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

Summary

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.

Abstract

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 ^1,2,3. Par conséquent, les MOF contenant des ions métalliques trivalents ou tétravalents, tels que Al 3+, Cr³+, Ti 4+ ou Zr⁴⁺, avec des molécules de liaison carboxylate² ou phosphonate⁴ ont fait l’objet de nombreuses recherches^5,6,7. Outre la synthèse directe de MOF stables, l’amélioration de la stabilité par des modifications post-synthétiques ainsi que la formation de composites est un domaine d’intérêt². Les MOF à base de phosphonates ont été moins souvent signalés que les MOF à base de carboxylate⁸. L’une des raisons est la plus grande flexibilité de coordination du groupe CPO₃ 2- par rapport au groupe -CO ^2-, ce qui conduit souvent à la formation de structures denses et à une plus grande diversité structurelle 8,9,10,11. De plus, les acides phosphoniques doivent souvent être synthétisés, car ils sont rarement disponibles sur le marché. Alors que certains phosphonates métalliques présentent une stabilité chimique exceptionnelle¹⁰, l’accès systématique aux MOF isoréticulaires de phosphonates métalliques, qui permet l’ajustement des propriétés, reste un sujet de grande pertinence^12,13. Différentes stratégies de synthèse de phosphonates métalliques poreux ont été étudiées, telles que l’incorporation de défauts dans des couches autrement denses, par exemple en remplaçant partiellement le phosphonate par des ligands phosphate ^4,14. Cependant, comme les structures défectueuses sont peu reproductibles et que les pores ne sont pas uniformes, d’autres stratégies ont été développées. Au cours des dernières années, l’utilisation d’acides phosphoniques stériquement exigeants ou orthogonalisés comme molécules de liaison est apparue comme une stratégie appropriée pour la préparation de phosphonates métalliques poreux 4,8,10,11,13,15,16,17,18 . Cependant, une voie de synthèse universelle pour les phosphonates métalliques poreux n’a pas encore été découverte. En conséquence, la synthèse des phosphonates métalliques est souvent un processus d’essais et d’erreurs, nécessitant l’étude de nombreux paramètres de synthèse.

L’espace des paramètres d’un système de réaction comprend les paramètres chimiques et de processus et peut être vaste¹⁹. Il se compose de paramètres tels que le type de matière première (sel métallique), les rapports molaires des matières premières, les additifs pour l’ajustement du pH, les modulateurs, le type de solvant, les mélanges de solvants, les volumes, les températures de réaction, les temps, ^etc.19,20. Un nombre modéré de variations de paramètres peut facilement entraîner plusieurs centaines de réactions individuelles, ce qui rend nécessaire un plan de synthèse soigneusement étudié et un espace de paramètres bien choisi. Par exemple, une étude simple utilisant six rapports molaires du liant au métal (par exemple, M:L = 1:1, 1:2, … à 1:6) et quatre concentrations différentes d’un additif et en maintenant l’autre paramètre constant, conduit déjà à 6 x 4 = 24 expériences. L’utilisation de quatre concentrations, cinq solvants et trois températures de réaction nécessiterait la réalisation des 24 expériences 60 fois, ce qui entraînerait 1 440 réactions individuelles.

Les méthodes à haut débit (HT) sont basées sur les concepts de miniaturisation, de parallélisation et d’automatisation, à des degrés divers selon la question scientifique abordée^19,20. En tant que tels, ils peuvent être utilisés pour accélérer l’étude de systèmes multi-paramètres et constituent un outil idéal pour la découverte de nouveaux composés, ainsi que l’optimisation de la synthèse^19,20. Les méthodes HT ont été utilisées avec succès dans différents domaines, allant de la découverte de médicaments à la science des matériaux²⁰. Ils ont également été utilisés pour l’étude de matériaux poreux tels que les zéolithes et les MOF dans les réactions solvothermiques, comme l’a récemment résumé²⁰. Un flux de travail HT typique pour la synthèse solvothermique comprend six étapes (Figure 1)19,20,21: a) la sélection de l’espace de paramètres d’intérêt (c.-à-d. la conception de l’expérience [DOE]), qui peut être effectuée manuellement ou à l’aide d’un logiciel; b) dosage des réactifs dans les récipients; c) synthèse solvothermique; d) isolement et bilan; e) la caractérisation, qui se fait généralement par diffraction des rayons X sur poudre (PXRD); et f) l’évaluation des données, qui est suivie de la première étape.

La parallélisation et la miniaturisation sont obtenues dans les réactions solvothermiques grâce à l’utilisation de multiclaves, souvent basées sur le format de plaque bien établi à 96 puits le plus couramment utilisé en biochimie et en pharmacie 19,20,22,23. Diverses conceptions de réacteurs ont été signalées et plusieurs groupes ont construit leurs propres réacteurs ^19,20. Le choix du réacteur dépend du système chimique d’intérêt, en particulier de la température de réaction, de la pression (autogène) et de la stabilité du réacteur^19,20. Par exemple, dans une étude systématique des cadres d’imidazolate zéolitique (ZIF), Banerjee et al.²⁵ ont utilisé le format de plaque de verre à 96 puits pour effectuer plus de 9600 réactions²⁴. Pour les réactions dans des conditions solvothermiques, des blocs de polytétrafluoroéthylène (PTFE) personnalisés, ou des multiclaves avec 24 ou 48 inserts individuels de PTFE, ont été décrits entre autres par le groupe Stock^19,20. Ils sont couramment utilisés, par exemple, dans la synthèse de carboxylates métalliques et de phosphonates. À ce titre, Reinsch et al.²⁵ ont signalé les avantages de la méthodologie dans le domaine des MOF en aluminium poreux²⁵. Les systèmes de réacteurs HT fabriqués en interne (figure 2), qui permettent d’étudier simultanément 24 ou 48 réactions, contiennent des inserts en PTFE d’un volume total de 2,655 mL et 0,404 mL, respectivement (Figure 2A,B). Habituellement, pas plus de 1 mL ou 0,1 mL, respectivement, est utilisé. Bien que ces réacteurs soient utilisés dans les fours conventionnels, un chauffage assisté par micro-ondes à l’aide de blocs de SiC et de petites cuves en verre a également été signalé²⁶.

L’automatisation des études permet de gagner du temps et d’améliorer la reproductibilité, car l’influence du facteur humain est minimisée²⁰. Le degré d’utilisation de l’automatisation varie fortement^19,20. Des systèmes commerciaux entièrement automatisés, y compris des capacités de pipetage 20 ou de pondération²⁰, sont connus. Un exemple récent est l’utilisation d’un robot de manipulation de liquides pour étudier les ZrMOFs, rapportée par le groupe de Rosseinsky²⁷. L’analyse automatisée peut être réalisée par PXRD à l’aide d’un diffractomètre équipé d’un étage xy. Dans un autre exemple, un lecteur de plaques a été utilisé pour cribler des catalyseurs à semi-conducteurs, principalement des MOF, pour le criblage HT de la dégradation des agents neurotoxiques²⁸. Les échantillons peuvent être caractérisés en une seule fois sans qu’il soit nécessaire de modifier manuellement l’échantillon ou la position. L’automatisation n’élimine pas l’erreur humaine, mais elle réduit la possibilité qu’elle se produise^19,20.

Idéalement, toutes les étapes d’un flux de travail HT devraient être adaptées en termes de parallélisation, de miniaturisation et d’automatisation afin d’éliminer les goulots d’étranglement possibles et de maximiser l’efficacité. Cependant, s’il n’est pas possible d’établir un flux de travail HT dans son intégralité, il peut être utile d’adopter des étapes / outils sélectionnés pour sa propre recherche. L’utilisation de multiclaves pour 24 réactions est particulièrement utile ici. Les dessins techniques de l’équipement fabriqué à l’interne utilisés dans cette étude (ainsi que d’autres) sont publiés pour la première fois et peuvent être consultés dans le dossier supplémentaire 1, le dossier supplémentaire 2, le dossier supplémentaire 3 et le dossier supplémentaire 4.

Protocol

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 procéd…

Representative Results

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 cristal…

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 pr?…

Materials

AlCl3·6H2O	Grüssing	N/A	99%
Filter block for filtration of max. 48 reaction mixtures	In-house made	N/A	Technical drawings in the supplementary files
Hydrochloric acid	Honeywell	258148	Conc. 37 %, p.a.
Multiclaves with 24 individual Teflon inserts	In-house made	N/A	Technical drawings in the supplementary files
N,N ‘-piperazine bis(methylenephosphonic acid	Prepared by coworkers	N/A	H4PMP,  Prepared by coworkers with the method reported by Villemin et al.: D. Villemin, B. Moreau, A. Elbilali, M.-A. Didi, M.’h. Kaid, P.-A. Jaffrès, Phosphorus Sulfur Silicon Relat. Elem. 2010, 185, 2511.
Sample Plate for PXRD	In-house made	N/A	Technical drawings in the supplementary files
Sodium hydroxide	Grüssing	N/A	99%
Stoe Stadi P Combi	STOE	Stadi P Combi	Cu-Kα1 radiation (λ = 1.5406 Å); transmission geometry; MYTHEN2 1K detector; opening angle 18°; curved  monochromator; xy-table
Forced convection oven	Memmert	UFP400