WO2023176919A1 - 金属有機構造体 - Google Patents

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WO2023176919A1
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metal
organic
dicarboxylic acid
acid
mof
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PCT/JP2023/010265
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Inventor
進 北川
雅一 樋口
研一 大竹
悠太 菊地
Original Assignee
国立大学法人京都大学
住友化学株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/26—Drying gases or vapours
    • B01D53/28—Selection of materials for use as drying agents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/22—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material
    • B01J20/26—Synthetic macromolecular compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C63/00—Compounds having carboxyl groups bound to a carbon atoms of six-membered aromatic rings
    • C07C63/14—Monocyclic dicarboxylic acids
    • C07C63/15—Monocyclic dicarboxylic acids all carboxyl groups bound to carbon atoms of the six-membered aromatic ring
    • C07C63/26—1,4 - Benzenedicarboxylic acid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C63/00—Compounds having carboxyl groups bound to a carbon atoms of six-membered aromatic rings
    • C07C63/33—Polycyclic acids
    • C07C63/331—Polycyclic acids with all carboxyl groups bound to non-condensed rings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07F—ACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
    • C07F3/00—Compounds containing elements of Groups 2 or 12 of the Periodic Table
    • C07F3/02—Magnesium compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07F—ACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
    • C07F5/00—Compounds containing elements of Groups 3 or 13 of the Periodic Table
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07F—ACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
    • C07F5/00—Compounds containing elements of Groups 3 or 13 of the Periodic Table
    • C07F5/06—Aluminium compounds

Definitions

  • the present invention relates to a metal-organic framework.
  • Metal Organic Frameworks also called porous coordination polymers, are a type of material that forms porous structures through coordination bonds between metal ions and organic ligands. It is a material that is expected to be used for adsorbing and desorbing gases and for applications such as catalysts.
  • Patent Document 1 describes a metal-organic structure including a metal ion, a first ligand, a second ligand, and an optional third ligand, wherein the metal ion is aluminum. ion, and is an organic compound ion consisting of a heterocycle in which the first and second ligands have two carboxy groups, and the angle between the hetero atom and the carboxy group satisfies a predetermined condition, and the third coordination
  • a metal-organic structure is disclosed in which the child is an organic compound ion having two carboxyl groups, and the proportion of first to third ligands is within a predetermined range.
  • MOF metal-organic framework
  • an object of the present invention is to provide a MOF with excellent heat resistance.
  • the present invention that achieves the above object is as follows.
  • a structure S x consisting of one or more of O 2 - , OH 2 , OH - , OCH 3 - , and OC 2 H 5 - , and a metal ion, It has a structure S M- x in which two or more metal ions are bonded to one oxygen atom of the structure S x , There are two or more metal ions in the unit cell, A metal-organic structure having a water absorption rate A determined by formula (1) of 25% or more.
  • the metal-organic structure is composed of a structure S x and a metal ion, and has a cluster structure in which the metal ions are bonded to each other via an oxygen atom of the structure S x ,
  • [3] A group in which the organic ligand is an oxalate ion (COO ⁇ ) 2 and a carboxylate represented by R(COO ⁇ ) n (R is an n-valent group, n is an integer of 2 or more)
  • [4] The metal-organic structure according to any one of [1] to [3], wherein the structure S x consists of at least one selected from O 2- , OH 2 , OH - and OCH 3 - .
  • [5] The metal-organic structure according to any one of [1] to [4], wherein the metal ion is at least one metal ion selected from elements in periods 3 to 6 of the periodic table and in groups 2 to 14. body.
  • a MOF with excellent heat resistance can be provided.
  • the present invention provides an organic ligand , a structure S It has a structure S M ⁇ x in which two or more metal ions are bonded to one oxygen atom in x , there are two or more metal ions in the unit cell, and the water absorption rate A determined by formula (1) is 25%.
  • the above is the MOF.
  • Water absorption rate A (W 1 - W 2 )/W 2 (1)
  • W 1 represents the mass of the metal-organic structure after being left until the equilibrium moisture content is reached at a temperature of 25° C. and a relative humidity of 50%. (Represents the mass of the organometallic structure after being left at a temperature of 200°C for 1 hour.)
  • Structure S x is an oxygen atom portion that can coordinately bond to two or more metal ions and can serve as a ligand. Further, metal ions are bonded to O 2 ⁇ , OH 2 , OH ⁇ , OCH 3 ⁇ , and OC 2 H 5 ⁇ only through oxygen atoms, and no other groups are bonded to them. Having a structure S M ⁇ x in which two or more metal ions are bonded to one oxygen atom of structure S x, that is, having a structure in which metal ions gather together via the oxygen atom of structure S x This is thought to improve the heat resistance evaluated by the decomposition start temperature.
  • a high water absorption rate that is, strong resistance to water
  • a high water absorption rate means that the structure of the MOF itself is strong, and therefore, a high water absorption rate is also thought to contribute to the improvement of water resistance, which is evaluated by the decomposition initiation temperature. .
  • Two or more metal ions in a unit cell means that the metal ions in the smallest repeating unit of the repeating structure in the MOF, for example, the smallest repeating unit (unit cell) in the repeating bond between structure S x and metal. It means two or more.
  • the MOF has a so-called chain-type structure in which the structure S x and the metal are bonded in a line in this order multiple times (for example, the structure S x - metal - structure S x - metal - structure S x - metals, etc.), the structure S x - Metal can be considered as the smallest repeating unit, and since there is only one metal ion bonded to the structure S x , such a chain-type MOF is suitable for the present invention. is usually not included.
  • the structure S x preferably consists of at least one selected from O 2- , OH 2 , OH - and OCH 3 - , and more preferably consists of at least one selected from O 2- , OH 2 and OH -. Preferably, it is more preferably composed of two selected from O 2 - , OH 2 and OH - .
  • the MOF of the present invention preferably has a plurality of structures S M-x , and the structures S x in the plurality of structures S M-x may be the same or different.
  • the number of metal ions bonded to one oxygen atom in structure S x is 2 or more and usually 4 or less, and the metal ion species bonded to one oxygen atom in structure S x may be the same. However, they may be different.
  • the MOF of the present invention preferably has a cluster structure, and the cluster structure is a structure that is composed of metal ions and a structure S x and in which the metal ions are bonded to each other via the structure S x .
  • MOF is a structure having a metal ion and an organic ligand (however, it does not include OCH 3 - and OC 2 H 5 - to which groups other than metal ions are bonded), and the MOF of the present invention has a cluster structure. In this case, the cluster structures are bonded to each other via organic ligands.
  • the total number of O 2 ⁇ , OH 2 , and OH ⁇ in the structure S x is preferably 2 or more and 10 or less, more preferably 2 or more and 10 or less in one cluster structure. is 5 or more and 8 or less.
  • the total number of O 2 ⁇ , OH 2 , and OH ⁇ which is the structure S x , is within the above range, a cluster structure is likely to occur and the basic skeleton of the MOF is stabilized. As a result, the heat resistance of the MOF is improved.
  • the BET specific surface area of the MOF is preferably 495 cm 2 /g or more, more preferably 1000 cm 2 /g or more, and still more preferably 1200 cm 2 /g or more.
  • the upper limit of the BET specific surface area is not particularly limited, but is, for example, 2000 cm 2 /g or less.
  • the number of metal ions in one cluster structure is preferably 2 or more, more preferably 3 or more, and preferably 10 or less, more preferably 8 or less. It is particularly preferable that the number of metal ions in one cluster structure is 3 or 4, in which case the heat resistance is particularly improved. In addition, in the above-mentioned chain type, the number of metal ions in the cluster structure is counted as one.
  • the MOF of the present invention has a water absorption rate A of 25% or more, which is determined by the above formula (1).
  • the water absorption rate A is preferably 27% or more, and the upper limit is not particularly limited, but may be, for example, 45% or less, 40% or less, or 37% or less.
  • the metal ions constituting the MOF of the present invention are preferably ions of at least one metal selected from elements in periods 3 to 6 of the periodic table and in groups 2 to 14. Note that in this specification, metal is used to include semimetals such as Si and Ge.
  • the metal ions constituting the MOF are ions of at least one metal selected from the group consisting of Mg, Al, Ga, In, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, and Hf. More preferably, it is an ion of at least one metal selected from the group consisting of Al, Ti, Cu, In, and Mg, and even more preferably an ion of at least one metal selected from the group consisting of Al, In, and Mg. More preferably, it is an ion.
  • the organic ligands constituting the MOF are carboxylates represented by oxalate ions (COO ⁇ ) 2 and R(COO ⁇ ) n (R is an n-valent group, and n is an integer of 2 or more).
  • R is an aliphatic chain hydrocarbon group, an aliphatic cyclic hydrocarbon group, an aliphatic heterocyclic hydrocarbon group (a group in which one or more carbon atoms of an aliphatic cyclic hydrocarbon group are replaced with a heteroatom), aromatic A group hydrocarbon group or an aromatic heterocyclic hydrocarbon group (a group in which one or more carbon atoms of an aromatic hydrocarbon group is replaced with a hetero atom) is preferable.
  • the aliphatic chain hydrocarbon group may be linear or branched, and may be a saturated or unsaturated hydrocarbon group.
  • the heteroatom in the aliphatic heterocyclic hydrocarbon group or aromatic heterocyclic hydrocarbon group is preferably nitrogen.
  • n is preferably 2 or more and 4 or less, more preferably 2 or more and 3 or less, and most preferably 2.
  • Each of the above R 1 represents an alkyl group having 1 or 2 carbon atoms.
  • As the above-mentioned functional group X, -OH or -NH 2 is particularly preferred.
  • aromatic heterocyclic hydrocarbon group examples include pyrazole, imidazole, thiazole, oxazole, pyridine, pyrimidine, pyridazine, pyrazine, and triazine, with pyrazole being particularly preferred.
  • the R is at least one of an unsaturated linear hydrocarbon group, an aromatic hydrocarbon group, and a hydrocarbon group having an aromatic ring containing a nitrogen atom, and even if it has the above-mentioned functional group A good group is preferable, and an aromatic hydrocarbon group having no functional group X is more preferable.
  • the number of carbon atoms in R is preferably 1 or more, more preferably 2 or more, and preferably 30 or less.
  • the number of carbon atoms in R is preferably 6 or more, 10 or more, 15 or more, and 20 or more, and the upper limit may be 28 or less, 24 or less, 18 or less, or 10 or less. It may be.
  • the organic ligand constituting the MOF preferably contains at least one selected from the group consisting of oxalate ions (COO ⁇ ) 2 and carboxylates represented by R(COO ⁇ ) 2 .
  • examples include a dicarboxylic acid in which two protons have been removed from two carboxyl groups (-COOH) or a tricarboxylic acid in which three protons have been removed from three carboxyl groups.
  • dicarboxylic acids mentioned above include oxalic acid, succinic acid, fumaric acid, tartaric acid, 1,4-butanedicarboxylic acid, 1,4-butenedicarboxylic acid, 4-oxopyran-2,6-dicarboxylic acid, and 1,6-hexane.
  • Dicarboxylic acid decanedicarboxylic acid, 1,8-heptadecanedicarboxylic acid, 1,9-heptadecanedicarboxylic acid, heptadecanedicarboxylic acid, acetylene dicarboxylic acid, 1,2-benzenedicarboxylic acid (phthalic acid), 1,3- Benzenedicarboxylic acid (isophthalic acid), 2,3-pyridinedicarboxylic acid, 1,3-butadiene-1,4-dicarboxylic acid, 1,4-benzenedicarboxylic acid (terephthalic acid), 2-aminoterephthalic acid, 2,5 -dihydroxyterephthalic acid, imidazole-2,4-dicarboxylic acid, 3,5-pyrazoledicarboxylic acid, 2-methylquinoline-3,4-dicarboxylic acid, quinoline-2,4-dicarboxylic acid, quinoxaline-2,3-dicarboxylic acid acid, 6-chloroquino
  • tricarboxylic acids examples include tricarballylic acid, aconitic acid, trimellitic acid, trimesic acid, biphenyl-3,4',5-tricarboxylic acid, and 1,3,5-tris(4-carboxyphenyl)benzene. and 1,3,5-tris(4-carboxyphenyl)benzene is preferred.
  • the MOF of the present invention further contains an organic ligand of a type different from the carboxylate represented by oxalate ion (COO ⁇ ) 2 and R(COO ⁇ ) n described above.
  • organic ligands may include at least one selected from the group consisting of urea, pyrazine, oxazole, isoxazole, thiazole, imidazole, pyrazole, 1,2,3-thiadiazole, pyridazine, pyrimidine, purine, and pteridine.
  • One type is mentioned.
  • the molar ratio of metal ions (metal ions/organic ligands) to organic ligands (total amount in case of multiple types) is preferably 0.5 or more, more preferably 1.0 or more, and even more preferably is preferably 2.0 or more, and preferably 5 or less, more preferably 4 or less, and still more preferably 3 or less.
  • the MOF of the present invention can be obtained by reacting a metal compound containing metal ions constituting the MOF with one or more organic compounds serving as organic ligands constituting the MOF in a solvent.
  • the metal compound containing metal ions constituting the MOF is preferably a metal sulfate, acetate, nitrate, chloride, or alkoxide, more preferably a nitrate or chloride, and even more preferably a nitrate.
  • the organic compound serving as the organic ligand constituting the MOF is preferably one or more selected from the group consisting of oxalic acid and a polyhydric carboxylic acid represented by R(COOH) n .
  • R and n have the same meanings as R and n in the carboxylate represented by R(COO ⁇ ) n above, and all explanations of R and n above, including preferred embodiments, can be referred to.
  • the organic compound preferably contains at least one selected from the group consisting of tricarboxylic acids and dicarboxylic acids, and specific examples thereof include tricarboxylic acids and dicarboxylic acids as explained in the carboxylate represented by R(COO ⁇ ) n . , including preferred ranges.
  • the organic compound serving as an organic ligand may further include urea, pyrazine, oxazole, isoxazole, It is preferable to use at least one selected from the group consisting of thiazole, imidazole, pyrazole, 1,2,3-thiadiazole, pyridazine, pyrimidine, purine, and pteridine.
  • the solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the metal compound and the organic compound serving as the organic ligand, and an appropriate solvent can be selected from water and organic solvents.
  • the solvent is preferably water; an alcohol solvent such as methanol; or an amide solvent such as dimethylformamide or dimethylacetamide, and more preferably contains at least an amide solvent. It is thought that the structure S x of the MOF of the present invention is derived from these solvents or from moisture in the air during the manufacturing process.
  • the ratio of the metal compound to the solvent is preferably 0.01 mol/L or more, more preferably 0.02 mol/L or more, even more preferably 0.05 mol/L or more, Moreover, it is preferably 1 mol/L or less, more preferably 0.5 mol/L or less, and still more preferably 0.2 mol/L or less.
  • the ratio of the organic compound serving as the organic ligand to the solvent (organic compound/solvent) is preferably 0.005 mol/L or more, more preferably 0.01 mol/L or more, and still more preferably 0.005 mol/L or more. It is preferably at least .02 mol/L and at most 3 mol/L, more preferably at most 1 mol/L, and even more preferably at most 0.1 mol/L.
  • the ratio of the molar amount of the metal atom in the metal compound to the molar amount of the organic compound is equal to the molar ratio of the metal ion to the organic ligand in the MOF described above. Just adjust it.
  • the metal compound and the organic compound serving as the organic ligand in (i) above it is important to completely dissolve the metal compound and the organic compound. Specifically, when mixing the metal compound and the organic compound at once, it is preferable that the solution be sufficiently stirred by, for example, stirring for 2 minutes or more (for example, ultrasonication) after mixing. It is also preferable to first completely dissolve either the metal compound or the organic compound in the solvent, then add the other, and then stir for 5 minutes or more.
  • the stirring temperature after mixing the metal compound in (ii) and the organic compound serving as the organic ligand may be at least room temperature, and the subsequent standing conditions are 100°C to 200°C for 10 hours to It is preferable to set it as about 6 days.
  • the solvent contains an amide solvent such as dimethylformamide and dimethylacetamide.
  • the MOF of the present invention is suitably used for adsorption and removal of gases and organic molecules, for example.
  • gases include carbon dioxide, hydrogen, carbon monoxide, oxygen, nitrogen, hydrocarbons having 1 to 4 carbon atoms, rare gases, hydrogen sulfide, ammonia, sulfur oxides, nitrogen oxides, and siloxane.
  • organic molecules include hydrocarbons having 5 to 8 carbon atoms, alcohols having 1 to 8 carbon atoms, aldehydes having 1 to 8 carbon atoms, carboxylic acids having 1 to 8 carbon atoms, ketones having 1 to 8 carbon atoms, and carbon atoms having 1 to 8 carbon atoms.
  • examples include amines having 1 to 8 carbon atoms, esters having 1 to 8 carbon atoms, amides having 1 to 8 carbon atoms, and the like.
  • the organic molecule may include an aromatic ring.
  • Example 1 In a 50 mL SUS-304 pressure-resistant container (including a Teflon (registered trademark) inner tube), 0.348 mmol of In(NO 3 ) 3 ⁇ 5H 2 O and 0.955 mmol of Mg(NO 3 ) 2 ⁇ 6H 2 O, 0.518 mmol of 1,3,5-tris(4-carboxyphenyl)benzene, 2.5 ml of water, and 13.5 ml of dimethylacetamide were mixed at room temperature with stirring, and then sonicated for 3 minutes. and completely dissolved. Thereafter, it was allowed to stand at 100°C for 5 days. The resulting precipitated solid was washed and filtered three times with 10 mL of dimethylacetamide, and the resulting filter cake was dried at room temperature for 3 days to obtain 0.27 g of product (yield: 99%).
  • Example 2 In a 100 mL SUS-304 pressure-resistant container (including a Teflon (registered trademark) inner cylinder tube), 5.1 mmol of AlCl 3 , 2.089 mmol of terephthalic acid, and 60 ml of dimethylformamide were all mixed, and the Completely dissolved by applying ultrasonic waves for a minute. Thereafter, it was allowed to stand at 110°C for 20 hours. The obtained precipitated solid was washed and filtered three times with 30 mL of dimethylformamide, and the obtained filter cake was dried under reduced pressure in a vacuum drying oven at 60°C for 30 minutes and at 150°C for 12 hours to reduce the product material to 0. 42g was obtained (yield 99%).
  • Comparative example 1 In a 100 mL SUS-304 pressure-resistant container (including a Teflon (registered trademark) inner tube), 0.5 mmol of terephthalic acid, 3.691 mmol of Al(NO 3 ) 3.9H 2 O, and 40.2 ml of Methanol was mixed and 1.8 ml of 2M NaOH in methanol was added at room temperature and mixed at 25°C. Thereafter, it was allowed to stand at 125°C for 20 hours. The resulting precipitated solid was washed and filtered three times with 30 ml of methanol, and the resulting filter cake was dried at room temperature for 72 hours to obtain 0.17 g of product (yield: 99%).
  • Comparative example 2 In a 20 ml eggplant flask, 5.129 mmol of AlCl 3 .6H 2 O, 5.2 mmol of NaOH, and 10 ml of ion exchange water were mixed, and 5.136 mmol of 2,5-furandicarboxylic acid was added. Thereafter, the mixture was refluxed at 100°C for 24 hours to obtain a suspension. The resulting precipitated solid was centrifuged and washed three times with 10 ml of water, and the resulting cake was dried in a vacuum drying oven at 30°C for 24 hours to obtain 1.19 g of product (yield: 90 %).
  • Comparative example 3 In a 50 mL SUS-304 pressure-resistant container (including a Teflon (registered trademark) inner tube), 5.468 mmol of Al(NO 3 ) 3.9H 2 O and 23 ml of ion-exchanged water were mixed, and .396 mmol of terephthalic acid was added, and the mixture was allowed to stand at 150° C. for 5 hours. The obtained precipitated solid was washed and filtered three times with 30 ml of water, and the obtained filter cake was dried at 80° C. for 24 hours and at 130° C. for 24 hours to obtain 0.83 g of product (yield: 73 .7%).

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Abstract

耐熱性に優れるＭＯＦを提供することを目的とする。有機配位子と、Ｏ２－、ＯＨ２、ＯＨ－、ＯＣＨ３ －、及びＯＣ２Ｈ５ －の１種以上からなる構造Ｓｘと、金属イオンとで構成され、構造Ｓｘの１つの酸素原子に２つ以上の金属イオンが結合した構造ＳＭ－ｘを有し、単位格子中の金属イオンが２つ以上であり、式（１）で求まる吸水率Ａが２５％以上である金属有機構造体。　吸水率Ａ＝（Ｗ１－Ｗ２）／Ｗ２　…（１） （式中、Ｗ１は、温度２５℃相対湿度５０％の条件で平衡含水率になるまで放置した後の金属有機構造体の質量を表す。式中、Ｗ２は、質量Ｗ１を求めた有機金属構造体を温度２００℃で１時間放置した後の質量を表す。）

Description

金属有機構造体
　本発明は、金属有機構造体に関する。
　金属有機構造体（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｆｒａｍｅｗｏｒｋｓ）は、多孔性配位高分子（Ｐｏｒｏｕｓ　Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ　Ｐｏｌｙｍｅｒ）とも呼ばれ、金属イオンと有機配位子との配位結合により多孔性の構造を形成する材料の一つであり、ガスを吸脱着したり、触媒等への応用が期待されている材料である。
　例えば、特許文献１には、金属イオンと、第１の配位子と、第２の配位子と、随意の第３の配位子を含む金属有機構造体であって、金属イオンがアルミニウムイオンであり、第１及び第２の配位子が２つのカルボキシ基を有するヘテロ環からなる有機化合物イオンであり、ヘテロ原子とカルボキシ基がなす角が所定の条件を満たし、第３の配位子が２つのカルボキシ基を有する有機化合物イオンであり、第１～第３の配位子の存在割合が所定範囲である金属有機構造体が開示されている。
特開２０２０－１７６１０１号公報
　金属有機構造体（以下、ＭＯＦと呼ぶ場合がある）は、高温環境下で用いられることがあり、耐熱性に優れることが好ましい。しかし、従来提案されているＭＯＦの耐熱性には未だ改善点があった。
　そこで、本発明は耐熱性に優れるＭＯＦを提供することを目的とする。
　上記課題を達成した本発明は以下の通りである。
［１］有機配位子と、Ｏ２－、ＯＨ２、ＯＨ－、ＯＣＨ３ －、及びＯＣ２Ｈ５ －の１種以上からなる構造Ｓｘと、金属イオンとで構成され、
　構造Ｓｘの１つの酸素原子に２つ以上の金属イオンが結合した構造ＳＭ－ｘを有し、
　単位格子中の金属イオンが２つ以上であり、
　式（１）で求まる吸水率Ａが２５％以上である金属有機構造体。
　吸水率Ａ＝（Ｗ１－Ｗ２）／Ｗ２　　　　　　　…（１）
（式中、Ｗ１は、温度２５℃相対湿度５０％の条件で平衡含水率になるまで放置した後の金属有機構造体の質量を表す。式中、Ｗ２は、質量Ｗ１を求めた有機金属構造体を温度２００℃で１時間放置した後の質量を表す。）
［２］金属有機構造体は、構造Ｓｘと金属イオンとで構成され、且つ、金属イオン同士が構造Ｓｘの酸素原子を介して結合しているクラスター構造を有し、
　１つのクラスター構造中の金属イオンが３つ又は４つである［１］に記載の金属有機構造体。
［３］有機配位子が、シュウ酸イオン（ＣＯＯ－）２及びＲ（ＣＯＯ－）ｎ（Ｒはｎ価の基であり、ｎは２以上の整数）で表されるカルボキシレートよりなる群から選択される少なくとも１種を含む［１］または［２］に記載の金属有機構造体。
［４］構造Ｓｘが、Ｏ２－、ＯＨ２、ＯＨ－及びＯＣＨ３ －から選ばれる少なくとも１種からなる［１］～［３］のいずれかに記載の金属有機構造体。
［５］金属イオンが、周期表第３～６周期、かつ第２～１４族の元素から選ばれる少なくとも１種の金属イオンである［１］～［４］のいずれかに記載の金属有機構造体。
　本発明によれば、耐熱性に優れたＭＯＦを提供できる。
　本発明は、有機配位子と、Ｏ２－、ＯＨ２、ＯＨ－、ＯＣＨ３ －、及びＯＣ２Ｈ５ －の１種以上からなる構造Ｓｘと、金属イオンとで構成され、構造Ｓｘの１つの酸素原子に２つ以上の金属イオンが結合した構造ＳＭ－ｘを有し、単位格子中の金属イオンが２つ以上であり、式（１）で求まる吸水率Ａが２５％以上であるＭＯＦである。
　吸水率Ａ＝（Ｗ１－Ｗ２）／Ｗ２　　　　　　　…（１）
（式中、Ｗ１は、温度２５℃相対湿度５０％の条件で平衡含水率になるまで放置した後の金属有機構造体の質量を表す。式中、Ｗ２は、質量Ｗ１を求めた有機金属構造体を温度２００℃で１時間放置した後の質量を表す。）
　構造Ｓｘは、酸素原子の部分で、２つ以上の金属イオンに配位結合することが可能であり、配位子となり得る。また、Ｏ２－、ＯＨ２、ＯＨ－、ＯＣＨ３ －、及びＯＣ２Ｈ５ －には、酸素原子にて金属イオンが結合するのみで、他の基は結合していない。構造Ｓｘの１つの酸素原子に２つ以上の金属イオンが結合した構造ＳＭ－ｘを有することで、すなわち金属イオン同士が構造Ｓｘの酸素原子を介して集まる構造を有していることで、分解開始温度で評価される耐熱性が向上すると考えられる。また吸水率が高い、すなわち水への耐性が強いことは、ＭＯＦの構造自体が強いことを意味し、よって吸水率が高いことも分解開始温度で評価される耐水性の向上に寄与すると考えられる。
　単位格子中の金属イオンが２つ以上であるとは、ＭＯＦにおける繰り返し構造の最小の繰り返し単位、例えば構造Ｓｘと金属との結合の繰り返しにおける最小の繰り返し単位（単位格子）中の金属イオンが２つ以上であることを意味する。従って、ＭＯＦが、例えば構造Ｓｘと金属がこの順で複数回繰り返して線上に結合する、いわゆるチェーン型の構造を有する場合（例えば、構造Ｓｘ－金属－構造Ｓｘ－金属－構造Ｓｘ－金属など）には、構造Ｓｘ－金属を最小の繰り返し単位と考えることができ、構造Ｓｘに結合する金属イオンは１つであるから、このようなチェーン型のＭＯＦは、本発明には通常含まれない。
　構造Ｓｘは、Ｏ２－、ＯＨ２、ＯＨ－及びＯＣＨ３ －から選ばれる少なくとも１種からなることが好ましく、Ｏ２－、ＯＨ２及びＯＨ－から選ばれる少なくとも１種からなることがより好ましく、Ｏ２－、ＯＨ２及びＯＨ－から選ばれる２種からなることが更に好ましい。本発明のＭＯＦは、複数の構造ＳＭ－ｘを有していることが好ましく、複数の構造ＳＭ－ｘ中の構造Ｓｘは互いに同一であってもよいし、異なっていてもよい。
　構造Ｓｘの１つの酸素原子に結合する金属イオンの数は、２つ以上であり、通常４以下であり、構造Ｓｘの１つの酸素原子に結合する金属イオン種は同一であってもよいし、異なっていてもよい。
　本発明のＭＯＦは、クラスター構造を有していることが好ましく、クラスター構造とは、金属イオンと構造Ｓｘとで構成され、かつ金属イオン同士が構造Ｓｘを介して結合している構造を意味する。ＭＯＦは、金属イオンと有機配位子（但し、金属イオン以外の基が結合しないＯＣＨ３ －及びＯＣ２Ｈ５ －は含まない）を有する構造体であり、本発明のＭＯＦがクラスター構造を有している場合、クラスター構造同士は有機配位子を介して結合している。
　ＭＯＦがクラスター構造を有している場合、構造Ｓｘである、Ｏ２－、ＯＨ２、およびＯＨ－の合計数は、１つのクラスター構造において、２以上１０以下であることが好ましく、より好ましくは５以上８以下である。構造Ｓｘである、Ｏ２－、ＯＨ２、およびＯＨ－の合計数が、上記範囲内にある事で、クラスター構造が生じやすくなりＭＯＦの基本骨格が安定する。その結果、ＭＯＦの耐熱性が向上する。
　ＭＯＦのＢＥＴ比表面積は、４９５ｃｍ２／ｇ以上が好ましく、１０００ｃｍ２／ｇ以上がより好ましく、更に好ましくは、１２００ｃｍ２／ｇ以上である。ＢＥＴ比表面積の上限は特に限定されないが、例えば２０００ｃｍ２／ｇ以下である。
　ＭＯＦがクラスター構造を有している場合、１つのクラスター構造中の金属イオンの数は、２以上が好ましく、３以上がより好ましく、また１０以下が好ましく、８以下がより好ましい。１つのクラスター構造中の金属イオンの数は、３又は４であることが特に好ましく、このとき特に耐熱性が向上する。なお、上記したチェーン型では、クラスター構造中の金属イオンの数は１とカウントする。
　また上述した通り、本発明のＭＯＦは上記式（１）で求まる吸水率Ａが２５％以上である。吸水率Ａは、２７％以上が好ましく、また上限は特に限定されないが、例えば４５％以下であってもよいし、４０％以下であってもよいし、３７％以下であってもよい。
　上記式（１）中のＷ１を測定するに際して、平衡含水率になるまで放置するためには、後述の実施例で行っているように、温度２５℃、相対湿度５０％の大気雰囲気下で１２時間放置すればよい。また、Ｗ２を測定するに際して、質量Ｗ１を求めた有機金属構造体を２００℃まで昇温する際の昇温速度は、５℃／分とすることが好ましい。
　本発明のＭＯＦを構成する金属イオンは、周期表第３～６周期、かつ第２～１４族の元素から選ばれる少なくとも１種の金属のイオンであることが好ましい。なお、本明細書において、金属とは、Ｓｉ、Ｇｅなどの半金属も含む意味で用いる。ＭＯＦを構成する金属イオンは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ及びＨｆよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属のイオンであることがより好ましく、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｉｎ及びＭｇよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属のイオンであることが更に好ましく、Ａｌ、Ｉｎ及びＭｇよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属イオンであることが一層好ましい。
　ＭＯＦを構成する有機配位子は、シュウ酸イオン（ＣＯＯ－）２及びＲ（ＣＯＯ－）ｎ（Ｒはｎ価の基であり、ｎは２以上の整数）で表されるカルボキシレート（カルボキシラト）よりなる群から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。Ｒは脂肪族鎖状炭化水素基、脂肪族環状炭化水素基、脂肪族ヘテロ環状炭化水素基（脂肪族環状炭化水素基の炭素原子の一個又は二個以上がヘテロ原子に置き換わった基）、芳香族炭化水素基、芳香族複素環炭化水素基（芳香族炭化水素基の炭素原子の一個又は二個以上がヘテロ原子に置き換わった基）であることが好ましい。脂肪族鎖状炭化水素基は、直鎖状であっても分岐鎖状であってもよいし、飽和炭化水素基であっても不飽和炭化水素基であってもよい。脂肪族ヘテロ環状炭化水素基または芳香族複素環炭化水素基におけるヘテロ原子は窒素であることが好ましい。
　ｎは２以上、４以下が好ましく、２以上３以下がより好ましく、２であることが最も好ましい。
　上記した脂肪族鎖状炭化水素基、脂肪族環状炭化水素基、脂肪族ヘテロ環状炭化水素基、芳香族炭化水素基、芳香族複素環炭化水素基は、更に無水カルボン酸基、－ＯＨ、－ＯＲ１、－ＮＨ２、－ＮＨＲ１、－Ｎ（Ｒ１）２、－ＣＮ、ハロゲノ基、－Ｃ（＝Ｓ）ＳＨ、－Ｃ（＝Ｏ）ＳＨ及びその互変異性体、－ＳＯ３Ｈよりなる群から選択される１種以上である官能基Ｘを含んでいてもよい。前記Ｒ１はいずれも炭素数１または２のアルキル基を表す。前記した官能基Ｘとしては、特に－ＯＨ又は－ＮＨ２が好ましい。
　また芳香族複素環炭化水素基は、ピラゾール、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、ピリジン、ピリミジン、ピリダジン、ピラジン、トリアジンなどが挙げられ、ピラゾールが特に好ましい。
　前記Ｒは、不飽和直鎖状炭化水素基、芳香族炭化水素基、及び窒素原子を含む芳香環を有する炭化水素基の少なくとも１種であって、上記した官能基Ｘを有していてもよい基であることが好ましく、芳香族炭化水素基であって官能基Ｘを有していないものがより好ましい。
　前記Ｒの炭素原子の数は１以上であることが好ましく、より好ましくは２以上であり、また３０以下であることが好ましい。前記Ｒの炭素原子の数は、更に６以上、１０以上、１５以上、２０以上の順に好ましく、上限は２８以下であってもよいし、２４以下であってもよいし、１８以下または１０以下であってもよい。
　特に、ＭＯＦを構成する有機配位子は、シュウ酸イオン（ＣＯＯ－）２及びＲ（ＣＯＯ－）２で表されるカルボキシレートよりなる群から選択される少なくとも１種を含むことが好ましく、具体的には、ジカルボン酸の２つのカルボキシル基（－ＣＯＯＨ）からプロトンが２個脱離したもの又はトリカルボン酸の３つのカルボキシル基からプロトンが３個脱離したものが挙げられる。
　前記したジカルボン酸としては、シュウ酸、コハク酸、フマル酸、酒石酸、１，４－ブタンジカルボン酸、１，４－ブテンジカルボン酸、４－オキソピラン－２，６－ジカルボン酸、１，６－ヘキサンジカルボン酸、デカンジカルボン酸、１，８－ヘプタデカンジカルボン酸、１，９－ヘプタデカンジカルボン酸、ヘプタデカンジカルボン酸、アセチレンジカルボン酸、１，２－ベンゼンジカルボン酸（フタル酸）、１，３－ベンゼンジカルボン酸（イソフタル酸）、２，３－ピリジンジカルボン酸、１，３－ブタジエン－１，４－ジカルボン酸、１，４－ベンゼンジカルボン酸（テレフタル酸）、２－アミノテレフタル酸、２，５－ジヒドロキシテレフタル酸、イミダゾール－２，４－ジカルボン酸、３，５－ピラゾールジカルボン酸、２－メチルキノリン－３，４－ジカルボン酸、キノリン－２，４－ジカルボン酸、キノキサリン－２，３－ジカルボン酸、６－クロロキノキサリン－２，３－ジカルボン酸、４，４’－ジアミノジフェニルメタン－３，３’－ジカルボン酸、キノリン－３，４－ジカルボン酸、７－クロロ－４－ヒドロキシキノリン－２，８－ジカルボン酸、ジイミドジカルボン酸、ピリジン－２，６－ジカルボン酸、２－メチルイミダゾール－４，５－ジカルボン酸、チオフェン－３，４－ジカルボン酸、２－イソプロピルイミダゾール－４，５－ジカルボン酸、テトラヒドロピラン－４，４－ジカルボン酸、ぺリレン－３，９－ジカルボン酸、ぺリレンジカルボン酸、プルリオールＥ２００－ジカルボン酸、３，６－ジオキサオクタンジカルボン酸、３，５－シクロヘキサジエン－１，２－ジカルボン酸、オクタンジカルボン酸、ペンタン－３，３－カルボン酸、４，４’－ジアミノ－１，１’－ビフェニル－３，３’－ジカルボン酸、４，４’－ジアミノビフェニル－３，３’－ジカルボン酸、ベンジジン－３，３’－ジカルボン酸、１，４－ビス（フェニルアミノ）ベンゼン－２，５－ジカルボン酸、１，１’－ビナフチルジカルボン酸、７－クロロ－８－メチルキノリン－２，３－ジカルボン酸、１－アニリノアントラキノン－２，４’－ジカルボン酸、ポリテトラヒドロフラン２５０－ジカルボン酸、１，４－ビス（カルボキシメチル）ピペラジン－２，３－ジカルボン酸、７－クロロキノリン－３，８－ジカルボン酸、１－（４－カルボキシ）フェニル－３－（４－クロロ）フェニルピラゾリン－４，５－ジカルボン酸、１，４，５，６，７，７－ヘキサクロロ－５－ノルボルネン－２，３－ジカルボン酸、フェニルインダンジカルボン酸、１，３－ジベンジル－２－オキソイミダゾリジン－４，５－ジカルボン酸、１，４－シクロヘキサンジカルボン酸、ナフタレン－１，８－ジカルボン酸、２－ベンゾイルベンゼン－１，３－ジカルボン酸、１，３－ジベンジル－２－オキソイミダゾリジン－４，５－ｃｉｓ－ジカルボン酸、２，２’－ビキノリン－４，４’－ジカルボン酸、ピリジン－３，４－ジカルボン酸、３，６，９－トリオキサウンデカンジカルボン酸、ヒドロキシベンゾフェノンジカルボン酸、プルリオールＥ３００－ジカルボン酸、プルリオールＥ４００－ジカルボン酸、プルリオールＥ６００－ジカルボン酸、ピラゾール－３，４－ジカルボン酸、２，３－ピラジンジカルボン酸、５，６－ジメチル－２，３－ピラジンジカルボン酸、ビス（４－アミノフェニル）エーテルジイミド－ジカルボン酸、４，４’－ジアミノジフェニルメタンジイミド－ジカルボン酸、ビス（４－アミノフェニル）スルホンジイミド－ジカルボン酸、１，４－ナフタレンジカルボン酸、２，６－ナフタレンジカルボン酸、１，３－アダマンタンジカルボン酸、１，８－ナフタレンジカルボン酸、２，３－ナフタレンジカルボン酸、８－メトキシ－２，３－ナフタレンジカルボン酸、８－ニトロ－２，３－ナフタレンジカルボン酸、８－スルホ－２，３－ナフタレンジカルボン酸、アントラセン－２，３－ジカルボン酸、２’，３’－ジフェニル－ｐ－ターフェニル－４，４’’－ジカルボン酸、（ジフェニルエーテル）－４，４’－ジカルボン酸、イミダゾール－４，５－ジカルボン酸、４（１Ｈ）－オキソチオクロメン－２，８－ジカルボン酸、５－ｔｅｒｔ－ブチル－１，３－ベンゼンジカルボン酸、７，８－キノリンジカルボン酸、４，５－イミダゾールジカルボン酸、４－シクロヘキセン－１，２－ジカルボン酸、ヘキサトリアコンタンジカルボン酸、テトラデカンジカルボン酸、１，７－ヘプタンジカルボン酸、５－ヒドロキシ－１，３－ベンゼンジカルボン酸、２，５－ジヒドロキシ－１，４－ベンゼンジカルボン酸、ピラジン－２，３－ジカルボン酸、フラン－２，５－ジカルボン酸、１－ノネン－６，９－ジカルボン酸、エイコセンジカルボン酸、４，４’－ジヒドロキシ－ジフェニルメタン－３，３’－ジカルボン酸、１－アミノ－４－メチル－９，１０－ジオキソ－９，１０－ジヒドロアントラセン－２，３－ジカルボン酸、２，５－ピリジンジカルボン酸、シクロヘキセン－２，３－ジカルボン酸、２，９－ジクロロフルオルビン－４，１１－ジカルボン酸、７－クロロ－３－メチルキノリン－６，８－ジカルボン酸、２，４－ジクロロベンゾフェノン－２’，５’－ジカルボン酸、１，３－ベンゼンジカルボン酸、２，６－ピリジンジカルボン酸、１－メチルピロール－３，４－ジカルボン酸、１－ベンジル－１Ｈ－ピロール－３，４－ジカルボン酸、アントラキノン－１，５－ジカルボン酸、３，５－ピラゾールジカルボン酸、２－ニトロベンゼン－１，４－ジカルボン酸、ヘプタン－１，７－ジカルボン酸、シクロブタン－１，１－ジカルボン酸、１，１４－テトラデカンジカルボン酸、５，６－デヒドロノルボルナン－２，３－ジカルボン酸、５－エチル－２，３－ピリジンジカルボン酸又はカンファージカルボン酸等が挙げられる。中でもテレフタル酸が最も好ましい。
　前記したトリカルボン酸としては、トリカルバリル酸、アコニット酸、トリメリット酸、トリメシン酸、ビフェニル－３，４’，５－トリカルボン酸、１，３，５－トリス（４－カルボキシフェニル）ベンゼン等が挙げられ、１，３，５－トリス（４－カルボキシフェニル）ベンゼンが好ましい。
　本発明のＭＯＦを構成する有機配位子として、シュウ酸イオン（ＣＯＯ－）２及び前記したＲ（ＣＯＯ－）ｎで表されるカルボキシレートとは異なる種の有機配位子を更に含んでいてもよく、このような有機配位子としては、尿素、ピラジン、オキサゾール、イソオキサゾール、チアゾール、イミダゾール、ピラゾール、１，２，３－チアジアゾール、ピリダジン、ピリミジン、プリン、プテリジンよりなる群から選ばれる少なくとも１種が挙げられる。
　有機配位子（複数種の場合には合計量）に対する金属イオンのモル比（金属イオン／有機配位子）は、０．５以上が好ましく、より好ましくは１．０以上であり、更に好ましくは２．０以上であり、また５以下であることが好ましく、より好ましくは４以下であり、更に好ましくは３以下である。
　次に、本発明のＭＯＦの製造方法について説明する。本発明のＭＯＦは、ＭＯＦを構成する金属イオンを含有する金属化合物と、ＭＯＦを構成する有機配位子となる１種以上の有機化合物を溶媒中で反応させることにより得ることができる。
　ＭＯＦを構成する金属イオンを含有する金属化合物は、金属の硫酸塩、酢酸塩、硝酸塩、塩化物、又はアルコキシドであることが好ましく、硝酸塩又は塩化物がより好ましく、硝酸塩が更に好ましい。
　ＭＯＦを構成する有機配位子となる有機化合物は、シュウ酸及びＲ（ＣＯＯＨ）ｎで表される多価カルボン酸よりなる群から選択される１種以上であることが好ましい。Ｒ及びｎは、上記のＲ（ＣＯＯ－）ｎで表されるカルボキシレートにおけるＲ及びｎと同義であり、好ましい態様も含めて上記のＲ、ｎの説明を全て参照できる。
　有機化合物はトリカルボン酸及びジカルボン酸よりなる群から選択される少なくとも１種を含むことが好ましく、その具体例は、Ｒ（ＣＯＯ－）ｎで表されるカルボキシレートにおいて説明したトリカルボン酸及びジカルボン酸を、好ましい範囲も含めて参照できる。
　有機配位子となる有機化合物として、シュウ酸及びＲ（ＣＯＯＨ）ｎで表される多価カルボン酸よりなる群から選択される１種以上に加えて更に、尿素、ピラジン、オキサゾール、イソオキサゾール、チアゾール、イミダゾール、ピラゾール、１，２，３－チアジアゾール、ピリダジン、ピリミジン、プリン、プテリジンよりなる群から選ばれる少なくとも１種を用いることが好ましい。
　溶媒は、金属化合物及び有機配位子となる有機化合物を溶解できる溶媒であれば特に限定されず、水及び有機溶媒の中から適切なものを選択できる。溶媒は、水；メタノール等のアルコール系溶媒；ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等のアミド系溶媒が好ましく、少なくともアミド系溶媒を含むことがより好ましい。本発明のＭＯＦが有する構造Ｓｘは、これら溶媒に由来するものであるか、または製造工程における空気中の水分に由来するものと考えられる。
　金属化合物の溶媒に対する比率（金属化合物／溶媒）は、０．０１ｍｏｌ／Ｌ以上であることが好ましく、より好ましくは０．０２ｍｏｌ／Ｌ以上であり、更に好ましくは０．０５ｍｏｌ／Ｌ以上であり、また１ｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましく、より好ましくは０．５ｍｏｌ／Ｌ以下であり、更に好ましくは０．２ｍｏｌ／Ｌ以下である。
　また、有機配位子となる有機化合物の溶媒に対する比率（有機化合物／溶媒）は、０．００５ｍｏｌ／Ｌ以上であることが好ましく、より好ましくは０．０１ｍｏｌ／Ｌ以上であり、更に好ましくは０．０２ｍｏｌ／Ｌ以上であり、また３ｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましく、より好ましくは１ｍｏｌ／Ｌ以下であり、更に好ましくは０．１ｍｏｌ／Ｌ以下である。
　金属化合物と有機化合物のモル比については、有機化合物のモル量に対する金属化合物中の金属原子のモル量の比率が、前記したＭＯＦ中の有機配位子に対する金属イオンのモル比と等しくなるように調整すればよい。
　本発明のＭＯＦを得るためには、特に（i）金属化合物と有機配位子となる有機化合物の混合条件、（ii）金属化合物と有機配位子となる有機化合物を混合した後の撹拌又は静置温度、（iii）金属化合物と有機配位子となる有機化合物の反応生成物の後処理条件のうちの少なくともいずれかを適切に調整することが重要である。
　前記（i）の金属化合物と有機配位子となる有機化合物の混合では、金属化合物と有機化合物を完全に溶解させておくことが重要である。具体的には、金属化合物と有機化合物を一気に混合する場合には、混合後、例えば２分以上の撹拌処理（例えば超音波処理）を行って溶液が十分に撹拌されることが好ましい。また、金属化合物と有機化合物のいずれか一方をまず溶媒に完全に溶解させてから、他方を添加して、その後に５分以上撹拌操作することも好ましい。
　前記（ii）の金属化合物と有機配位子となる有機化合物を混合した後の撹拌温度は、室温以上であればよく、またその後の静置条件は、１００℃～２００℃で、１０時間～６日程度とすることが好ましい。
　前記（iii）の金属化合物と有機配位子となる有機化合物の反応生成物の後処理条件について、金属化合物と有機化合物の反応時の溶媒で３回以上洗浄することが好ましい。この時、特に溶媒がジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなどのアミド系溶媒を含むことが好ましい。
　本発明のＭＯＦは、例えばガスや有機分子の吸着及び除去に好適に用いられる。ガスとしては、例えば二酸化炭素、水素、一酸化炭素、酸素、窒素、炭素数１～４の炭化水素、希ガス、硫化水素、アンモニア、硫黄酸化物、窒素酸化物、シロキサン等が挙げられる。有機分子としては、例えば炭素数５～８の炭化水素、炭素数１～８のアルコール、炭素数１～８のアルデヒド、炭素数１～８のカルボン酸、炭素数１～８のケトン、炭素数１～８のアミン、炭素数１～８のエステル、炭素数１～８のアミド等が挙げられる。なお、前記有機分子は芳香環を含んでいても良い。
　本願は、２０２２年３月１７日に出願された日本国特許出願第２０２２－０４２３７８号に基づく優先権の利益を主張するものである。２０２２年３月１７日に出願された日本国特許出願第２０２２－０４２３７８号の明細書の全内容が、本願に参考のため援用される。
　以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
　実施例１
　５０ｍＬのＳＵＳ－３０４製耐圧容器（テフロン（登録商標）内筒管含む）中で、０．３４８ｍｍｏｌのＩｎ（ＮＯ3）3・５Ｈ2Ｏと、０．９５５ｍｍｏｌのＭｇ（ＮＯ3）2・６Ｈ2Ｏと、０．５１８ｍｍｏｌの１，３，５－トリス(４－カルボキシフェニル)ベンゼンと、２．５ｍｌの水と、１３．５ｍｌのジメチルアセトアミドを室温で撹拌しながら混合し、３分間超音波をかけ完全に溶解させた。その後、１００℃で５日間静置させた。得られた沈殿固形物を１０ｍＬのジメチルアセトアミドで３回洗浄ろ過を実施し、得られたろ過ケーキを室温で３日間乾燥させ、生成物質を０．２７ｇ得た（収率９９％）。
　実施例２
　１００ｍＬのＳＵＳ－３０４製耐圧容器（テフロン（登録商標）内筒管含む）中で、５．１ｍｍｏｌのＡｌＣｌ3と、２．０８９ｍｍｏｌのテレフタル酸と、６０ｍｌのジメチルホルムアミドを全て混合し、室温で５分間超音波をかけ完全に溶解させた。その後、１１０℃で２０時間静置させた。得られた沈殿固形物を３０ｍＬのジメチルホルムアミドで３回洗浄ろ過を実施し、得られたろ過ケーキを真空乾燥炉で６０℃×３０分、１５０℃×１２時間減圧乾燥させ、生成物質を０．４２ｇ得た（収率９９％）。
　比較例１
　１００ｍＬのＳＵＳ－３０４製耐圧容器（テフロン（登録商標）内筒管含む）中で、０．５ｍｍｏｌのテレフタル酸と、３．６９１ｍｍｏｌのＡｌ（ＮＯ３）３・９Ｈ２Ｏと、４０．２ｍｌのメタノールを混合し、２ＭのＮａＯＨのメタノール溶液を１．８ｍｌ室温で添加し、２５℃で混合した。その後、１２５℃で２０時間静置した。得られた沈殿固形物を３０ｍｌのメタノールで３回洗浄ろ過し、得られたろ過ケーキを室温で７２時間乾燥させ、生成物質を０．１７ｇ得た（収率９９％）。
　比較例２
　２０ｍｌのナスフラスコに、５．１２９ｍｍｏｌのＡｌＣｌ３・６Ｈ２Ｏと、５．２ｍｍｏｌのＮａＯＨと、１０ｍｌのイオン交換水を混合し、５．１３６ｍｍｏｌの２，５－フランジカルボン酸を添加した。その後、１００℃で２４時間還流させ、懸濁液を得た。得られた沈殿固形物を１０ｍｌの水で３回、遠心分離洗浄を実施し、得られたケーキを真空乾燥炉で３０℃×２４時間乾燥させ、生成物質を１．１９ｇ得た（収率９０％）。
　比較例３
　５０ｍＬのＳＵＳ－３０４製耐圧容器（テフロン（登録商標）内筒管含む）中で、５．４６８ｍｍｏｌのＡｌ（ＮＯ３）３・９Ｈ２Ｏと、２３ｍｌのイオン交換水を混合して、更に５．３９６ｍｍｏｌのテレフタル酸を添加し、１５０℃で５時間静置した。得られた沈殿固形物を３０ｍｌの水で３回洗浄ろ過し、得られたろ過ケーキを８０℃×２４時間、１３０℃×２４時間乾燥させ、生成物質を０．８３ｇ得た（収率：７３．７％）。
　実施例及び比較例で得られた物質を、下記の方法で評価した。
　（１）吸水率の測定
　実施例及び比較例で得られた生成物質（ＭＯＦ）を、温度２５℃、相対湿度５０％に調質された空気雰囲気下で１２時間放置した後の質量Ｗ１を測定した。その後、質量Ｗ１を求めたＭＯＦを窒素フロー下、昇温速度：５℃/分で昇温し、温度２００℃で１時間放置した後の質量Ｗ２を測定し、下記式（１）で求まる値を吸水率Ａとした。
　吸水率Ａ＝（Ｗ１－Ｗ２）／Ｗ２　　　　　　　…（１）
　（２）ＭＯＦ構造の評価
　下記条件にてＸＲＤ（Ｘ－ｒａｙ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）測定した上で、ｃｉｆ（Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｆｉｌｅ）ファイルを取得し、Ｍｅｒｃｕｒｙというソフトウェア（Ｔｈｅ　Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ　Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｄａｔａ　Ｃｅｎｔｒｅ）に付し、得られた画像から１クラスター構造中のＯ２－、ＯＨ２、及びＯＨ-の数、１クラスター構造中の金属イオンの数、各構造Ｓｘの酸素原子に結合した金属イオンの数を算出した。
　装置：Ｒｉｇａｋｕ社製　ＳｍａｒｔＬａｂ　
　線源：Ｃｕ
　測定範囲：２θ＝３～４０°
　Ｓｔｅｐサイズ：０．０１°
　走査速度：３°／ｍｉｎ
　測定温度：室温（２５℃）
　（３）分解開始温度の測定
　２５℃、相対湿度５０％に調湿された空気雰囲気下で得られたＭＯＦを１２時間保持して前処理した後、窒素フロー下、昇温速度：５℃/分で昇温し、５００℃まで昇温した際に、この区間（２５～５００℃）で、ＪＩＳ　Ｋ　０１２９熱分析通則で規定されているＤＴＡ測定において、分解挙動が見られた点を分解開始温度とした。
　結果を表１に示す。なお、表１における有機配位子は、カルボキシル基からプロトンが脱離する前のカルボン酸名で示す。また、表１におけるクラスター構造の核数は、１クラスター構造中の金属イオンの数を示す。
　（４）ＢＥＴ比表面積の測定
　窒素分子はあらかじめ吸着占有面積がわかっているため、試料表面にだけ吸着したガス分子吸着量を測定し、ＢＥＴ吸着等温式より試料の表面積を測定した。
　前処理条件：上記したＴＧ－ＤＴＡ測定の結果からサンプルに含まれる水を取り除ける温度を確認し、減圧加熱を一晩行った。
　装置：マイクロトラック・ベル社製　ＢＥＬＳＯＲＰ－ｍｉｎｉ
　前処理条件：
（１）標準試料管の中に体積軽減用ガラス棒(標準試料管用)を設置し、クイックシールで栓をする。この試料管セットを測定したいサンプル数分(１測定最大３サンプルまで)用意し、前処理装置(ＢＥＬＰＲＥＰ　ＶＡＣII)に接続し、試料管内の空気を排気後Ｎ２ガス(純度９９．９９９％以上)を大気圧まで導入する。
（２）その後、試料管を前処理機から取り外し、精密天秤(小数点以下４桁以上表示)で重量を３回測定し、その平均(Ｗ１)を得る。精密天秤を使用する際は静電気の影響を排除するため、イオナイザーを利用する。
（３）薬包紙に測定したいサンプル約５０ｍｇを量り取り、足長漏斗を用いて標準試料管の下部の球体部分に直接サンプルを入れる。
（４）ガラス棒を試料管内に戻し、クイックシールで栓をした後全体の重量を１回測り、添加サンプル量を仮確認する。
（５）サンプル入りの試料管を前処理装置に接続し、試料管内を排気する。
（６）試料管内が十分に低圧になった後、加熱を始める(真空引きは継続)。
　測定条件：
（１）前処理(真空加熱)が終わったら、試料管を減圧下に保ったまま放熱し、室温になった後にＮ２ガスを大気圧まで導入し、装置から外す。
（２）前処理後のサンプル入り試料管の重さを精密天秤で３回測定し、その平均(Ｗ２）を得る。Ｗ２－Ｗ１の計算を行うことでサンプルの重量を得る。
（３）測定ソフトにサンプル重量、液体窒素温度におけるＮ２ガスの情報(第２ビリアル係数など)を入力し、測定したい測定相対圧を入力し、測定開始ボタンを押す。その後ソフトの指示に従って液体窒素を満たしたデュワー瓶を設置やサンプル試料管の設置を行い、測定をおこなう。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001

Claims (5)

  1. 　有機配位子と、Ｏ２－、ＯＨ２、ＯＨ－、ＯＣＨ３ －、及びＯＣ２Ｈ５ －の１種以上からなる構造Ｓｘと、金属イオンとで構成され、
    　構造Ｓｘの１つの酸素原子に２つ以上の金属イオンが結合した構造ＳＭ－ｘを有し、
    　単位格子中の金属イオンが２つ以上であり、
    　式（１）で求まる吸水率Ａが２５％以上である金属有機構造体。
    　吸水率Ａ＝（Ｗ１－Ｗ２）／Ｗ２　　　　　　　…（１）
    （式中、Ｗ１は、温度２５℃相対湿度５０％の条件で平衡含水率になるまで放置した後の金属有機構造体の質量を表す。式中、Ｗ２は、質量Ｗ１を求めた有機金属構造体を温度２００℃で１時間放置した後の質量を表す。）
  2. 　金属有機構造体は、構造Ｓｘと金属イオンとで構成され、且つ、金属イオン同士が構造Ｓｘの酸素原子を介して結合しているクラスター構造を有し、
    　１つのクラスター構造中の金属イオンが３つ又は４つである請求項１に記載の金属有機構造体。
  3. 　有機配位子が、シュウ酸イオン（ＣＯＯ－）２及びＲ（ＣＯＯ－）ｎ（Ｒはｎ価の基であり、ｎは２以上の整数）で表されるカルボキシレートよりなる群から選択される少なくとも１種を含む請求項１または２に記載の金属有機構造体。
  4. 　構造Ｓｘが、Ｏ２－、ＯＨ２、ＯＨ－及びＯＣＨ３ －から選ばれる１種以上からなる請求項１または２に記載の金属有機構造体。
  5. 　金属イオンが、周期表第３～６周期、かつ第２～１４族の元素から選ばれる少なくとも１種の金属イオンである請求項１または２に記載の金属有機構造体。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017512637A (ja) * 2014-03-18 2017-05-25 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア 微小孔性金属−有機骨格の秩序化超格子を含むメゾスコピック材料
JP2018500157A (ja) * 2014-12-04 2018-01-11 ヌマット テクノロジーズ，インコーポレイテッド 半導体用ガスを低減および精製するための、ならびに炭化水素流から水銀を除去するための多孔質高分子
JP2019116463A (ja) * 2017-12-27 2019-07-18 トヨタ自動車株式会社 金属有機構造体とその製造方法
JP2020176101A (ja) 2019-04-22 2020-10-29 トヨタ自動車株式会社 有機金属構造体
JP2022042378A (ja) 2020-09-02 2022-03-14 株式会社ジェーシービー 電子的価値管理装置、プログラム、電子的価値管理方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017512637A (ja) * 2014-03-18 2017-05-25 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア 微小孔性金属−有機骨格の秩序化超格子を含むメゾスコピック材料
JP2018500157A (ja) * 2014-12-04 2018-01-11 ヌマット テクノロジーズ，インコーポレイテッド 半導体用ガスを低減および精製するための、ならびに炭化水素流から水銀を除去するための多孔質高分子
JP2019116463A (ja) * 2017-12-27 2019-07-18 トヨタ自動車株式会社 金属有機構造体とその製造方法
JP2020176101A (ja) 2019-04-22 2020-10-29 トヨタ自動車株式会社 有機金属構造体
JP2022042378A (ja) 2020-09-02 2022-03-14 株式会社ジェーシービー 電子的価値管理装置、プログラム、電子的価値管理方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HIROYASU FURUKAWA, FELIPE GÁNDARA, YUE-BIAO ZHANG, JUNCONG JIANG, WENDY L. QUEEN, MATTHEW R. HUDSON, OMAR M. YAGHI: "Water Adsorption in Porous Metal–Organic Frameworks and Related Materials", JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, vol. 136, no. 11, 19 March 2014 (2014-03-19), pages 4369 - 4381, XP055200453, ISSN: 00027863, DOI: 10.1021/ja500330a *
LIU XINLEI, WANG XUERUI, KAPTEIJN FREEK: "Water and Metal–Organic Frameworks: From Interaction toward Utilization", CHEMICAL REVIEWS, AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, US, vol. 120, no. 16, 26 August 2020 (2020-08-26), US , pages 8303 - 8377, XP055828979, ISSN: 0009-2665, DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00746 *

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