Understanding Defect Structures and Host-guest Interactions in Metal-organic Frameworks

• Metal-organic frameworks (MOFs) represent a class of crystalline porous materials with prospective applications in molecular capture, separation, storage and catalysis. It has been discovered that there exist various structural defects in MOFs, which can have dramatic impact on their properties. However, the fundamental understanding of the structure and chemistry of the defects in MOFs is still very limited.In this thesis, I focus on the studies of defect structures and host-guest interactions in MOFs by using theoretical chemistry methods. These studies cover the dynamic interplay of water and acetate molecules at the defect sites of linker missing MOFs, host-guest interactions of drug molecules loading in defective MOFs, preparation and triggered release of intrinsically coordinated CpG-MOF conjugate nanoparticles, and the defect-assisted single-strand DNA adsorption and folding on MOFs.  The main results of the studies are described below.1. The possible binding structure of acetate and water molecules on defect sites in MOFs are explored. Acetate is coordinated to an unsaturated metal site in a monodentate way, which is accompanied by a water molecule coordinated to the neighboring metal site. The highly flexible acetate molecule performs a fast rotation and undergoes a slow kinetic exchange with a water molecule. Two models, one with insufficient water and the other with excess water, were built to study the role of dynamic hydrogen bonds in the exchange process.2. The loading behavior of drug molecules in MOFs has been studied. The interactions between the drugs and MOFs are fundamentally different for the ideal and defective MOFs. The defects play a key role in the loading of the drugs with phosphate or phosphonate groups on MOFs. The host-guest interactions are dominated by the Coulombic attraction between the phosphate/phosphonate groups and the defect sites, which greatly enhances the loading capacity of the drugs. The conformations of the drugs at the defect sites have also been studied. 3. A new strategy for preparing DNA-MOF conjugates is provided and the interactions between oligonucleotides and MOFs have been studied. Compared to the covalent modification of DNA-MOF nanoparticles, the unmodified oligonucleotides can be densely loaded on the MOFs via the intrinsic, multivalent coordination of the DNA backbone phosphate to the unsaturated zirconium sites on the MOFs. The loading state of CpG on the MOFs is the coexistence of nucleotides in the adsorption state and dangling state. The surface-bound DNA can be efficiently released by free phosphate ions in the acidic environment. 4. The loading and folding of ssDNA on MOFs have been systematically studied. ssDNA prefers to be on the surface of the MOFs rather than inside a cage due to size limitation. The defect-assisted surface adsorption is mainly contributed by the electrostatic interactions between the ssDNA and MOFs. The binding of the ssDNA to the MOFs is dominated by the multiple point anchoring of the phosphate groups of the ssDNA on the MOF clusters. Water layers with complex hydrogen-bond network function as a gate, preventing the DNA from approaching the MOFs before adsorption and inhibiting the DNA from leaving the MOFs after anchoring. Unlike the circular folding structure in the solution, the adsorbed ssDNA display a slender conformation or duplex like structure.    

• Metallorganiska ramverk (MOF) representerar en klass av kristallina porösa material med framtida tillämpningar inom molekylär infångning, separation, lagring och katalys. Det har upptäckts att det finns olika strukturella defekter i MOF:ar, som kan ha en dramatisk inverkan på deras egenskaper. Den grundläggande förståelsen av strukturen och kemin hos defekterna i MOF är dock fortfarande mycket begränsad.I dena avhandling har jag fokuserat på studier av defektstrukturer och värd-gäst-interaktioner i MOF:ar genom att använda teoretiska kemimetoder. Dessa studier täcker det dynamiska samspelet mellan vatten- och acetatmolekyler vid defektställena för MOF:ar som saknar organiska länkar, värd-gästinteraktioner mellan läkemedelsmolekyler som laddas i defekta MOF:ar, beredning och utlöst frisättning av inneboende koordinerade CpG-MOF konjugerade nanopartiklar och defektassisterad enkelsträngad DNA-adsorption och veckning på en MOF.De huvudsakliga resultaten av studierna beskrivs nedan.1. Den möjliga bindningsstrukturen för acetat- och vattenmolekyler på defekta platser i MOF har undersökts. Acetat koordineras till en omättad metallplats på ett monodentat sätt, som åtföljs av en vattenmolekyl som är koordinerad till den angränsande metallplatsen. Den mycket flexibla acetatmolekylen utför en snabb rotation och genomgår ett kinetiskt långsamt utbyte med en vattenmolekyl. Två modeller, en med otillräckligt vatten och den andra med överskott av vatten, byggdes för att studera dynamiska vätebindningars roll i utbytesprocessen.2. Lagringsbeteendet av läkemedelsmolekyler i MOF har studerats. Interaktionerna mellan läkemedel och MOF är fundamentalt olika för idealiska och defekta MOFs. Defekterna spelar en nyckelroll i lagringen av många läkemedel med fosfat- eller fosfonatgrupper på MOF. Värd-gäst-interaktionerna domineras av Coulomb-attraktionen mellan fosfat-/fosfonatgrupperna och defektställena, vilket avsevärt förbättrar läkemedlens lagringskapacitet. Läkemedlens konformationer på defektställena har också studerats.3. En ny strategi för att framställa DNA-MOF-konjugat presenteras och interaktionerna mellan oligonukleotider och MOF har studerats. Jämfört med den kovalenta modifieringen av DNA-MOF-nanopartiklar, kan de omodifierade oligonukleotiderna laddas tätt på MOFs via den inneboende, multivalenta koordinationen av DNA-ryggradsfosfatet till de omättade zirkoniumsätena på MOF:en. Tillståndet för lagring av CpG på MOF:arna är samexistensen av nukleotider i adsorptionstillståndet och dinglande tillstånd. Det ytbundna DNA:t kan effektivt frisättas av fria fosfatjoner i den sura miljön.4. Lagring och veckning av ssDNA på MOF har systematiskt studerats. ssDNA föredrar att vara på ytan av MOF:ar snarare än inuti en bur på grund av storleksbegränsningar. Den defektassisterade ytadsorptionen härstammar huvudsakligen från de elektrostatiska interaktionerna mellan ssDNA och MOF:en. Bindningen av ssDNA till MOF:en domineras av multipelpunktsförankringen av fosfatgrupperna i ssDNA på MOF-klustren. Ett vattenlager med komplext vätebindningsnätverk fungerar som en grind, vilket förhindrar DNA från att närma sig MOF:arna före adsorption och hämmar DNA:t från att lämna MOF:arna efter förankring. Till skillnad från den cirkulära veckningsstrukturen i lösningen uppvisar det adsorberade ssDNA:t en smal konformation eller duplexliknande struktur. 

Nyckelord

metal-organic framework

defects

host-guest

molecular dynamics simulation

Teoretisk kemi och biologi

Theoretical Chemistry and Biology

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)