Thermodynamic Insights into Phosphonate Binding in Metal–Azolate Frameworks

化学 膦酸盐 金属 生物化学 有机化学
作者
Kira M. Fahy,Seryeong Lee,Işıl Akpınar,Fanrui Sha,Milad Ahmadi Khoshooei,Shengyi Su,Timur İslamoğlu,Nathan C. Gianneschi,Omar K. Farha
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (8): 5661-5668 被引量:12
标识
DOI:10.1021/jacs.3c14643
摘要

Organophosphorus chemicals, including chemical warfare agents (CWAs) and insecticides, are acutely toxic materials that warrant capture and degradation. Metal-organic frameworks (MOFs) have emerged as a class of tunable, porous, crystalline materials capable of hydrolytically cleaving, and thus detoxifying, several organophosphorus nerve agents and their simulants. One such MOF is M-MFU-4l (M = metal), a bioinspired azolate framework whose metal node is composed of a variety of divalent first-row transition metals. While Cu-MFU-4l and Zn-MFU-4l are shown to rapidly degrade CWA simulants, Ni-MFU-4l and Co-MFU-4l display drastically lower activities. The lack of reactivity was hypothesized to arise from the strong binding of the phosphate product to the node, which deactivates the catalyst by preventing turnover. No such study has provided detailed insight into this mechanism. Here, we leverage isothermal titration calorimetry (ITC) to monitor the binding of an organophosphorus compound with the M-MFU-4l series to construct a complete thermodynamic profile (Ka, ΔH, ΔS, ΔG) of this interaction. This study further establishes ITC as a viable technique to probe small differences in thermodynamics that result in stark differences in material properties, which may allow for better design of first-row transition metal MOF catalysts for organophosphorus hydrolysis.
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