Approches expérimentales pour la synthèse de cadres organométalliques à faible valence à partir de liants phosphine multitopiques

Résumé

Ici, nous décrivons un protocole pour la synthèse de structures organométalliques à faible valence (LVMOF) à partir de métaux à faible valence et de liants phosphine multitopiques dans des conditions sans air. Les matériaux qui en résultent ont des applications potentielles en tant que catalyseurs hétérogènes imitant les catalyseurs homogènes à base de métaux à faible valence.

Résumé

Les structures organométalliques (MOF) font l’objet d’intenses recherches en raison de leurs applications potentielles dans le stockage et la séparation des gaz, la biomédecine, l’énergie et la catalyse. Récemment, les MOF à faible valence (LVMOF) ont été explorés pour leur utilisation potentielle en tant que catalyseurs hétérogènes, et les liants phosphine multitopiques se sont révélés être un élément constitutif utile pour la formation de LVMOF. Cependant, la synthèse de LVMOF à l’aide de liants phosphine nécessite des conditions distinctes de celles de la majorité de la littérature synthétique du MOF, y compris l’exclusion de l’air et de l’eau et l’utilisation de modulateurs et de solvants non conventionnels, ce qui rend un peu plus difficile l’accès à ces matériaux. Ce travail sert de tutoriel général pour la synthèse de LVMOF avec des liants phosphine, y compris des informations sur les éléments suivants: 1) le choix judicieux du précurseur métallique, du modulateur et du solvant; 2) les procédures expérimentales, les techniques sans air et l’équipement requis; 3) le stockage et la manipulation appropriés des LVMOF résultants; et 4) des méthodes de caractérisation utiles pour ces matériaux. L’objectif de ce rapport est d’abaisser les obstacles à ce nouveau sous-domaine de recherche du MOF et de faciliter les progrès vers de nouveaux matériaux catalytiques.

Introduction

Les structures organométalliques, ou MOF, sont une classe de matériaux cristallins et poreux¹. Les MOF sont construits à partir d’ions métalliques ou de nœuds de grappes d’ions métalliques, souvent appelés unités de construction secondaires (SBU), et de liants organiques multitopiques pour donner des structures de réseau bidimensionnelles et tridimensionnelles². Au cours des trois dernières décennies, les MOF ont fait l’objet d’études approfondies en raison de leur utilisation potentielle dans le stockage de gaz³ et la séparation⁴, la biomédecine⁵ et la catalyse⁶. L’écrasante majorité des MOF signalés sont composés de nœuds métalliques à l’état d’oxydation élevée et de liants donneurs anioniques durs, tels que les carboxylates². Cependant, de nombreux catalyseurs homogènes utilisent des métaux mous et peu valents en combinaison avec des ligands donneurs mous, tels que les phosphines⁷. Par conséquent, l’élargissement de la portée des MOF qui contiennent des métaux à faible valence peut augmenter la gamme de transformations catalytiques auxquelles les MOF peuvent être appliqués.

Les stratégies établies pour l’incorporation de métaux à faible valence dans les MOF à l’aide de sites donneurs mous intégrés ont une portée limitée et réduisent le volume des pores libres de la structure mère^MOF 6,8,9,10. Une autre approche consiste à utiliser des métaux à faible valence directement comme nœuds ou SBU en combinaison avec des ligands donneurs mous multitopiques comme liants pour construire le MOF. Cette stratégie permet non seulement une charge élevée de sites métalliques à faible valence dans le FOM, mais peut également réduire ou empêcher la lixiviation des métaux dans la solution en raison de la stabilité de la structure de la charpente¹¹. Par exemple, Figueroa et ses collègues ont utilisé des ligands isocyanures multitopiques comme liants donneurs mous et Cu(I)¹² ou Ni(0)¹³ comme nœuds métalliques à faible valence pour produire des MOF bidimensionnels et tridimensionnels. De même, Pederson et ses collègues ont synthétisé des MOF contenant des nœuds métalliques du groupe 6 sans valent en utilisant la pyrazine comme agent^{de liaison 14}. Plus récemment, notre laboratoire a rapporté des ligands phosphine tétratopiques comme agents de liaison pour la construction de MOF contenant des nœuds(0) ou Pt(0) (Figure 1)¹⁵. Ces MOF sont particulièrement intéressants en raison de la prévalence des complexes métalliques low-valent ligaturés par phosphine dans la catalyse homogène⁷. Néanmoins, les MOF à faible valence (LVMOF) en tant que classe générale de matériaux sont relativement peu explorés dans la littérature MOF, mais sont très prometteurs pour des applications en catalyse hétérogène pour des réactions telles que le couplage azoture-alcyne 16, le couplage Suzuki-Miyaura 17,18^, l’hydrogénation^{17 et autres 11}.

Figure 1 : Synthèse des LVMOF à l’aide de liants phosphine. Sikma et Cohen¹⁵ ont rapporté la synthèse de LVMOF tridimensionnels, E1-M, en utilisant des ligands phosphine tétratopiques, E1, comme agents de liaison,(0) et Pt(0) comme nœuds, et la triphénylphosphine comme modulateur. L’atome central, E, peut être Si ou Sn. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Bien que les différences dans la nature des linkers et des nœuds des LVMOF puissent leur conférer des propriétés uniques par rapport aux matériaux MOF conventionnels, ces différences introduisent également des défis synthétiques. Par exemple, bon nombre des précurseurs et des agents de liaison métalliques couramment utilisés dans la littérature MOF peuvent être utilisés dans air². En revanche, la synthèse réussie de LVMOF à base de phosphine nécessite l’exclusion de l’air et de l’eau¹⁵. De même, les types de modulateurs utilisés pour favoriser la cristallinité et les solvants utilisés dans la synthèse des LVMOF à base de phosphine sont inhabituels par rapport à ceux utilisés dans la plupart des publications du MOF¹⁵. Par conséquent, la synthèse de ces matériaux nécessite un équipement et des techniques expérimentales que même les chimistes expérimentés du MOF peuvent être moins familiers. Par conséquent, dans le but de minimiser l’impact de ces obstacles, une méthode étape par étape pour la synthèse de cette nouvelle classe de matériaux est fournie ici. Le protocole décrit ici couvre tous les aspects de la synthèse des LVMOF à base de phosphine, y compris la procédure expérimentale globale, les techniques sans air, l’équipement requis, le stockage et la manipulation appropriés des LVMOF et les méthodes de caractérisation. Le choix du précurseur métallique, du modulateur et du solvant est également discuté. Permettre l’entrée de nouveaux chercheurs dans ce domaine contribuera à accélérer la découverte de nouveaux LVMOF et de matériaux connexes pour des applications en catalyse.

Protocole

1. Mise en place de la ligne Schlenk

1. Assurez-vous que tous les robinets sont fermés, puis fixez le piège froid à la ligne Schlenk à l’aide d’un joint torique (la taille 229 a été utilisée dans notre installation, bien que la taille puisse varier en fonction de la ligne Schlenk spécifique utilisée) et serrez.
2. Allumez la pompe à vide (gaz ballast fermé), puis ouvrez les robinets de la ligne Schlenk de telle sorte que l’ensemble de l’appareil soit ouvert au vide.
   REMARQUE : N’ouvrez pas les robinets des tuyaux ou tout autre robinet ouvert à l’air; L’appareil doit être un système fermé sous vide dynamique.
3. Attendez au moins 5 minutes pendant que l’atmosphère de la ligne Schlenk est évacuée.
   NOTE: Certaines lignes Schlenk peuvent être équipées d’un baromètre pour déterminer la pression la plus basse que l’appareil atteindra sous vide dynamique. Si cette pression a été atteinte avant que 5 minutes ne se soient écoulées, passez à l’étape suivante.
4. Refroidir le piège à froid de la ligne Schlenk en plaçant une fiole de Dewar remplie d’azote liquide autour de celle-ci. Utilisez une serviette pour couvrir le dessus du ballon de Dewar et ralentir l’évaporation de l’azote liquide pendant l’expérience.
   ATTENTION: Le contact avec de l’azote liquide peut causer de graves dommages à la peau et aux yeux et ne doit être manipulé que par des personnes formées pour l’utiliser en toute sécurité. Portez une protection de la peau et des yeux.
   REMARQUE : Souvent, il est plus facile et plus sécuritaire de placer d’abord le flacon de Dewar vide autour du piège à froid, puis d’utiliser un deuxième ballon de Dewar pour remplir le ballon de Dewar avec de l’azote liquide.
5. Ouvrez le barboteur à un flux lumineux (environ 3 bulles/s) de gaz inerte (N_{2 (g)} ou Ar_(g)).

2. Mesure des réactifs solides

1. Ajouter du tétrakis(triphénylphosphine)palladium(0) et un modulateur de la triphénylphosphine dans le ballon réactionnel.
   1. Rouler un morceau de papier de pesée dans un cône pour l’utiliser comme entonnoir d’addition solide et le placer dans l’ouverture du robinet de la fiole de 10 mL. Assurez-vous que le bas du cône est inséré suffisamment loin pour qu’il s’étende au-delà de la fixation du tuyau.
      REMARQUE: L’utilisation d’un tube RMN vide ou d’un objet tubulaire similaire pour rouler le papier de pesée est utile pour atteindre le petit diamètre requis pour tenir dans l’ouverture du robinet.
   2. Peser par différences le tétrakis(triphénylphosphine)palladium(0) (0,084 g, 0,073 mmole, 1 équiv.) dans la fiole de 10 mL.
      ATTENTION : Le tétrakis(triphénylphosphine)palladium(0) est nocif pour l’organisme, surtout s’il est avalé, et peut s’enflammer s’il est finement dispersé dans l’air. Évitez la formation de poussière et toute forme de contact, et portez un équipement de protection individuelle.
      NOTA : Le ballon et le cône de pesage peuvent être légèrement taraudés pour s’assurer que tout le solide est transféré dans le fond du ballon.
   3. Répétez l’étape 2.1.2 avec la triphénylphosphine (1,23 g, 4,67 mmol, 64 équivalents).
      ATTENTION : La triphénylphosphine est nocive pour l’organisme et le système nerveux central. Évitez toute forme de contact et portez un équipement de protection individuelle, y compris des gants résistant aux produits chimiques.
   4. Jetez le cône de papier de pesée et vissez le robinet en poly(tétrafluoroéthylène) (PTFE) sur le ballon de 10 mL.
2. Mesurer l’agent de liaison phosphine tétratopique dans une fiole séparée de 10 mL.
   1. Répéter l’étape 2.1.1 avec une deuxième fiole de 10 mL.
   2. À l’aide de la deuxième fiole de 10 mL, répéter l’étape 2.1.2 avec le liant phosphine tétratopique Sn1 (0,085 g, 0,073 mmol, 1 équivalent).
      ATTENTION : Les propriétés dangereuses du Sn1 sont inconnues. Comme il s’agit d’un composé Sn(IV) et d’une phosphine tertiaire, supposez qu’il est extrêmement toxique et évitez toute forme de contact. Portez un équipement de protection individuelle, y compris des gants résistant aux produits chimiques.
   3. Répéter l’étape 2.1.4 avec la deuxième fiole de 10 mL.

3. Mettre les réactifs sous atmosphère inerte

1. Raccorder un tuyau (tube sous vide en caoutchouc noir, diamètre intérieur 3/16 po x 3/16 po) de la ligne Schlenk à chacun des flacons de 10 mL.
2. Ouvrez le robinet en PTFE juste assez pour que le récipient soit ouvert au tuyau.
   REMARQUE: Si le robinet est trop grand ouvert, les solides peuvent être tirés dans le tuyau pendant l’évacuation.
3. Ouvrez les deux flacons de 10 ml à l’aspirateur. Attendez 5 min.
4. Fermez le robinet de chaque fiole de 10 ml, puis fermez chaque tuyau à l’avide. Basculez les tuyaux vers le gaz inerte, puis ouvrez lentement le robinet de chaque fiole de 10 ml pour le remplir avec du gaz inerte.
   NOTA: Lors du passage du vide au gaz inerte, s’assurer que le débit de bulles du gaz inerte est suffisamment élevé pour empêcher l’huile d’être aspirée dans la conduite Schlenk, mais suffisamment faible pour ne pas perturber les solides dans le ballon. N’ouvrez jamais le système au vide et au gaz inerte en même temps.
5. Répétez les étapes 3.3-3.4 deux fois de plus pour un total de trois cycles.

4. Ajouter du solvant aux réactifs sous atmosphère inerte

1. Sous une pression positive de gaz inerte suffisante pour empêcher l’air de pénétrer dans la fiole, retirer le robinet en PTFE et le remplacer par un septum pour chaque fiole de 10 mL.
2. Ajouter le toluène et le chlorure de méthylène au mélange de palladium et de phosphine.
   1. Utiliser une seringue et une aiguille pour transférer 1,5 mL de toluène sec et désoxygéné dans la fiole contenant le tétrakis(triphénylphosphine)palladium(0) et la triphénylphosphine.
      ATTENTION : Le toluène est à la fois toxique et inflammable. Évitez toute forme de contact, tenez-vous à l’écart des sources de chaleur, travaillez dans la hotte et portez un équipement de protection individuelle.
      NOTE: Les solvants peuvent être séchés en les faisant passer à travers une colonne d’aluminium actif sous gaz inerte et désoxygénés en les barbouillant de gaz inerte pendant 30 min. Assurez-vous de purger la seringue et l’aiguille avec un gaz inerte trois fois avant de prélever la solution.
   2. Répétez l’étape 4.2.1 avec 1,5 mL de chlorure de méthylène sec et désoxygéné.
      ATTENTION : Le chlorure de méthylène est toxique et cancérigène. Évitez toute forme de contact, travaillez dans une hotte et portez un équipement de protection individuelle.
   3. Remuer la fiole jusqu’à dissolution de tous les solides (environ 30 s).
3. Ajouter le chlorure de méthylène au liant phosphine tétratopique.
   1. Utilisez une seringue et une aiguille pour transférer 3,0 mL de toluène sec et désoxygéné dans la fiole contenant l’agent de liaison phosphine tétratopique Sn1.
   2. Remuer la fiole jusqu’à dissolution de tout le solide (environ 30 s).

5. Ajout de l’agent de liaison au mélange de palladium et de phosphine

1. Utiliser une seringue et une aiguille pour transférer toute la solution de liaison Sn1 dans la fiole contenant le tétrakis(triphénylphosphine)palladium(0) et la triphénylphosphine.
2. Faire tourner la solution pendant 30 s pour bien la mélanger, puis remplacer le septum par le robinet en PTFE sous une pression positive de gaz inerte suffisante pour empêcher l’air de pénétrer dans la fiole et sceller la fiole.
3. Soniquer (40 kHz) la solution de réaction pendant 30 s supplémentaires.

6. Chauffage de la réaction

1. Placer la fiole scellée dans un bain d’huile préchauffé à 60 °C et laisser reposer 24 h sans l’agiter.

7. Isoler le produit MOF

1. Retirer la fiole du bain d’huile et laisser refroidir à température ambiante.
   ATTENTION : Lorsque vous manipulez de la verrerie chaude et/ou des surfaces, assurez-vous de porter des gants résistants à la chaleur.
2. Installez un appareil de filtration sous vide à l’aide d’un petit entonnoir Buchner et de papier filtre (taille de pores de 8 μm).
3. Retirez le robinet en PTFE de la fiole, puis utilisez une pipette pour transférer le volume total de la suspension dans le filtre.
   REMARQUE: Un léger flux de gaz inerte sur le dessus du filtre peut aider à éviter la décomposition du produit MOF sensible à l’oxygène.
4. Rincer le solide avec 2 mL de solution désoxygénée de chlorure de méthylène 3:1/toluène. Répétez cette étape deux fois de plus et laissez le solide sécher sur le papier filtre pendant 3 minutes.
5. Grattez le solide dans un flacon prépesé, puis pesez le flacon pour obtenir le rendement en Sn1-.
   REMARQUE: Stocker le matériau LVMOF sous un gaz inerte ou un vide dynamique afin d’éviter la décomposition en présence d’oxygène dans l’air.

8. Caractérisation du produit MOF par diffraction des rayons X en poudre (PXRD)

1. Transférer environ 20 à 30 mg du solide cristallin dans un porte-échantillon PXRD en silicium.
   REMARQUE: Alors que le Sn1- est suffisamment stable dans l’air pour la caractérisation par PXRD, des matériaux LVMOF plus sensibles à l’air peuvent être transférés dans une boîte à gants à atmosphère inerte et chargés dans un porte-échantillon PXRD capillaire scellable.
2. Placez le porte-échantillon dans un diffractomètre et fermez la porte de l’instrument.
3. Collectez le motif PXRD de 4 à 40 2θ (vitesse de balayage de 0,5 s/pas, taille de pas de 0,0204° 2θ) et comparez les données au motif de poudre simulé de Sn1-.

Résultats

La synthèse réussie de Sn1- produit un solide cristallin jaune vif. Les produits(0) MOF utilisant des agents de liaison phosphine tétratopiques analogues sont également jaunes. Le moyen le plus efficace de déterminer si la réaction a réussi est de recueillir le motif PXRD et d’évaluer la cristallinité de l’échantillon. Par exemple, la figure 2 montre le diagramme PXRD du Sn1- cristallin. Les principales caractéristiques pour vérifier que l’...

Discussion

Il y a plusieurs étapes critiques dans le protocole qui doivent être suivies afin d’obtenir le produit LVMOF à base de phosphine souhaité avec une cristallinité suffisante. La première est que le mélange de précurseur métallique et de modulateur (dans ce cas, tétrakis(triphénylphosphine)palladium(0) et triphénylphosphine, respectivement) doit être dissous indépendamment du liant phosphine multitopique (dans ce cas, Sn1). Il s’agit d’éviter la formation rapide et irréversible de poly...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
2800 Ultrasonic Cleaner, 3/4 Gallon, 40 kHz	Branson	CPX2800H	Used for sonicating
Argon, Ultra High Purity	Matheson	G1901101	Used as inert gas source
D8 ADVANCE Powder X-Ray Diffractometer	Bruker		Used to collect PXRD patterns
Dewar Flask	Chemglass Life Sciences	CG159303	Dewar used for liquid nitrogen
Flask, High Vacuum Valve, Capacity (mL) 10, Valve Size 0-4 mm	Synthware Glass	F490010	Reaction vessel referred to as "10 mL flask"
Grade 2 Qualitative Filter Paper, Standard, 42.5 mm circle	Whatman	1002-042	Used for product isolation
Methylene Chloride (HPLC)	Fisher Scientific	MFCD00000881	Dried and deoxygenated prior to use
Sn1 (tetratopic phosphine linker)			Prepared according to literature procedure (ref. 15)
SuperNuova+ Stirring Hotplate	Thermo Fisher Scientific	SP88850190	Used to heat oil bath
Tetrakis(triphenylphosphine) palladium(0), 99% (99.9+%-Pd)	Strem Chemicals	46-2150	Commercial Pd(0) source
Toluene (HPLC)	Fisher Scientific	MFCD00008512	Dried and deoxygenated prior to use
Triphenylphosphine, ≥95.0% (GC)	Sigma-Aldrich	93092	Used as a modulator
Weighing Paper	Fisher Scientific	09-898-12B	Used for solid addition