Green synthesis of coordination polymers using supercritical carbon dioxide

Abstract

Recentment l’interès per la investigació en polímers de coordinació (CPs) i en xarxes metal·lorgàniques (MOFs) ha crescut degut al potencial d’aquests materials per nombroses aplicacions com per exemple, l’alliberació controlada de fàrmacs, la catàlisi i l’emmagatzematge i la separació de gasos. Generalment aquests materials són sintetitzats utilitzant dissolvents orgànics tòxics i altes temperatures. Per aquest motiu, és necessari desenvolupar rutes sintètiques més sostenibles per accelerar l'expansió industrial d'aquests productes. L’objectiu principal del treball és sintetitzar CPs utilitzant tecnologies sostenibles basades en l’ús del diòxid de carboni supercrític (scCO2) com a dissolvent. Fins avui, la utilització d’aquest dissolvent en l’àrea dels CPs i MOfs ha estat restringida a etàpes d’activació o neteja post-sintètica. No obstant l’ús de scCO2 pot anar més enllà i pot ser utilitzat també com a solvent en la síntesi d’aquest materials. Per tant, l’objectiu principal d’aquesta tesi és demostrar aquesta possibilitat, establir un protocol sintètic. Per tal d’aconseguir aquest objectiu, s’ha desenvolupat una nova metodologia per explorar la síntesis de nous polímers de coordinació homometàl·lics o heterometal·lics de diferents dimensionalitats. Els CPs s’han obtingut mitjançant la reacció de complexos metàl·lics insaturat i els lligands orgànics en scCO2. S’han seleccionat diferents complexes organometàl·lics fluorats i lligands orgànics N-donadors tenint en compte la seva solubilitat en scCO2. Pels sistemes on s’utilitzen complexos metàl·lics amb baixa solubilitat, s’ha desenvolupat una alternativa basada en la utilització de lligands auxiliars pel metall. També s’han utilitzat connectors tipus bipiridina lineals o polipiridina trigonals. L’interès en la utilització d’aquests N-donadors per la síntesi de CPs està relacionat amb la geometria plana del nucli, que és ideal per generar estructures molt simètriques. Degut al caràcter sostenible de la síntesi s’ha considerat també el seu ús per la síntesi de materials biocompatibles. Per aquest motiu, com a prova de concepte, s’han utilitzat els productes naturals curcumina i àcid ferúlic com a lligands biocompatibles per la síntesi de bioMOFs de dos i de tres dimensions. En resum, al llarg dels diferents capítols de la tesis es demostra la viabilitat de la utilització del scCO2 per la síntesis de CPs i MOFs. S’ha aconseguit cristal·litzar 17 nous CPs i la majoria s’han pogut resoldre cristal·logràficament. A través dels diversos capítols es descriu la manera de superar els obstacles sintètics trobats al emprar scCO2 com a solvent, tals com la baixa solubilitat dels reactius o la ràpida precipitació de les fases cinètiques. També són presentades aplicacions en adsorció de gasos, magnetisme i alliberació controlada de fàrmacs.

Recently, the research in coordination polymers (CPs) and porous metal-organic frameworks (MOFs) has raised a large interest, since these materials are considered potential candidates for numerous applications, including drug delivery, catalysis, gas separation and storage. Generally, these materials are synthetized using toxic organic solvents and high temperatures. Therefore, the development of sustainable synthetic approaches becomes necessary to speed up the industrial expansion of these products. The main aim of this work is to synthetize CPs using a green technology based on supercritical carbon dioxide (scCO2) solvent. To date, the use of scCO2 in the field of CPs and MOFs has been mainly limited to the post-synthetic activation or cleaning steps. The use of scCO2 can go further, including the synthesis of these materials. Hence, the main objective of this work is to demonstrate this possibility, stablishing a synthetic protocol. In order to achieve the main aim, a new methodology has been developed to explore the synthesis of new single and mixed-metal CPs with different dimensionalities. CPs have been obtained by reacting a metallic complex and an organic linker in scCO2. Fluorinated organometallic complexes (i.e., hexafluoroacetylacetonate) and N-donor organic linkers have been selected taking into account their significant solubility in scCO2. Alternatives for systems involving metal complexes with low solubility have been also developed, based on the use of ancillary ligands for the metal. Linear bipyridyl and trigonal polypyridyl connectors have also been used. The growing interest in the synthesis of these CPs based on N-donor organic linkers is related to their core’s planar geometry, ideally suited to generate highly symmetrical structures. Most importantly, the green character of the synthesis allows to consider its use for the synthesis of biocompatible materials. Therefore, as a proof of concept the use of bio-linkers, e.g., curcumin and ferulic acid, for 2D and 3D bioMOFs synthesis has been explored. In short, along the different Chapters the viability of the easy, fast and eco-friendly synthesis of CPs and MOFs using scCO2 has been demonstrated. Using diverse metal nodes and linkers, 17 new CPs have been crystallized in this solvent, most of them elucidated crystallographically. The way in which synthetic obstacles in scCO2, such as low solubility of reagents or fast precipitation of kinetic phases are overcome, has been described along the different Chapters. Applications in gas adsorption, magnetism and drug delivery have also been presented.