High-Throughput screening of the CoRE MOF database to predict cross-linking of Metal-Organic Frameworks

Metall-organische Gerüststrukturen (engl. Metal-Organic Framework, MOF) sind poröse kristalline Materialien, die in den letzten Jahrzehnten immer mehr an Popularität gewonnen haben. Das liegt an erster Stelle an ihrer Vielseitigkeit, die eine Anwendung in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten wie Gastrennung oder Gasspeicherung ermöglicht. Die Bausteine der MOFs sind zum einen die Metallzentren und zum anderen organische Linker, die zwei oder mehr Metallzentren miteinander verbinden. Durch diesen modularen Aufbau ist es möglich aus wenigen Bausteinen viele verschiedene neuartige kristalline Strukturen durch Variation zu erzeugen. Um MOFs als bioaktive Materialien nutzen zu können, ist es wünschenswert die Metalle herauszulösen, da eine etwaige toxische Reaktion durch die Metalle in vivo nicht gänzlich ausgeschlossen werden kann. Zudem ist die eingeschränkte Stabilität in wässriger Umgebung vieler MOF Strukturen ein weiterer Nachteil dieser Materialklasse für die Anwendung in der Biologie oder Medizin. Um die Vorteile der MOFs auch für solche Anwendungen nutzen zu können, wurde eine Strategie entwickelt in der die organischen Linker mit sekundären Linkern (cross-linker) quervernetzt werden (cross-linking). ... mehrDies erhöht die Stabilität des MOFs, sodass die Metalle anschließend problemlos entfernt werden können. Das Problem besteht darin die passenden cross-linker für eine bestimmte MOF Struktur zu finden. Zum einen muss der cross-linker ideal in die Struktur passen ohne sie zu verzerren, zum anderen sollte ein durchgängiges cross-linking der Struktur möglich sein, um Größen skalieren zu können. Der modulare Aufbau der MOFs hat aber auch zur Folge, dass die Zahl der theoretisch möglichen MOFs sehr stark zugenommen hat. Große Datenbanken mit zehntausenden solcher Strukturen sind entstanden. Den passenden MOF für einen gegebenen cross-linker zu finden gleicht nun der Suche nach der Nadel im Heuhaufen.

In dieser Arbeit geht es gerade darum diese eine Nadel (oder mehrere) zu finden. Durch ein computergestütztes Screening soll eine MOF Datenbank durchleuchtet werden, um nach passenden MOF Kandidaten für einen gegebenen cross-linker zu suchen. Die Analyse und Auswertung dieser Datenbank gibt Aufschluss darüber, ob und wie eine MOF-Struktur sich quervernetzen lässt. Das Ergebnis des Screenings ist demnach eine Vorhersage einer MOF-Struktur, in der ein oder mehrere vorher bekannte cross-linker ideal hineinpassen. Die aus diesem Projekt vorhergesagten MOF cross-linker Kombinationen dienen als Vorlage für zukünftige experimentelle Arbeiten, deren Fokus auf die vielversprechendsten Kandidaten gelenkt wird.