Découverte et optimisation de la synthèse de composés de cadre organométallique à base d’Al(III) phosphonate isoréticulaire à l’aide de méthodes à haut débit

Résumé

La synthèse ciblée de nouveaux cadres organométalliques (MOF) est difficile, et leur découverte dépend des connaissances et de la créativité du chimiste. Les méthodes à haut débit permettent d’explorer rapidement et efficacement des champs de paramètres synthétiques complexes, accélérant ainsi le processus de recherche de composés cristallins et d’identification des tendances synthétiques et structurelles.

Résumé

Les méthodes à haut débit (HT) sont un outil important pour le criblage rapide et efficace des paramètres de synthèse et la découverte de nouveaux matériaux. Ce manuscrit décrit la synthèse de structures organométalliques (MOF) à partir d’une solution à l’aide d’un système de réacteur HT, aboutissant à la découverte de divers MOF à base de phosphonates de la composition [Al₂H 12-x(PMP)₃]Cl x∙_6H2O(H 4 PMP = N,N'-pipérazine bis(acide méthylènephosphonique)) pour_x =₄, 6, noté Al-CAU-60-xHCl, contenant des ions aluminium trivalents. Ceci a été accompli dans des conditions de réaction solvothermique en criblant systématiquement l’impact du rapport molaire de l’agent de liaison au métal et le pH du mélange réactionnel sur la formation du produit. Le protocole de l’étude HT comprend six étapes: a) planification de la synthèse (DOE = plan d’expérience) dans le cadre de la méthodologie HT, b) dosage et travail avec des réacteurs HT développés en interne, c) synthèse solvothermique, d) préparation de la synthèse à l’aide de blocs de filtration développés en interne, e) caractérisation par diffraction des rayons X sur poudre HT et f) évaluation des données. La méthodologie HT a d’abord été utilisée pour étudier l’influence de l’acidité sur la formation du produit, ce qui a conduit à la découverte d’Al-CAU-60∙xHCl (x = 4 ou 6).

Introduction

Les structures organométalliques (MOF) sont des composés cristallins poreux dont les structures sont constituées de nœuds contenant des métaux, comme des ions métalliques ou des amas métal-oxygène, qui sont reliés par des molécules organiques (linkers)¹. En faisant varier les nœuds contenant du métal ainsi que l’agent de liaison, une variété de composés peuvent être obtenus qui présentent un large éventail de propriétés et ont donc des applications potentielles dans différents domaines¹.

La stabilité d’un matériau est importante pour son application

Protocole

Dans ce protocole, l’étude HT des systèmes chimiques pour découvrir de nouveaux matériaux cristallins, en utilisant Al-CAU-60²⁹ comme exemple, est décrite.

1. Plan d’expérience (DOE)

REMARQUE : La première étape consiste à établir un plan de synthèse, ce qui nécessite une connaissance de la configuration du réacteur (Figure 2), des réactifs et des solvants utilisés. Cette procédure de planification de synthèse est adaptée pour effectuer 24 ou 48 réactions dans le cadre d’un programme température-temps spécifique, pour lequel des multiclaves en a....

Résultats

Les données PXRD sont illustrées à la figure 9. Pour la première évaluation, les résultats obtenus sont liés aux paramètres de synthèse de l’espace paramétrique étudié. L’étude a été réalisée en utilisant six rapports molaires différents de liant / métal et quatre rapports molaires différents de NaOH / HCl à Al³⁺. En reliant ces informations aux données PXRD obtenues (Figure 9), on peut voir que des produits de faible cristallinité ont été obtenus à p.......

Discussion

En raison de la complexité de la méthode HT, les étapes individuelles et la méthode elle-même sont abordées dans les sections suivantes. La première partie couvre les étapes critiques pour chaque étape de travail du flux de travail HT (Figure 1), les modifications possibles et les limites de la technique, le cas échéant. À la fin, une discussion générale incluant également l’importance de la méthode HT par rapport aux méthodes existantes et aux applications futures est présentée.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
AlCl3· ; 6H2O	Grü ; ssing	N/A	99 %
Bloc filtrant pour la filtration de max. 48 mélanges réactionnels	Réalisé en interne	N/A	Dessins techniques dans les fichiers complémentaires
Acide chlorhydrique	Honeywell	258148	Conc. 37 %, p.a.
Multiclaves avec 24 inserts individuels en téflon	Fabriqué en interne	N/A	Dessins techniques dans les fichiers supplémentaires
N,N'-pipérazine bis(acide méthylènephosphonique	Préparé par les collègues	N/A	H4PMP,  ; Préparé par des collègues de travail selon la méthode rapportée par Villemin et al. : D. Villemin, B. Moreau, A. Elbilali, M.-A. Didi, M.'h. Kaid, P.-A. Jaffrè ; s, Phosphore Soufre Silicium Relat. Elem. 2010, 185, 2511.
Plaque d’échantillon pour PXRD	Fabriqué en interne	N/A	Dessins techniques dans les fichiers supplémentaires
Hydroxyde de sodium	Grü ; ssing	N/A	99 %
Stoe Stadi P Combi	STOE	Stadi P Combi	Cu-K&alpha ; 1 rayonnement (&lambda ; = 1,5406 Å ;) ; géométrie de transmission ; MYTHEN2 détecteur 1K ; angle d’ouverture 18° ;; courbée  ; monochromateur; xy-table
Four à convection forcée	Memmert	UFP400