Synthèses et propriétés thermiques et photophysiques de nouveaux polymères de coordination à base de CuX (X = Cl, Br, I) et de ligands mono- ou dithioéthers

La recherche sur la conception de nouveaux matériaux, dits intelligents, est en constant progrès depuis plus de 30 ans. Historiquement, les premiers matériaux utilisés et transformés par l’homme étaient le bois, les minéraux et ses dérivés (pierre, métaux, etc.). C’est à la fin du 19e siècle que la synthèse des polymères organiques et inorganiques ainsi que leurs utilisations se développèrent. Ce progrès continue de nos jours. Ainsi, c’est dans cette direction que cette thèse fut rédigée, l’étude de polymères de coordination basés sur le cuivre(I). Elle s’orchestra en six principales sections de recherche. La première section, i.e. le chapitre 2 traite de la coordination de différents ligands monothioéthers sur du CuX (X = I, Br) pour former plusieurs types de polymères de coordination (CPs). Ainsi, le CP 1D [(Me[indice inférieur 2]S)[indice inférieur 3]{Cu[indice inférieur 2]([mu]-I)[indice inférieur 2}][indice inférieur n] est obtenu quand CuI et Sme[indice inférieur 2] réagissent ensemble dans le n-heptane, alors qu’ils entrainent la formation du CP 2D [(Me[indice inférieur 2]S) [indice inférieur 3] {Cu[indice inférieur 4]([mu]-I) [indice inférieur 4]}] [indice inférieur n] dans le MeCN. Ce dernier contient des unités de construction secondaire (SBU ; Secondary Building Units en anglais) en forme de cluster Cu[indice inférieur 4]I[indice inférieur 4] « cubane partiellement ouvert ». En faisant réagir le MeSEt avec du CuI, le CP 2D [(MeSEt) [indice inférieur 2]{Cu[indice inférieur 4] ([mu][indice inférieur 3]-I) [indice inférieur 2] ([mu][indice inférieur 2]-I) [indice inférieur 2]}(MeCN) [indice inférieur 2]] [indice inférieur n] contenant des SBUs de type Cu[indice inférieur 4]I[indice inférieur 4] « cubanes en escalier » a été isolé dans MeCN, alors qu’ils entrainent l’obtention du polymère 1D [(MeSEt) [indice inférieur 3]{Cu[indice inférieur 4] ([mu][indice inférieur 3]-I) [indice inférieur 4]}] [indice inférieur n] dans le n-heptane contenant quant à lui des clusters de types Cu[indice inférieur 4]I[indice inférieur 4] « cubanes fermés ». Alors que le traitement de MeSPr avec du CuI forme le CP 1D [(MeSPr) [indice inférieur 3]{Cu[indice inférieur 4] ([mu][indice inférieur 3]-I) [indice inférieur 4]}] [indice inférieur n], les composés [(L) [indice inférieur 4]{Cu[indice inférieur 4] ([mu][indice inférieur 3]-I) [indice inférieur 4]}] (L = EtSPr, Pr[indice inférieur 2]S) sont respectivement obtenus avec le EtSPr et le Pr[indice inférieur 2]S. À partir du [indice supérieur i]Pr[indice inférieur 2]S et de CuI, le cluster [([indice supérieur i]Pr[indice inférieur 2]S) [indice inférieur 6]{Cu[indice inférieur 8] ([mu][indice inférieur 3]-I) [indice inférieur 3]}([mu][indice inférieur 4]-I) [indice inférieur 2]}] est obtenu alors que l’on forme un CP 2D [(Cu[indice inférieur 3]Br[indice inférieur 3])(MeSEt) [indice inférieur 3]] [indice inférieur n] à partir de CuBr et MeSEt dans l’heptane. Ce dernier incorpore à la fois des Cu([mu][indice inférieur 2]-Br) [indice inférieur 2]Cu rhomboédriques et des SBUs de type Cu[indice inférieur 4]Br[indice inférieur 4] « cubanes ouverts ». Le MeSPr forme, quant à lui avec le CuBr dans l’heptane, le CP 1D [(Cu[indice inférieur 3]Br[indice inférieur 3])(MeSPr) [indice inférieur 3]] [indice inférieur n] qui, après recristallisation dans le MeCN, est converti en un CP 2D [(Cu[indice inférieur 5]Br[indice inférieur 5])([mu][indice inférieur 2]-MeSPr) [indice inférieur 3]] [indice inférieur n] incorporant des SBUs [(Cu[indice inférieur 5] ([mu][indice inférieur 4]-Br)([mu][indice inférieur 2]-Br)]. Les propriétés de stabilités thermiques et photophysiques de ces matériaux ont aussi été reportées.   Dans la section 2, i.e. au chapitre 3, les réactions entre des ligands dithioétherbutanes (1,4-bis(phénylthio)butane et 1,4-bis(cyclohexylthio)butane) avec CuX (X = Br, I) ont été étudiées. En faisant réagir les CuX avec le 1,4-bis(cyclohexylthio)butane, dans le ratio (1:1), les CPs 1D, peu luminescents, isostructuraux [(Cu[indice inférieur 2]X[indice inférieur 2])([mu]-CyS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 4])SCy) [indice inférieur 2]] [indice inférieur n] (X = Br, I) sont obtenus. Inversement, quand CuI réagit avec 1,4-bis(phénylthio)butane, dans le ratio (2:1), il se forme le préalablement reporté CP 2D [(Cu[indice inférieur 4]I[indice inférieur 4])([mu]- PhS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 4])SPh) [indice inférieur 2]] [indice inférieur n], alors qu’avec le CyS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 4])SCy, un nouveau composé luminescent est obtenu, mais sa structure n’a pas pu être résolue.(1) Les caractérisations habituelles en photophysique et en stabilité thermique ont été menées sur ces matériaux. Dans la troisième section, i.e. dans le chapitre 4, les réactions de coordination de CuX (Br, I) sur les ligands dithioétherbutènes E- et Z-PhS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])SPh, E- et Z-pTolS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])S-pTol ont été comparées. Quand les sels CuX réagissent avec E-PhS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])SPh les CP 2D [Cu[indice inférieur 2]X[indice inférieur 2]{[mu]-E-PhS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])SPh}[indice inférieur 2]] [indice inférieur n] (X = I, Br), composés isostructuraux, sont obtenus. Incorporant une structure sans-précédente, ces réseaux sont formés à partir de couches 2D en alternance ABAB, contenants des SBUs Cu[indice inférieur 2] ([mu][indice inférieur 2]-X) [indice inférieur 2] rhomboédriques. Inversement, quand l’isomère Z-PhS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])SPh réagit avec des sels de CuX, deux structures différentes sont obtenues : le CP 2D [Cu[indice inférieur 4] ([mu][indice inférieur 3]-I) [indice inférieur 4] ([mu]-Z-PhS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])SPh}[indice inférieur 2]] [indice inférieur n] contenant des SBUs de type « cubane fermé » et le complexe 0D [Cu[indice inférieur 2]Br[indice inférieur 2]{[mu]-Z-PhS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])SPh}[indice inférieur 2]]. De par la réaction de E-pTolS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])S-pTol avec CuI, le CP 2D [{Cu([mu][indice inférieur 3]-I)} [indice inférieur 2] ([mu]-E-pTolS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])S-pTol)]n contenant des rubans parallèles en escalier est obtenu, alors que la structure issue de CuBr n’a pas pu être résolue. Finalement, quand CuX réagit avec Z-pTolS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])S-pTol, les CPs 2D iso-structuraux [Cu[indice inférieur 2]X[indice inférieur 2]{[mu]-Z-pTolS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])S-pTol}[indice inférieur 2]] (X = I, Br) sont formés. Dans ce cas, contrairement, aux premières structures obtenues, les couches de ces CPs sont composées de grilles incorporant des SBUs rhomboédriques Cu[indice inférieur 2] ([mu][indice inférieur 2]-X) [indice inférieur 2] dont les distances Cu···Cu sont identiques d’une couche à l’autre. Les caractérisations habituelles en photophysique et en stabilités thermiques ont été menées sur ces matériaux. De plus, des calculs théoriques ont été réalisés afin de mieux comprendre les propriétés photophysiques de ces composés. La quatrième section, i.e. le chapitre 5, traite des réactions de CuX (Br, I, Cl) sur des ligands dithioétherbutynes (1,4-bis(pTolthio)but-2-yne et 1,4-bis(benzylthio)but-2-yne. Quand CuBr réagit avec 1,4-bis(pTolthio)but-2-yne, le CP 1D [{Cu([mu][indice inférieur 2]-Br) [indice inférieur 2]Cu}([mu]-pTolSCH[indice inférieur 2]C≡CCH[indice inférieur 2]S-pTol) [indice inférieur 2]] [indice inférieur n] est obtenu, alors que le CP 2D [{Cu[indice inférieur 4] ([mu][indice inférieur 3]-I) [indice inférieur 4]}([mu]-pTolSCH[indice inférieur 2]C≡CCH[indice inférieur 2]S-pTol) [indice inférieur 2]] [indice inférieur n], préalablement reporté, est formé.(2) La réaction des sels CuI et CuCl avec 1,4-bis(benzylthio)but-2-yne engendre la formation de complexes isomorphes 0D [{Cu([mu][indice inférieur 2]-X) [indice inférieur 2]Cu}([mu]-PhCH[indice inférieur 2]SCH[indice inférieur 2]C≡CCH[indice inférieur 2]SCH[indice inférieur 2]Ph) [indice inférieur 2]] (X = I, Br). Contrairement à l’utilisation de CuCl, qui avec PhCH[indice inférieur 2]SCH[indice inférieur 2]C≡CCH[indice inférieur 2]SCH[indice inférieur 2]Ph forme le CP 2D [{Cu[indice inférieur 2] ([mu][indice inférieur 2]-Cl)([mu] [indice inférieur 3]-Cl)}([mu]-PhCH[indice inférieur 2]SCH[indice inférieur 2]C≡CCH[indice inférieur 2]SCH[indice inférieur 2]Ph)] [indice inférieur n]. Notons que ce CP présente des propriétés de photophysique peu communes pour un dérivé chloré, car il émet de la lumière autour de 600 nm. La cinquième section, i.e. le chapitre 6, traite des réactions de CuI avec PhS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 8]SPh et pTolS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 8]S-pTol qui génèrent respectivement les CPs luminescents 1D [Cu[indice inférieur 4]I[indice inférieur 4]{[mu][indice inférieur 2]-PhS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 8]SPh}[indice inférieur 2]] [indice inférieur n] et 2D [Cu8I8{[mu]2-pTolS(CH2)8S-pTol}3(MeCN)2]n. Le CP 2D [Cu8I8{[mu]2-pTolS(CH2)8S-pTol}3 (MeCN)2]n présente un réseau qui n’avait jamais été rencontré dans la littérature auparavant, c.-à-d., des couches de polymère construites à partir de deux cubanes fermés pontés ensemble par un rhomboèdre comme SBUs. Leurs propriétés physiques et de stabilités thermiques ont été étudiées et présentent quelques différences notables. La sixième section, i.e. le chapitre 7, traite des réactions entre CuI avec le ligand flexible pTolS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 8]S-pTol dans le MeCN ou EtCN et p-[indice supérieur t]BuC[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]S(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 8]SC[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]-p-[indice supérieur t]Bu L2 dans EtCN. Les synthèses issues de pTolS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 8]S-pTol permettent l’obtention de CPs 2D [Cu[indice inférieur 8]I[indice inférieur 8]{pTolS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 8]S-pTol}[indice inférieur 3] (solvant) [indice inférieur 2]] [indice inférieur n] (1•MeCN et 1•EtCN) contenant des nœuds de connexion de type Cu[indice inférieur 8]I[indice inférieur 8]. Par opposition, l’utilisation du ligand p-[indice supérieur t]BuC[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]S(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 8]SC[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]-p-[indice supérieur t]Bu dans EtCN entraine la formation d’un CP 1D [Cu[indice inférieur 4]I[indice inférieur 4]{p-[indice supérieur t]BuC[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]S(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 8]SC[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]-p-[indice supérieur t]Bu}[indice inférieur 2] (EtCN) [indice inférieur 2]] [indice inférieur n] incorporant les SBUs de type cubane fermé. Les CPs 2D 1•MeCN et 1•EtCN, contrairement à 2•EtCN, présentent l’habilité de pouvoir perdre le solvant initialement incorporé dans leur structure sous vide et de le readsorber ou d’adsorber un autre solvant, chose qui peut être suivie à l’aide de la variation de la luminescence, la stabilité thermique, ou encore par diffraction des rayons X sur poudre. La septième section, i.e. le chapitre 8 traite des réactions, une fois encore, entre un ligand dithioéther, contenant un pont flexible butane (EtS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 4]SEt) et les sels CuX (X = I, Br). Dans ce cas, il se forme avec le CuI un CP luminescent 2D [Cu[indice inférieur 4]I[indice inférieur 4]{[mu]-EtS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 4]SEt}[indice inférieur 2]] [indice inférieur n], alors qu’il génère avec CuBr, le CP 3D [(Cu[indice inférieur 2]Br[indice inférieur 2]){[mu]-EtS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 4]SEt}][indice inférieur n] faiblement luminescent, construit sur des couches en parallèle pontées par les soufres doublement n-donneurs. Il est intéressant de remarquer qu’une migration de l’énergie d’excitation se produit dans le CP 3D (dérivé bromé) contrairement au CP 2D (dérivé iodé) sous excitation de haute intensité. Très peu d’exemples présentent ce type de processus parmi tous les CPs ( < 10). Pour conclure, les réactions entre les sels CuX (X = Cl, Br, I) avec des ligands thioéthers de types différents (mono-, di-thio, rigide ou flexible) peuvent offrir des matériaux de structures variables (CP 0D, 1D, 2D, 3D avec et sans cavités) présentant leurs propres spécificités (luminescence, stabilité thermique, adsorption de gaz, solvatochromisme, etc.). Le résultat le plus important à noter, en comparaison avec la littérature est, qu’il est très difficile, voire impossible, de pouvoir prédire la dimensionnalité, la structure et les propriétés dont résultera la coordination des ligands thioéthers sur des sels de CuX (X = Cl, Br, I). Par conséquent, de nombreuses combinaisons et études restent encore à être menées pour mieux comprendre ces matériaux et trouver la, ou les meilleures combinaisons possibles pour concevoir des MOFs luminescents à partir de CuX.

Synthesis and structural stability of metal-organic frameworks

Metal-organic frameworks (MOFs) have attracted significant attention during the past decade due to their high porosity, tunable structures, and controllable surface functionalities. Therefore many applications have been proposed for MOFs. All of them however are still in their infancy stage and have not yet been brought into the market place. In this thesis, the background of the MOF area is first briefly introduced. The main components and the motifs of designing MOFs are summarized, followed by their synthesis and postsynthetic modification methods. Several promising application areas of MOFs including gas storage and separation, catalysis and sensing are reviewed. The current status of commercialization of MOFs as new chemical products is also summarized. Examples of the design and synthesis of two new MOF structures Eu(4,4′,4′′,4′′′-(porphine-5,10,15,20-tetrayl)tetrakis(benzoic acid))·2H2O∙xDMF and Zn4O(azobenzene-4,4’-dicarboxylic acid)3∙xNMP are described. The first one contains free-base porphyrin centers and the second one has azobenzene components. Although the structures were synthesized as designed, unfortunately they did not possess the expected properties. The research idea to use MOFs as template materials to synthesize porous polymers is introduced. Several methods are discussed to grow PMMA into IRMOF-1 (Zn4O(benzene-1,4-dicarboxylate)3, IR stands for isoreticular) structure. High concentration of the monomers resulted in PMMA shell after MOF digestion while with low concentration of monomers no PMMA was left after digestion due to the small iii molecular weight. During the study of this chapter, Kitagawa and co-workers published several papers on the same topic, so this part of the research was terminated thereafter. Many MOFs are reported to be unstable in air due to the water molecules in air which greatly limited their applications. By incorporating a number of water repelling functional groups such as trifluoromethoxy group and methyl groups in the frameworks, the water stability of MOFs are shown to be significantly enhanced. Several MOFs inculding Banasorb-22 (Zn4O(2-trifluoromethoxybenzene-1,4-dicarboxylate)3), Banasorb-24 (Zn4O(2, 5-dimethylbenzene-1,4-dicarboxylate)3) and Banasorb-30 (Zn4O(2-methylbenzene-1,4-dicarboxylate)3) were synthesized and proved to have isostructures with IRMOF-1. Banasorb-22 was stable in boiling water steam for one week and Banasorb-30’s shelf life was over 10 months under ambient condition. For comparison, IRMOF-1’s structure collapses in air after a few hours to several days. Although MOF is a very popular research area nowadays, only a few studies have been reported on the mechanical properties of MOFs. Many of MOF’s applications involve high pressure conditions, so it is important to understand the behavior of MOFs under elivated pressures. The mechanical properties of IRMOF-1 and a new MOF structure Eu2(C12N2O4H6)3(DEF)0.87(H2O)2.13 were studied using diamond anvil cells at Advanced Photon Source. IRMOF-1 experienced an irriversible phase transtion to a nonporous phase followed by amorphization under high pressure. Eu2(C12N2O4H6)3(DEF)0.87(H2O)2.13 showed reversible compression under pressure up to 9.08GPa.

Octane improvement of gasoline with porous solids

In this work is performed the study of the hexane isomers separation with MOFs in order to improve the octane number of gasoline. The studies were performed with MOFs: MIL-125-Amine, MIL-53(Fe)-Cl, MIL-53(Fe)-Br and Fe-TazBz(DMF). It was observed that higher loadings were obtained for high pressure and low temperature. With MOFs like MIL-53(Fe)-Cl and MIL-53(Fe)-Br the components weren’t separated. In MIL-125-Amine hexane isomers were separated according to their boiling point, but the selectivity was small. The best result was obtained with MOF Fe-TazBz(DMF), because of the higher affinity of n-hex with this MOF, the separation from the other isomers was easier.

Active site engineering for heterogeneous catalysis using emerging nano-structured materials

The growing concern about the depletion of oil has spurred worldwide interest in finding alternative feedstocks for important petrochemical commodities and fuels. On the one hand, the enormous re-serves found (208 trillion cubic feet proven1), environmental sustainability and lower overall costs point to natural gas as the primary source for energy and chemicals in the near future.2 Nowadays the transformation of methane into useful chemicals and liquid fuels is only feasible via synthesis gas, a mixture of molecular hydrogen and carbon monoxide, that is further transformed to methanol or to hydrocarbons under moderate reaction conditions (150-350 °C and 10-100 bar).3 For a major cost reduction and in order to valorize small natural gas sources, either more efficient "syngas to products" catalysts should be produced or the manner in which methane is initially activated should be changed, ideally by developing catalysts able to directly oxidize methane to interesting products such as methanol. On the other hand, from the point of view of CO2 emissions, the use of the re-maining fossil resources will further contribute to global warming. In this scenario, the development of efficient routes for the transformation of CO2 into useful chemicals and fuels would represent a considerable step forward towards sustainability. Indeed, the environmental and economic incen-tives to develop processes for the conversion of CO2 into fuels and chemicals are great. However, for such conversions to become economically feasible, considerable research is necessary. In this lecture we will summarize our recent efforts into the design of new catalytic systems, based on MOFs and COFs, to address these challenges. Examples include the development of new Fe based FTS catalysts, electrocatalysts for the selective conversion of CO2 into syngas, the development of efficient catalysts for the utilization of formic acid as hydrogen storage vector and the development of new enzyme inspired systems for the direct transformation of methane to methanol under mild reaction conditions. References (1) http://www.clearonmoney.com/dw/doku.php?id=public:natural_gas_reserves. (2) Derouane, E. G.; Parmon, V.; Lemos, F.; Ribeiro, F. R. Sustainable Strategies for the Up-grading of Natural Gas: Fundamentals, Challenges, and Opportunities; Springer, 2005. (3) Rofer-DePoorter, C. K. Chemical Reviews. ACS Publications 1981, pp 447–474.

Métodos no convencionales para la preparación de polímeros de coordinación porosos. Una aproximación económica, medioambientalmente amigable y escalable

293 p. El contenido del capítulo 5 está sujeto a confidencialidad

Improved mechanical stability of HKUST-1 in confined nanospace

One of the main concerns in the technological application of several metal–organic frameworks (MOFs) relates to their structural instability under pressure (after a conforming step). Here we report for the first time that mechanical instability can be highly improved via nucleation and growth of MOF nanocrystals in the confined nanospace of activated carbons.

Ammonia effects on proton conductivity properties of coordination polymers

Crystalline metal phosphonates are referred to as a type of structurally versatile coordination polymers [1]. Many of them contain guest molecules (H2O, heterocyclics, etc.), acidic sites and, furthermore, their structure can be also amenable for post‐synthesis modifications in order to enhance desired properties [2]. In the present work, we examine the relationships between crystal structure and proton conductivity for several metal phosphonates derive from multifunctional ligands, such as 5-(dihydroxyphosphoryl)isophthalic acid (PiPhtA) [3] and 2-hydroxyphosphonoacetic acid (H3HPAA). Crystalline divalent metal derivatives show a great structural diversity, from 1D to 3D open-frameworks, possessing hydrogen-bonded water molecules and acid groups. These solids present a proton conductivity range between 7.2·10-6 and 1.3·10−3 S·cm-1. Upon exposure to ammonia vapor, from an aqueous solution, solid state transformations are observed accompanied of enhance proton conductivities. The stability of these solids under different environment conditions (temperature and relative humidities) as well as the influence of the ammonia adsorption on the proton conduction properties of the resulting solids will be discussed.