메틸포름아미드(DMF), N,N-디에틸포름아미드(DEF), 탄소수 1 내지 10의 알코올, 에틸렌 글리콜, 글리세롤, 시클로헥산올, 탄소수 2 내지 10의 케톤, 아세토니트릴, 디옥산, 클로로벤젠, 피리딘, N-메틸피롤리돈(NMP), 설포란, 테트라하이드로퓨란(THF), 감마-부티로락톤, 탄소수 1 내지 12의 알킬아민, 헥산, 헵탄, 옥탄, 톨루엔, 아세톤, 메틸에틸케톤, 클로로포름 및 디클로로메탄으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the solvent is an organic solvent; or a mixed solvent containing an organic solvent and distilled water; wherein the organic solvent is N,N-dimethylacetamide (DMA), N,N'-dimethylformamide (DMF), N,N-diethylform Amides (DEF), alcohols of 1 to 10 carbon atoms, ethylene glycol, glycerol, cyclohexanol, ketones of 2 to 10 carbon atoms, acetonitrile, dioxane, chlorobenzene, pyridine, N-methylpyrrolidone (NMP), sulfonyl containing at least one selected from forran, tetrahydrofuran (THF), gamma-butyrolactone, alkylamines having 1 to 12 carbon atoms, hexane, heptane, octane, toluene, acetone, methyl ethyl ketone, chloroform and dichloromethane can
상기 유기용매는, 금속-유기 다면체의 자가 조립을 유도하는 작용을 할 수 있다.The organic solvent may act to induce self-assembly of metal-organic polyhedrons.
일 실시형태에 따르면, 상기 유기용매 및 상기 증류수의 부피비는, 1 : 0.1 내지 1 : 1인 것일 수 있다.According to one embodiment, the volume ratio of the organic solvent and the distilled water may be 1:0.1 to 1:1.
바람직하게는, 상기 유기용매 및 상기 증류수의 부피비는, 1 : 0.1 내지 1 : 0.1인 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 1 : 0.1 내지 1 : 0.3인 것일 수 있으며, 더욱 더 바람직하게는, 1 : 0.1 내지 1 : 0.2인 것일 수 있다.Preferably, the volume ratio of the organic solvent and the distilled water may be 1:0.1 to 1:0.1, more preferably, 1:0.1 to 1:0.3, and even more preferably, 1 : 0.1 to 1: may be 0.2.
일 실시형태에 따르면, 상기 3핵성 금속클러스터 전구체 및 상기 유기연결 리간드 전구체의 몰비는, 1 : 0.1 내지 1 : 1인 것일 수 있다.According to one embodiment, the molar ratio of the trinuclear metal cluster precursor and the organic linking ligand precursor may be 1:0.1 to 1:1.
바람직하게는, 상기 3핵성 금속클러스터 전구체 및 상기 유기연결 리간드 전구체의 몰비는, 1 : 0.3 내지 1 : 0.8인 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 1 : 0.4 내지 1 : 0.6인 것일 수 있다.Preferably, the molar ratio of the trinuclear metal cluster precursor and the organic linking ligand precursor may be 1: 0.3 to 1: 0.8, more preferably, 1: 0.4 to 1: 0.6.
반응 혼합물을 상온 교반하는 단계Stirring the reaction mixture at room temperature
본 발명에 따른 금속-유기 다면체의 대량 제조방법에 있어서, 이어지는 단계는, 상기 준비된 반응 혼합물을 밀폐된 상태로 상온 교반하는 단계이다.In the mass production method of the metal-organic polyhedron according to the present invention, the next step is to stir the prepared reaction mixture at room temperature in a sealed state.
이 때, 상기 교반은, 반응 혼합물의 색이 투명해질 때까지 이루어질 수 있고, 이는 상기 3핵성 금속클러스터 전구체 및 상기 유기연결 리간드 전구체를 용매에 충분히 용해시키기 위함일 수 있다.At this time, the stirring may be performed until the color of the reaction mixture becomes transparent, which may be for sufficiently dissolving the trinuclear metal cluster precursor and the organic linking ligand precursor in a solvent.
반응 생성물을 수득하는 단계Obtaining a Reaction Product
본 단계는, 상기 상온 교반된 반응 혼합물을 용매열 반응을 통해 반응시킴으로써 반응 생성물을 수득하는 단계이다.This step is a step of obtaining a reaction product by reacting the reaction mixture stirred at room temperature through a solvothermal reaction.
상기 상온 교반된 반응 혼합물은, 30 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 10 시간 내지 20 시간 동안 가열할 수 있다.The reaction mixture stirred at room temperature may be heated at a temperature of 30 °C to 100 °C for 10 hours to 20 hours.
바람직하게는, 50 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 10 시간 내지 15 시간 동안 가열할 수 있고, 더욱 바람직하게는, 50 ℃ 내지 80 ℃의 온도에서 12 시간 내지 15 시간 동안 가열할 수 있다.Preferably, it can be heated at a temperature of 50 °C to 100 °C for 10 hours to 15 hours, more preferably, it can be heated at a temperature of 50 °C to 80 °C for 12 hours to 15 hours.
만일, 상기 온도 범위 미만의 온도에서 가열하거나, 상기 시간 범위 미만의 시간 동안 가열할 경우, 반응이 충분히 진행되지 않아 생성물의 수득률이 낮아질 수 있다.If, when heating at a temperature less than the above temperature range or for a time less than the above time range, the reaction may not proceed sufficiently and the yield of the product may be lowered.
반면, 상기 온도 범위를 초과한 온도에서 가열하거나, 상기 시간 범위를 초과한 시간 동안 가열할 경우, 공정 효율성이 저하될 수 있고, 다른 결정 구조가 형성되거나 결정성이 없는 불순물이 형성될 수 있다.On the other hand, when heating at a temperature exceeding the above temperature range or for a time exceeding the above range, process efficiency may decrease, and a different crystal structure or non-crystalline impurities may be formed.
상기 가열은, 핫플레이트, 오일베스, 오븐 또는 워터베스를 사용하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The heating may be performed using a hot plate, an oil bath, an oven or a water bath, but is not limited thereto.
일례로, 핫플레이트 및 오일베스를 사용한 가열은, 균일한 온도에서 합성 반응이 충분히 진행되도록 함으로써, 대량 스케일에서 생성물의 수율을 향상시킬 수 있다.For example, heating using a hot plate and an oil bath can improve the yield of a product on a large scale by allowing the synthesis reaction to proceed sufficiently at a uniform temperature.
상기 반응 혼합물의 가열을 통해 형성된 생성물을 상온에서 냉각시킴으로써 최종적으로 반응 생성물을 수득한다.A reaction product is finally obtained by cooling the product formed through heating of the reaction mixture at room temperature.
일 실시형태에 따르면, 상기 냉각은, 1 시간 내지 5시간 동안 수행될 수 있다.According to one embodiment, the cooling may be performed for 1 hour to 5 hours.
반응 생성물 세척단계Reaction product washing step
상기 수득한 반응 생성물은, 유기용매로 세척된다.The reaction product obtained above is washed with an organic solvent.
상기 세척은 양이온 교환 단계 이전에 불순물을 제거하기 위해 수행되는 것일 수 있다.The washing may be performed to remove impurities prior to the cation exchange step.
일 실시형태에 따르면, 상기 반응 생성물을 유기용매로 세척하는 단계;는, 3회 내지 8회 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, washing the reaction product with an organic solvent; may be performed 3 to 8 times.
바람직하게는, 상기 세척하는 단계는, 4회 내지 7회 수행될 수 있다.Preferably, the washing step may be performed 4 to 7 times.
만일, 상기 세척 단계의 수행 횟수가 상기 범위 미만일 경우, 불순물이 충분히 제거되지 않아 순도가 낮아지는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 범위를 초과할 경우 공정 효율성이 저하될 수 있다.If the number of times the washing step is performed is less than the above range, impurities may not be sufficiently removed, resulting in a decrease in purity, and if the number exceeds the above range, process efficiency may be reduced.
일 실시형태에 따르면, 상기 세척 시 사용되는 유기용매는, N,N-디메틸아세트아미드(DMA), N,N'-디메틸포름아미드(DMF), N,N-디에틸포름아미드(DEF), 탄소수 1 내지 10의 알코올, 에틸렌 글리콜, 글리세롤, 시클로헥산올, 탄소수 2 내지 10의 케톤, 아세토니트릴, 디옥산, 클로로벤젠, 피리딘, N-메틸피롤리돈(NMP), 설포란, 테트라하이드로퓨란(THF), 감마-부티로락톤, 탄소수 1 내지 12의 알킬아민, 헥산, 헵탄, 옥탄, 톨루엔, 아세톤, 메틸에틸케톤, 클로로포름 및 디클로로메탄으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the organic solvent used in the washing is N,N-dimethylacetamide (DMA), N,N'-dimethylformamide (DMF), N,N-diethylformamide (DEF), Alcohols having 1 to 10 carbon atoms, ethylene glycol, glycerol, cyclohexanol, ketones having 2 to 10 carbon atoms, acetonitrile, dioxane, chlorobenzene, pyridine, N-methylpyrrolidone (NMP), sulfolane, tetrahydrofuran (THF), gamma-butyrolactone, alkylamine having 1 to 12 carbon atoms, hexane, heptane, octane, toluene, acetone, methyl ethyl ketone, chloroform, and dichloromethane.
양이온 교환 반응 수행 단계Steps for carrying out the cation exchange reaction
상기 세척된 반응 생성물은, 양이온 용액에 첨가되어 양이온 교환 반응을 진행시킬 수 있다.The washed reaction product may be added to a cation solution to proceed with a cation exchange reaction.
상기 양이온 교환 반응은, 금속-유기 다면체의 다공성을 높이기 위한 목적으로 수행되는 것일 수 있다.The cation exchange reaction may be performed for the purpose of increasing the porosity of the metal-organic polyhedron.
본 발명에 따른 금속-유기 다면체의 대량 제조방법은, 특정 양이온 용액을 사용한 양이온 교환 반응을 통해, 최종적으로 수득하는 금속-유기 다면체의 다공성을 높일 수 있는 특징이 있다. The method for mass-producing metal-organic polyhedrons according to the present invention is characterized in that porosity of finally obtained metal-organic polyhedrons can be increased through a cation exchange reaction using a specific cation solution.
일 실시형태에 따르면, 상기 양이온 용액은, 디메틸암모늄 클로라이드, 디에틸암모늄 클로라이드, 비스(3-클로로-2-하이드록시프로필)디메틸암모늄 클로라이드, 비스(2,3-에폭시프로필)디메틸암모늄 클로라이드, 비스(2,3-디하이드록시프로필)디메틸암모늄 클로라이드, 아크릴옥시에틸 트리메틸암모늄 클로라이드, 아크릴아미도프로필트리메틸암모늄 클로라이드, 디알릴디에틸암모늄 클로라이드 및 디알릴디메틸암모늄 클로라이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the cationic solution is dimethylammonium chloride, diethylammonium chloride, bis(3-chloro-2-hydroxypropyl)dimethylammonium chloride, bis(2,3-epoxypropyl)dimethylammonium chloride, bis (2,3-dihydroxypropyl) at least one selected from the group consisting of dimethylammonium chloride, acryloxyethyl trimethylammonium chloride, acrylamidopropyltrimethylammonium chloride, diallyldiethylammonium chloride and diallyldimethylammonium chloride may include
상기 양이온 용액은, 상기 금속-유기 다면체의 다공성을 높일 수 있는 양이온 용액일 수 있다.The cation solution may be a cation solution capable of increasing the porosity of the metal-organic polyhedron.
상기 양이온 교환 반응을 통해 수득된 금속-유기 다면체는, 다공성이 증가함에따라 기체 포집 성능이 향상되는 특징을 갖는다.The metal-organic polyhedron obtained through the cation exchange reaction has a characteristic in that gas trapping performance improves as porosity increases.
즉, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 금속-유기 다면체는, 구조적 및 화학적 안정성이 우수할 뿐만 아니라, 높은 다공성을 가짐으로써, 우수한 기체 포집 성능을 나타내어 센서, 촉매, 약물전달, 흡착, 분리막 등에 응용 가능한 장점을 가질 수 있다.That is, the metal-organic polyhedron prepared by the manufacturing method according to the present invention not only has excellent structural and chemical stability, but also has high porosity, so it exhibits excellent gas collection performance and can be used in sensors, catalysts, drug delivery, adsorption, separation membranes, etc. It may have applicable advantages.
일 실시형태에 따르면, 상기 양이온 용액의 농도는, 0.01 M 내지 1 M인 것일 수 있다.According to one embodiment, the concentration of the cation solution may be 0.01 M to 1 M.
바람직하게는, 상기 양이온 용액의 농도는, 0.05 M 내지 1 M인 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 0.05 M 내지 0.5 M인 것일 수 있으며, 더욱 더 바람직하게는, 0.08 M 내지 0.2 M인 것일 수 있다.Preferably, the concentration of the cationic solution may be 0.05 M to 1 M, more preferably, 0.05 M to 0.5 M, and even more preferably, 0.08 M to 0.2 M. there is.
만일, 상기 양이온 용액의 농도가 상기 범위 미만일 경우, 양이온 교환 반응이 충분히 수행되지 않아 금속-유기 다면체의 다공성이 낮아질 수 있고, 상기 범위를 초과할 경우, 구조적 안정성이 저하될 수 있다.If the concentration of the cation solution is less than the above range, the cation exchange reaction may not be sufficiently performed and the porosity of the metal-organic polyhedron may be reduced. If the concentration exceeds the above range, structural stability may be deteriorated.
일 실시형태에 따르면, 상기 양이온 교환을 수행하는 단계;는, 1회 내지 5회 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, performing the cation exchange; may be performed 1 to 5 times.
바람직하게는, 상기 양이온 교환을 수행하는 단계;는, 3회 내지 5회 수행되는 것일 수 있다. 이는, 양이온이 충분히 교환되어 높은 다공성을 확보하기 위함일 수 있다.Preferably, performing the cation exchange; may be performed 3 to 5 times. This may be to secure high porosity through sufficient exchange of cations.
일 실시형태에 따르면, 상기 양이온 교환 반응을 수행하는 단계; 이후에, 상기 양이온 교환 반응이 수행된 반응 생성물을 세척 및 건조하는 단계;를 더 포함하고, 상기 세척은, 클로로포름, 디클로로메탄 및 아세톤으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 유기용매를 사용하여, 3회 내지 8회 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, performing the cation exchange reaction; Thereafter, washing and drying the reaction product in which the cation exchange reaction has been performed; further comprising, wherein the washing is performed three times using at least one organic solvent selected from the group consisting of chloroform, dichloromethane, and acetone. It may be performed up to 8 times.
상기 세척 및 건조 단계는, 반응 생성물 내 존재하는 불순물을 제거하기 위해 수행되는 것일 수 있다.The washing and drying steps may be performed to remove impurities present in the reaction product.
일 실시형태에 따르면, 상기 금속-유기 다면체의 수득률은, 50 % 이상인 것일 수 있다.According to one embodiment, the yield of the metal-organic polyhedron may be 50% or more.
바람직하게는, 상기 금속-유기 다면체의 수득률은, 55 % 이상인 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 60 % 이상인 것일 수 있으며, 더욱 더 바람직하게는, 65 % 이상인 것일 수 있다Preferably, the yield of the metal-organic polyhedron may be 55% or more, more preferably 60% or more, and still more preferably 65% or more.
본 발명에 따른 금속-유기 다면체의 제조방법은, 대량 제조시에도 높은 수득률을 확보할 수 있는 효과가 있다.The method for producing metal-organic polyhedrons according to the present invention has an effect of securing a high yield even in mass production.
일 실시형태에 따르면, 상기 금속-유기 다면체의 최종 생성량은, 90 mg 내지 3,000 mg인 것일 수 있다.According to one embodiment, the final production amount of the metal-organic polyhedron may be 90 mg to 3,000 mg.
일 실시형태에 따르면, 상기 금속-유기 다면체의 최종 생성량은, 500 mg 내지 3,000 mg인 것일 수 있다.According to one embodiment, the final production amount of the metal-organic polyhedron may be 500 mg to 3,000 mg.
일 실시형태에 따르면, 상기 금속-유기 다면체는, 15 Å 내지 20 Å 크기 범위의 내부 동공을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the metal-organic polyhedron may include an inner cavity having a size ranging from 15 Å to 20 Å.
상기 금속-유기 다면체의 내부 동공은, 질소 및 이산화탄소와 같은 기체를 흡착하는데 최적화된 범위일 수 있다.An inner cavity of the metal-organic polyhedron may be in a range optimized for adsorbing gases such as nitrogen and carbon dioxide.
본 발명의 다른 측면은, 상기의 제조방법으로 제조되고, 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 것인, 금속-유기 다면체를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a metal-organic polyhedron prepared by the above preparation method and comprising a compound represented by Formula 2 below.
[화학식 2][Formula 2]
여기서, 상기 는, 이고,here, above Is, ego,
상기 R은 유기연결 리간드이다.R is an organic linking ligand.
일 실시형태에 따르면, 상기 유기연결 리간드는, 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 포함할 수 있따.According to one embodiment, the organic coupling ligand may include a compound represented by
[화학식 3][Formula 3]
여기서, M은, 3핵성 금속 클러스터의 금속과 연결 부위이고, R1 내지 R4는, 각각, 수소, 할로겐, 히드록시기(-OH), 탄소수 1 내지 50의 알킬기, 탄소수 2 내지 50의 알케닐기, 탄소수 1 내지 50의 알콕실기, 카르복실기(-COOH), 에테르기(-CH2OR, R은 탄소수 1 내지 50의 알킬기 또는 탄소수 2 내지 30의 알케닐기), 아민기(-NRR', R 및 R'은 각각, 수소 또는 탄소수 1 내지 50의 알킬기), 니트로기(-NO2), 슬폰산기(-SO3H), 아지드기(-N3), 탄소수 1 내지 30의 알코올기, 탄소수 3 내지 탄소수 30의 시클로알킬기, 탄소수 3 내지 탄소수 30의 헤테로시클로알킬기, 탄소수 5 내지 탄소수 30의 아릴기 또는 탄소수 5 내지 탄소수 30의 헤테로아릴기이다.Here, M is a linking site with a metal of a trinuclear metal cluster, and R 1 to R 4 are, respectively, hydrogen, halogen, a hydroxyl group (-OH), an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 50 carbon atoms, An alkoxyl group having 1 to 50 carbon atoms, a carboxyl group (-COOH), an ether group (-CH 2 OR, R is an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms or an alkenyl group having 2 to 30 carbon atoms), an amine group (-NRR', R and R ' is, respectively, hydrogen or an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms), a nitro group (-NO 2 ), a sulfonic acid group (-SO 3 H), an azide group (-N 3 ), an alcohol group having 1 to 30 carbon atoms, and a
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 금속-유기 다면체를 포함하는, 기체 흡착 물질을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a gas adsorption material comprising the metal-organic polyhedron.
상기 기체 흡착물질은, 탄화수소, 수분, 휘발성 유기 화합물, 질소 및 이산화탄소로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 기체를 흡착하는 것일 수 있다.The gas adsorbent may adsorb one gas selected from the group consisting of hydrocarbons, moisture, volatile organic compounds, nitrogen, and carbon dioxide.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by examples and comparative examples.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following examples.
<실시예> 금속-유기 다면체(UMOP-1-H)의 합성<Example> Synthesis of metal-organic polyhedron (UMOP-1-H)
500 mL 둥근 바닥 플라스크에 지르코노센 디염화물(Cp2ZrCl2)과 테레프탈산 (H2BDC)을 칭량하여 넣고, 디메틸아세트아미드(DMA)과 증류수를 이용하여 용해하였다. Zirconocene dichloride (Cp 2 ZrCl 2 ) and terephthalic acid (H 2 BDC) were weighed into a 500 mL round bottom flask, and dissolved using dimethylacetamide (DMA) and distilled water.
상기 둥근 바닥 플라스크를 고무 셉텀을 사용하여 밀폐한 후, 상기 용해물의 색이 투명해질 때까지 상온에서 교반하였다. After sealing the round bottom flask using a rubber septum, the lysate was stirred at room temperature until the color of the lysate became transparent.
교반 후, 핫 플레이트와 오일 배스를 사용하여 60 ℃ 조건에서 12시간 동안 반응시킨 다음 상온에서 쿨링 시켰다. After stirring, the mixture was reacted at 60 °C for 12 hours using a hot plate and an oil bath, and then cooled at room temperature.
그런 다음 디메틸아세트아미드로 6번 세척하고, 다이메틸아민 수화염화물과 클로로포름으로 제조한 0.1 M 다이메틸암모늄 양이온 용액으로 4번 양이온 교환을 한 후 클로로포름으로 4번 세척하고 건조하였다. Then, it was washed 6 times with dimethylacetamide, cation exchanged 4 times with 0.1 M dimethylammonium cation solution prepared from dimethylamine hydrochloride and chloroform, washed 4 times with chloroform, and dried.
합성 시 사용된 반응물의 함량 및 수득률을 표 1에 나타내었다.The content and yield of the reactants used in the synthesis are shown in Table 1.
(10x)Example 1
(10x)
(50x)Example 2
(50x)
(100x)Example 3
(100x)
(200x)Example 4
(200x)
(500x)Example 5
(500x)
(0.6 mmol)175 mg
(0.6 mmol)
(3 mmol)857mg
(3 mmol)
(6 mmol)1753.9 mg
(6 mmol)
(12 mmol)3507.7mg
(12 mmol)
(30 mmol)8.7693g
(30 mmol)
(0.3 mmol)50 mg
(0.3 mmol)
(1.5 mmol)250mg
(1.5 mmol)
(3 mmol)90mg
(3 mmol)
(6 mmol)1297.2mg
(6 mmol)
(15 mmol)2.4920g
(15 mmol)
(Yield)yield
(Yield)
(52.8 %)90.6mg
(52.8%)
(58.6 %)503.3mg
(58.6%)
(68 %)1161.7mg
(68%)
(66 %)2268.6mg
(66%)
(39 %)3.3559g
(39%)
표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 금속-유기 다면체의 제조방법을 사용할 경우, 종래 합성 수준에서 사용되던 반응물의 양을 10 배 내지 500 배로 증가시켰을 때, 금속-유기 다면체(UMOP-1-H)가 성공적으로 합성됨을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, when the method for preparing metal-organic polyhedrons according to the present invention is used, when the amount of reactants used in conventional synthesis is increased by 10 to 500 times, metal-organic polyhedrons (UMOP-1-H ) was successfully synthesized.
특히, 스케일이 100배로 증가된 경우에 68 %까지 수율이 확보되었음을 알 수 있다.In particular, it can be seen that the yield was secured up to 68% when the scale was increased 100 times.
<실험예 1> 금속-유기 다면체의 구조적 특성 확인<Experimental Example 1> Confirmation of structural characteristics of metal-organic polyhedra
합성된 금속-유기 다면체의 구조를 확인하기 위해, 대표적으로 실시예 5에서 최종 합성된 파우더를 X선 회절법을 사용하여 분석하였다. 또한, 합성된 금속-유기 다면체의 동공 크기 분포를 측정하였다.In order to confirm the structure of the synthesized metal-organic polyhedron, the finally synthesized powder in Example 5 was analyzed using X-ray diffraction. In addition, the pore size distribution of the synthesized metal-organic polyhedra was measured.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 금속-유기 다면체(UMOP-1-H)의 구조를 나타낸 것이다.1 shows the structure of a metal-organic polyhedron (UMOP-1-H) prepared according to an embodiment of the present invention.
도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 금속-유기 다면체의 X-ray diffraction pattern이다.2 is an X-ray diffraction pattern of a metal-organic polyhedron prepared according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 제조방법에 의해 UMOP-1-H가 성공적으로 합성되었음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2 , it can be confirmed that UMOP-1-H was successfully synthesized by the manufacturing method according to the present invention.
도 3은, 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 금속-유기 다면체의 동공 크기의 분포 (pore size distribution) 그래프이다.3 is a pore size distribution graph of metal-organic polyhedrons prepared according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 UMOP-1-H는 15 Å 내지 20 Å 크기의 동공이 가장 많이 존재함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that the UMOP-1-H manufactured by the manufacturing method according to the present invention has the largest number of pores having a size of 15 Å to 20 Å.
<실험예 2> 금속-유기 다면체의 기체 흡착 특성 확인<Experimental Example 2> Confirmation of Gas Adsorption Characteristics of Metal-Organic Polyhedrons
제조된 금속-유기 다면체의 기체 포집 성능을 확인하기 위해, 실시예 5에서 최종적으로 수득한 금속-유기 다면체(UMOP-1-H)의 질소 및 이산화탄소의 흡착량을 측정하였다.In order to confirm the gas trapping performance of the prepared metal-organic polyhedron, the adsorption amount of nitrogen and carbon dioxide of the metal-organic polyhedron (UMOP-1-H) finally obtained in Example 5 was measured.
도 4는, 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 금속-유기 다면체(UMOP-1-H)의 질소 흡착 그래프(77K)이다.4 is a nitrogen adsorption graph (77K) of a metal-organic polyhedron (UMOP-1-H) prepared according to an embodiment of the present invention.
도 5는, 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 금속-유기 다면체(UMOP-1-H)의 이산화탄소 흡착 그래프(273K, 298K)이다.5 is a carbon dioxide adsorption graph (273K, 298K) of a metal-organic polyhedron (UMOP-1-H) prepared according to an embodiment of the present invention.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 금속-유기 다면체(UMOP-1-H)는, 질소 및 이산화탄소 흡착 특성이 우수함을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 4 and 5 , it can be confirmed that the metal-organic polyhedron (UMOP-1-H) prepared according to an embodiment of the present invention has excellent nitrogen and carbon dioxide adsorption characteristics.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited drawings, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques may be performed in an order different from the method described, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. may be combined or combined in a different form than the method described, or other components may be used. Or even if it is replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims are within the scope of the following claims.
Claims (14)
상기 반응 혼합물을 밀폐된 상태로 상온 교반하는 단계;
상기 상온 교반된 반응 혼합물을 30 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 10 시간 내지 20 시간 동안 가열한 후, 상온에서 냉각시켜 반응 생성물을 수득하는 단계;
상기 반응 생성물을 유기용매로 세척하는 단계; 및
상기 세척된 반응 생성물을 양이온 용액에 첨가하여 양이온 교환 반응을 수행하는 단계;를 포함하는,
금속-유기 다면체의 대량 제조방법.
trinuclear metal cluster precursor; organic linking ligand precursors; And a solvent; preparing a reaction mixture comprising;
Stirring the reaction mixture at room temperature in a sealed state;
heating the reaction mixture stirred at room temperature at a temperature of 30° C. to 100° C. for 10 hours to 20 hours, and then cooling the reaction mixture at room temperature to obtain a reaction product;
washing the reaction product with an organic solvent; and
Adding the washed reaction product to a cation solution to perform a cation exchange reaction;
A method for mass production of metal-organic polyhedrons.
상기 3핵성 금속클러스터 전구체는,
Cp2ZrCl2, Cp2ZrH2, Cp2ZrClH 및 Cp2ZrBr2으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
금속-유기 다면체의 대량 제조방법.
According to claim 1,
The trinuclear metal cluster precursor,
Cp 2 ZrCl 2 , Cp 2 ZrH 2 , Cp 2 ZrClH and Cp 2 ZrBr 2 To include one or more selected from the group consisting of,
A method for mass production of metal-organic polyhedrons.
상기 유기연결 리간드 전구체는,
하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것인,
금속-유기 다면체의 대량 제조방법:
[화학식 1]
여기서, R1 내지 R4는, 각각, 수소, 할로겐, 히드록시기(-OH), 탄소수 1 내지 50의 알킬기, 탄소수 2 내지 50의 알케닐기, 탄소수 1 내지 50의 알콕시기, 카르복실기(-COOH), 에테르기(-CH2OR, R은 탄소수 1 내지 50의 알킬기 또는 탄소수 2 내지 30의 알케닐기), 아민기(-NRR', R 및 R'은, 각각, 수소 또는 탄소수 1 내지 50의 알킬기), 니트로기(-NO2), 슬폰산기(-SO3H), 아지드기(-N3), 탄소수 1 내지 30의 알코올기, 탄소수 3 내지 30의 시클로알킬기, 탄소수 3 내지 30의 헤테로시클로알킬기, 탄소수 5 내지 30의 아릴기 또는 탄소수 5 내지 30의 헤테로아릴기이다.
According to claim 1,
The organic linking ligand precursor,
To include a compound represented by Formula 1,
Method for Mass Production of Metal-Organic Polyhedrons:
[Formula 1]
Here, R 1 to R 4 are, respectively, hydrogen, halogen, a hydroxy group (-OH), an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 50 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 50 carbon atoms, a carboxyl group (-COOH), An ether group (-CH 2 OR, R is an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms or an alkenyl group having 2 to 30 carbon atoms), an amine group (-NRR', R and R' are hydrogen or an alkyl group having 1 to 50 carbon atoms, respectively) , nitro group (-NO 2 ), sulfonic acid group (-SO 3 H), azide group (-N 3 ), alcohol group having 1 to 30 carbon atoms, cycloalkyl group having 3 to 30 carbon atoms, heterocyclo having 3 to 30 carbon atoms It is an alkyl group, a C5-C30 aryl group, or a C5-C30 heteroaryl group.
상기 용매는,
유기용매; 또는 유기용매 및 증류수를 포함하는 혼합용매;를 포함하고,
상기 유기용매는, N,N-디메틸아세트아미드(DMA), N,N'-디메틸포름아미드(DMF), N,N-디에틸포름아미드(DEF), 탄소수 1 내지 10의 알코올, 에틸렌 글리콜, 글리세롤, 시클로헥산올, 탄소수 2 내지 10의 케톤, 아세토니트릴, 디옥산, 클로로벤젠, 피리딘, N-메틸피롤리돈(NMP), 설포란, 테트라하이드로퓨란(THF), 감마-부티로락톤, 탄소수 1 내지 12의 알킬아민, 헥산, 헵탄, 옥탄, 톨루엔, 아세톤, 메틸에틸케톤, 클로로포름 및 디클로로메탄으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
금속-유기 다면체의 대량 제조방법.
According to claim 1,
The solvent is
organic solvent; Or a mixed solvent containing an organic solvent and distilled water;
The organic solvent is N,N-dimethylacetamide (DMA), N,N'-dimethylformamide (DMF), N,N-diethylformamide (DEF), alcohol having 1 to 10 carbon atoms, ethylene glycol, Glycerol, cyclohexanol, ketones having 2 to 10 carbon atoms, acetonitrile, dioxane, chlorobenzene, pyridine, N-methylpyrrolidone (NMP), sulfolane, tetrahydrofuran (THF), gamma-butyrolactone, It contains at least one selected from alkylamines having 1 to 12 carbon atoms, hexane, heptane, octane, toluene, acetone, methyl ethyl ketone, chloroform and dichloromethane,
A method for mass production of metal-organic polyhedrons.
상기 3핵성 금속클러스터 전구체 및 상기 유기연결 리간드 전구체의 몰비는,
1 : 0.1 내지 1 : 1인 것인,
금속-유기 다면체의 대량 제조방법.
According to claim 1,
The molar ratio of the trinuclear metal cluster precursor and the organic linking ligand precursor,
1: 0.1 to 1: 1,
A method for mass production of metal-organic polyhedrons.
상기 반응 생성물을 유기용매로 세척하는 단계;는,
3회 내지 8회 수행되는 것인,
금속-유기 다면체의 대량 제조방법.
According to claim 1,
Washing the reaction product with an organic solvent;
Which is performed 3 to 8 times,
A method for mass production of metal-organic polyhedrons.
상기 양이온 용액은,
디메틸암모늄 클로라이드, 디에틸암모늄 클로라이드, 비스(3-클로로-2-하이드록시프로필)디메틸암모늄 클로라이드, 비스(2,3-에폭시프로필)디메틸암모늄 클로라이드, 비스(2,3-디하이드록시프로필)디메틸암모늄 클로라이드, 아크릴옥시에틸 트리메틸암모늄 클로라이드, 아크릴아미도프로필트리메틸암모늄 클로라이드, 디알릴디에틸암모늄 클로라이드 및 디알릴디메틸암모늄 클로라이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
금속-유기 다면체의 대량 제조방법.
According to claim 1,
The cation solution,
Dimethylammonium Chloride, Diethylammonium Chloride, Bis(3-chloro-2-hydroxypropyl)dimethylammonium Chloride, Bis(2,3-epoxypropyl)dimethylammonium Chloride, Bis(2,3-dihydroxypropyl)dimethyl containing at least one selected from the group consisting of ammonium chloride, acryloxyethyl trimethylammonium chloride, acrylamidopropyltrimethylammonium chloride, diallyldiethylammonium chloride and diallyldimethylammonium chloride,
Mass production method of metal-organic polyhedra.
상기 양이온 용액의 농도는,
0.01 M 내지 1 M인 것인,
금속-유기 다면체의 대량 제조방법.
According to claim 1,
The concentration of the cation solution is,
0.01 M to 1 M,
A method for mass production of metal-organic polyhedrons.
상기 양이온 교환을 수행하는 단계;는,
1회 내지 5회 수행되는 것인,
금속-유기 다면체의 대량 제조방법.
According to claim 1,
Performing the cation exchange; is,
Which is performed 1 to 5 times,
A method for mass production of metal-organic polyhedrons.
상기 양이온 교환 반응을 수행하는 단계; 이후에,
상기 양이온 교환 반응이 수행된 반응 생성물을 세척 및 건조하는 단계;를 더 포함하고,
상기 세척은, 클로로포름, 디클로로메탄 및 아세톤으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 유기용매를 사용하여, 3회 내지 8회 수행되는 것인,
금속-유기 다면체의 대량 제조방법.
According to claim 1,
performing the cation exchange reaction; Since the,
Further comprising washing and drying the reaction product in which the cation exchange reaction has been performed,
The washing is performed 3 to 8 times using at least one organic solvent selected from the group consisting of chloroform, dichloromethane and acetone.
A method for mass production of metal-organic polyhedrons.
상기 금속-유기 다면체의 수득률은, 50 % 이상인 것인,
금속-유기 다면체의 대량 제조방법.
According to claim 1,
The yield of the metal-organic polyhedron is 50% or more,
A method for mass production of metal-organic polyhedrons.
상기 금속-유기 다면체의 최종 생성량은, 90 mg 내지 3,000 mg인 것인,
금속-유기 다면체의 대량 제조방법.
According to claim 1,
The final production amount of the metal-organic polyhedron is 90 mg to 3,000 mg,
A method for mass production of metal-organic polyhedrons.
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