Conception et fonctionnalisation de MOFs pour le greffage et l'encapsulation de complexe organométallique

Development of MOFs as supports or host for organometallic complexes

• Auteur / Autrice : Tristan Lescouet
• Direction : David Farrusseng
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Physique des Matériaux
• Date : Soutenance le 14/12/2012
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mihai Barboiu, Caroline Mellot-Drazniecks, Thomas Devic, Nicolas Bats

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isocyanates

Clusters (chimie)

Composés organométalliques

Catalyseurs métalliques

Agrégats métalliques

Mots clés libres

Metal-Organic Frameworks

Clusters métalliques

Catalyse

Catalyseurs organométalliques

Encapsulation

Metal-Organic Frameworks

Metallic clusters

Catalysis

Organometallic catalysts

Encaspulation

Résumé

Les Metal-Organic Frameworks résultent de l’organisation de clusters métalliques et demolécules organiques chélatantes qui forment un réseau cristallin poreux. Leur découverte apermis des avancées majeures dans le domaine du stockage et de la séparation des gaz.Malheureusement la faible stabilité et l’acidité modérée de ces matériaux ne les rendent quepeu compétitifs par rapport aux zéolites dans le domaine du raffinage ou de la dépollution. Ils’agit d’explorer, avec ces matériaux, de nouvelles applications catalytiques en tirant partie deleur principale qualité : leur modularité. En effet le large choix de métaux, de ligands, ainsique la post fonctionnalisation de ces derniers permet la synthèse contrôlée de matériauxpossédant des propriétés de flexibilité, de confinement ainsi qu’un environnement chimiquesimilaire à celui des sites actifs des enzymes. Ce travail s’inspire du procédé catalytique desenzymes pour obtenir des MOFs hautement sélectifs en conditions douces. Nous décrivons ledéveloppement de méthodes pour encapsuler des catalyseurs organométalliques dans despores calibrés afin de modifier la sélectivité d’une réaction d’oxydation et stabiliser lecatalyseur. Quatre MOFs supportant des groupes amino ont été synthétisés afin de permettreleur post fonctionnalisation. Les propriétés de flexibilité ainsi que la distribution des sitespotentiellement actifs du MOF MIL-53 ont également été contrôlés grâce à lafonctionnalisation partielle de la structure. Enfin ces amino MOFs furent post fonctionnalisésen isocyanate en deux étapes afin d’améliorer la réactivité de la structure et de permettre legreffage de diverses amines. Ces outils pourraient permettre à court terme la conception deMOFs dont les pores ont un environnement semblable aux metalloenzymes.

MOFs are generated from the association of metallic clusters connected by organic linkers toform crystalline porous materials. Their discovery was a breakthrough in the domain ofseparation and gas storage. Unfortunately, MOFs have a low stability and moderate acidityand cannot compete with zeolites for use in industrial catalysis. To design a viable MOFcatalyst, we can take advantage of its almost infinite possibility of customisation. Indeed, alarge choice of metal, linkers or post synthetic modifications allow the creation ofenvironments similar to the active sites of enzymes and can lead to the synthesis of solidswith analogue flexibility or “molecular recognition” properties. This work takes inspirationfrom enzymes to mimic their ability to catalyse reactions with high chemio-, region- andenantio-selectivity in mild conditions. We developed a method for the encapsulation oforganometallic complexes in the large pore of MOF MIL-101. The selectivity of an oxidationreaction was modified and the catalyst was stabilised within the MOF. In addition, four aminofunctionalized MOFs were synthesized as starting materials for post functionalization. Theirflexibility and the active site distribution were controlled by the use of a “mixed linker”strategy: functionalized linkers were diluted with unfunctionalized ones during the synthesis.Lastly, these amino-MOFs were post-functionalized in two steps in isocyanate in order toameliorate the structure reactivity and allow for the grafting of a large range of amines. Thiswork brings the tools for the synthesis of potential “artificial enzymes”.