República de Cuba Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales Universidad de la Habana Enrejados metal – orgánicos (MOFs) monometálicos, bimetálicos y polioxometálicos de ácido tereftálico e imidazol: Diseño, síntesis y caracterización. Tesis en opción al título de Doctor en Ciencias Químicas. Autor: M.C.Luisa Marleny Rodríguez Albelo Tutores: Dr. Angel Rabdel Ruíz salvador Dr. Dewi W. Lewis Dr. Mario Juan Basterrechea Rey Ciudad de la Habana 2010 DEDICATORIA A mi familia, especialmente a Susy. AGRADECIMIENTOS Deseo agradecer en primer lugar a mis tutores, los cuales me han enseñado durante estos años como enfrentar cada reto que nacía de cada experimento o modelación que realizaba, Mario que me ha instruido desde que empecé mi vida en la ciencia, Dewi quien me ha orientado y acogido cada vez que iba a su departamento y a Rabdel, en su papel de tutor constante, con ideas nuevas en cada momento, y como un gran amigo y pareja de la vida. Para este trabajo ha sido invaluable la colaboración de Ariel Gómez, Anne Dolbecq, Pierre Mialane, Caroline Mellot-Draznieks, Mark Green, Jean-Claude M´Peko, Miguel Autie y Giselle Autie. Otros colegas merecen igual mi agradecimiento, como Wouter van beek, Mohamedally Kurmoo, Pavel Zajdel, Guillaume Maurin, Beatriz Díaz, Eugenio Jiménez y Leslie Reguera. Agradezco además al instituto, y en especial a la Universidad de la Habana donde he podido llevar a buen final este trabajo de tesis, y con ellos a todas las personas que directamente, o anónimamente han colaborado en el desarrollo de la misma. En el instituto mi gratitud le corresponde a muchos, entre ellos Falcón, Pedro Pérez, Edilso, Paneque, Johan, Viviana, Canino, Javier, Chawi, Llópiz, Ribalta, Ana Rosa, Olimpia, Anabel, Aramis, Tania, Omitzu, Karell, Marcia, Juanito, Annie, Xiomara, Ania, Lariot, Arelys, Erelys, Larin, Teresita, Yamilia y otros. También le agradezco a la Facultad de Química y con ello a Correa, Yamila, Osmar, Estael, Hortensia, Mocelo, Alicia, Roberto Cao, Roberto Cao Jr. y Néstor. De igual forma agradezco al Departamento de Química de la University College London que me acogió como una de sus alumnas en mis estancias en el Reino Unido, y particularmente a Dave, a Russell, a Steve, a Richard, a Ricardo, a Neyvis, Alvaro y a todos los del laboratorio 105 que compartieron conmigo cada día. No por ser menos tiempo olvidaría agradecer al Instituto Lavoisier de la Universidad de Versailles, en Paris, Francia, donde me acogieron como amigos Anne, Pierre, Jean-Pierre y todos los demás colegas del laboratorio. A todos mis amigos y colegas de aquí y de allá, a Soulla, Lily, Patri, Elenita, Mandy, Osvaldo, Charly, Alejandro, Joelis, Rimada, Duque, Inocente, Betty, Geonel, Mario Fidel, Balmaseda, Lisette, Yunier, Navarro, entre muchos otros que aunque no mencione, no son menos importantes. El gran soporte para poder hacer este trabajo lo he tenido en mi familia, que les agradezco a todos su amor, su paciencia y dedicación, y todos los sacrificios de estos tiempos, especialmente a Susanita, Rabde, Mami, Papi, Wicho, Tania, Karelia, Ernestico, Anabelita, Tata, Dani, Daily, y Tía Norma, y otros más. A todos, ¡MUCHAS GRACIAS! Título: Enrejados metal – orgánicos (MOFs) monometálicos, bimetálicos y polioxometálicos de ácido tereftálico e imidazol: Diseño, síntesis y caracterización. Autor: M.C. Luisa Marleny Rodríguez Albelo Tutores: Dr. A. Rabdel Ruiz Salvador Dr. Dewi Lewis Dr. Mario J. Basterrechea Rey Síntesis: El objeto de estudio de esta tesis son los polímeros de coordinación del tipo enrejados metal-orgánicos (MOFs de las siglas en inglés). A través del diseño computacional se predicen materiales con propiedades específicas que son sintetizados y caracterizados en la tesis. Estos materiales presentan propiedades que les confieren aplicaciones potenciales. Se obtienen por síntesis solvotermal dos nuevos enrejados metal-orgánicos basados en Mn y ácido tereftálico como ligando orgánico, utilizando los disolventes 1formilpirrolidona y 1-formilpiperidina. Previamente se modelan estos materiales, que resultan en estructuras estables, a partir de un MOF conocido de la literatura, cuyo enrejado está formado por las mismas especies, pero con N,N´-dietilformamida en las cavidades. Estos materiales muestran flexibilidad inducida por los disolventes, hecho que se demostró con la interconversión, en condiciones suaves, del tereftalato de manganeso desolvatado del tipo Kaduk, a los diferentes materiales con los respectivos disolventes empleados. Paradójicamente, se muestra la robustez termoestructural de los materiales sintetizados, con el empleo de difracción de rayos X de luz sincrotrón y espectroscopía Raman, medidas in situ. Se modelan enrejados metal-orgánicos bimetálicos, y se calculan las cargas en los átomos de la celda unitaria, así como los mapas de potencial electrostático y de densidad electrónica. Estos mapas demuestran las diferencias entre ellos alrededor de los metales y en las cavidades, indicando que el uso de metales mixtos en sitios expuestos es una vía para introducir inhomogeneidades en las cavidades de los MOFs. Se obtienen 10 MOF bimetálicos, que cristalizan en tres fases cristalinas diferentes, en grupos de 5, 3 y 2. El grupo de 5 presenta un intervalo de estabilidad térmica mayor de 150ºC. Se muestra la aplicación de dos de los materiales sintetizados en la separación de mezclas de hidrocarburos aromáticos: benceno, tolueno y xileno y se explica el poder de separación con las diferencias de las cargas calculadas. Se diseñan dos series de MOFs tipo zeolitas: uno basado en imidazol y Zn, y el otro con nanoclústeres de polioxometalatos y ácido tereftálico. En el primer grupo se analizan los factores que controlan la estabilidad de estos materiales y se dan líneas que deberán conducir a la síntesis de MOFs con cavidades de mayor tamaño. En el segundo grupo, se estudian por primera vez estructuras zeolíticas, denominadas Z-POMOFs. Se analizan los factores que influyen en el orden energético de los Z-POMOFs modelados. Se sintetiza el primer Z-POMOF1, que resulta en una estructura tri-interpenetrada de tipo cristobalita. Se estudian sus propiedades electroquímicas y se demuestra su actividad electrocatalítica frente a la reducción del bromato. INDICE Página INTRODUCCIÓN 1 1. CAPÍTULO I. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 6 1.1. Reseña histórica: Antecedentes y Definiciones. 6 1.2. Los enrejados metal-orgánicos (MOFs). 8 1.2.1 Características estructurales. 8 1.2.2. Clasificación de los Polímeros de Coordinación. 12 1.3. Síntesis de enrejados metal-orgánicos. 14 1.4. Métodos Experimentales de Caracterización de MOFs 18 1.5. Modelación de enrejados metal-orgánicos. 21 1.6. Aplicaciones de los enrejados metal-orgánicos. 26 2. CAPÍTULO II. MATERIALES Y MÉTODOS EXPERIMENTALES 27 2.1. Preparación de los enrejados metal-orgánicos. 27 2.1.1. Síntesis de Mn(C8H4O4)(H2O)2. 27 2.1.2. Síntesis de Mn3(C8H4O4)3(C5H11NO)2. 28 2.1.3. Síntesis de Mn3(C8H4O4)3(C5H9NO)2. 28 2.1.4. Síntesis de Mn3(C8H4O4)3(C6H11NO)2 28 2.1.5. Síntesis de Mn0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2 29 2.1.6. Síntesis de Mn0.5Mg0.5(C8H4O4)(H2O)2. 29 2.1.7. Síntesis de Mg0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2. 29 2.1.8. Síntesis de Mn0.5Cd0.5(C8H4O4)(H2O)2. 30 2.1.9. Síntesis de Mn0.5Zn0.5(C8H4O4)(H2O)2 30 2.1.10. Síntesis de [Mg2Zn(BDC)3(H2O)3].4DMF 30 2.1.11. Síntesis de [CoZn2(BDC)3(H2O)3].4DMF 31 2.1.12. Síntesis de [MnZn2(BDC)3(H2O)3].4DMF. 31 2.1.13. Síntesis de Mn1.5Co1.5(BDC)3(DEF)2 . 31 2.1.14. Síntesis de Mn1.5Co1.5(BDC)3(FPIP)2 31 2.1.15 Síntesis de Z-POMOF1: [TBA]3[PMoV8MoVI4O36(OH)4Zn4(BDC)2].2H2O 32 2.2. Caracterización químico-física de los enrejados metal-orgánicos. 32 2.2.1. Difracción de rayos X. 32 2.2.2. Espectroscopía de Infrarrojo, Raman y Termogravimetría. 33 2.3. Experimentos de intercambio de disolventes y de desolvatación- resolvatación. 34 2.4.1. Simulación computacional de Mn3(C8H4O4)3(C5H9NO)2 y Mn3(C8H4O4)3(C6H11NO)2. 34 2.4.2. Modelación computacional de MOFs bimetálicos. 35 2.4.3. Modelación de MOFs zeolíticos. 35 2.4.3.1. Modelación de MOFs zeolíticos tipo ZIF. 35 2.4.3.2. Modelación de enrejados zeolíticos de tipo POMOFs. 36 2.5. Estudio electroquímico del Z-POMOF1. 39 3 CAPÍTULO III. ENREJADOS METAL-ORGÁNICOS DE TEREFTALATOS DE MANGANESO (Mn-BDC): COEXISTENCIA DE LA FLEXIBILIDAD INDUCIDA POR EL DISOLVENTE Y ROBUSTEZ TÉRMICA ESTRUCTURAL. 41 3.1. Introducción 3.2. Diseño computacional de MOFs análogos de Mn3(BDC)3(DEF)2 con poros 41 expandidos. 42 3.3. Síntesis y características estructurales de tereftalatos de manganeso. 44 3.3.1. Síntesis de Mn(BDC)(H2O)2. y Mn3(BDC)3(DEF)2. 44 3.3.2. Síntesis de Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2. 47 3.4. Flexibilidad inducida por el disolvente. 51 3.5. Robustez termoestructural de los enrejados Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2 53 3.6. Conclusiones del capítulo III 60 4 CAPÍTULO IV. ENREJADOS METAL-ORGÁNICOS BIMETÁLICOS DEL ÁCIDO TEREFTÁLICO. 61 4.1. Introducción. 61 4.2. Modelación de MOFs bimetálicos. 62 4.3. Síntesis y caracterización físico-química de enrejados metal-orgánicos bimetálicos. 66 4.3.1. Síntesis y caracterización de los enrejados mixtos M0.5M’0.5(BDC)(H2O)2. 66 4.3.2. Síntesis y caracterización de los enrejados mixtos [MM’2(BDC)3 (H2O)3].4DMF. 72 4.3.3. Síntesis y caracterización de los enrejados mixtos de Mn-Co con DEF y FPIP. 77 4.4. MOFs bimetálicos para la separación de hidrocarburos aromáticos. 79 4.5. Conclusiones del capítulo IV 82 5 CAPÍTULO V. ENREJADOS METAL-ORGÁNICOS ZEOLÍTICOS 84 5.1. Introducción. 84 5.2. Simulación computacional de los ZIFs. 86 5.3. Simulación computacional de los Z-POMOFs. 89 5.4. Síntesis y caracterización químico-física del Z-POMOF1. 92 5.5. Estructura cristalina del ZPOMOF1. 95 5.6. Propiedades electrocatalíticas del Z-POMOF1. 99 5.7. Conclusiones del capítulo V. 101 CONCLUSIONES GENERALES 103 RECOMENDACIONES 105 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 106 ANEXOS 122 Abreviaturas y siglas empleadas en el documento de la tesis. 1D: unidimensional 2D: bidimensional 3D: tridimensional. ATG: Análisis TermoGravométrico. BDC: del inglés Benzenedicarboxilate BTC: del inglés benzenetricarboxilate CCDC: del inglés Cambridge Crystallographic Data Center, www.ccdc.cam.ac.uk/ CGI: Cromatografía de Gases Inversa. CPE: del ingles Carbon Paste Electrodes. CV: del inglés Cyclic Voltametry DEF: N,N´-dietilformamida DMF: N,N´-dimetilformamida DSC: del inglés Differential Scanning Calorimetry. EDAX: del inglés Energy Dispersive Absorption X-Ray Spectroscopy EXAFS: del inglés Extended X-ray Adsorption Fine Structure FPIP: 1-formilpiperidina FPYR: 1.formilpirrolidina FTIR: de inglés Fourier Transformed-InfraRed IM: imidazol . M: metal MOF : del inglés Metal Organic Framework, enrejado metal orgánico POM : del inglés PolyOxoMetal, polioxometálico PVAE: del inglés Polyvinyl alcohol modified electrodes. SDA: del inglés Structure Directing Agent. TBA:tetrabutilamonio TEA: tetraetilamonio TMA: tetrametilamonio UV-VIS: del inglés UltraViolet-Visible XANES: del inglés X-ray Adsorption Near Edge Structure XRPD: del inglés X-Ray Powder Diffraction ZIF : del inglés Zeolite Imidazol Framework. Z-POMOF: del inglés Zeolitic PolyOxoMetal Organic Framework. INTRODUCCIÓN El desarrollo de la humanidad ha estado muy ligado al uso de materiales, desde la época primitiva hasta nuestros días. En los siglos recientes los metales y aleaciones, primeramente, hicieron posible la industria pesada y de maquinarias, y luego los semiconductores, dieron origen a la automatización, la informática y la computación a grandes escalas. En la actualidad, los cambios más significativos en áreas como la salud, la protección del medio ambiente y la energía,1-4 se centran en los materiales híbridos orgánicos – inorgánicos, Los sólidos híbridos son, desde el punto de vista estructural heterogéneos, conocidos como compósitos, y homogéneos. Dentro de los homogéneos aparecen de manera dominante, los polímeros de coordinación 5, 6 , que incluyen con el nombre de enrejados metal – orgánicos 7-10 (MOF, abreviatura del inglés Metal-Organic Framework) aquellos sólidos que son cristalinos y contienen enrejados donde se mezclan las componentes orgánicas e inorgánicas. Los MOF han impactado por sus propiedades adsortivas acaparando los récords de adsorción de hidrógeno 4, 11-16, metano 2, 10, 17 y dióxido de carbono 18-20, entre otros 21-23, a la vez que se han obtenido materiales con interesantes propiedades catalíticas 24-27, de separación molecular 28-32 , electrónicas 33-35 , ópticas 36 y magnéticas 37, 38, 39, 40 . Los resultados mencionados anteriormente, han impulsado el trabajo en torno a estos materiales y en la actualidad se publican anualmente más de 1000 artículos en revistas indexadas en la Web of Science. Los MOFs son considerados sólidos modulares 8, 41-43 , debido a que su estructura se puede describir a través de unidades de construcción que se ensamblan entre sí. Esta característica es análoga a la de las zeolitas, ya estudiadas con amplitud desde mediados del siglo pasado 44 y con antecedentes en nuestro país tanto del punto de vista experimental 45-49 como teórico 50-54. La similitud con las zeolitas incluye además, la presencia de nanoporosidad 8, 12, 41, 55-58 . Esta característica y la mezcla de componentes orgánicos e inorgánicos en un mismo cristal, hacen que la síntesis de estos materiales sea una tarea difícil que depende notablemente de una gran cantidad de variables. La estructura de los MOFs es muy compleja y requiere de variados métodos experimentales para su estudio. Debido a que sus celdas unitarias poseen un gran número de átomos y grandes dimensiones, es muy conveniente disponer de monocristales para resolver la estructura. Sin embargo, en muchos casos sólo se obtienen productos en forma de polvos policristalinos, lo 1 cual dificulta el estudio estructural, unido al hecho de que frecuentemente se obtienen mezclas de fases en las síntesis. Adicionalmente, las especies que no conforman el enrejado pueden presentar desorden estructural, lo que se suma a las dificultades ya mencionadas 59-61. En este contexto los métodos teóricos – computacionales se presentan como herramientas complementarias de gran utilidad 1, 62-65. La experiencia ganada en zeolitas y materiales nanoporosos análogos ha sido extrapolada en muchos casos a los MOFs. Por otra parte, se ha demostrado que existe una relación muy estrecha entre las propiedades de estos materiales y su compleja estructura 38, 57, 66-70 . En este sentido los mayores esfuerzos continúan centrados en el desarrollo de nuevos MOFs, por lo que nuestro trabajo se desarrolla en esta dirección, la cual constituye el eje central de esta tesis. Es útil señalar que en nuestro país, el estudio de los sólidos híbridos orgánicos – inorgánicos está en su etapa inicial, donde sólo se citan escasos resultados de materiales compósitos 71 y algunos trabajos en polímeros de coordinación basados en cianometalatos 72-74, mientras que en el área específica de MOF no se registran reportes anteriores a esta tesis. Mientras que los materiales sintéticos inorgánicos se obtienen generalmente a temperaturas elevadas (por encima de 1000ºC), los MOFs se pueden obtener en condiciones más suaves (inferior a 200ºC e incluso en condiciones ambientales). Sin embargo, comúnmente las síntesis a temperaturas superiores a la ambiente, conocidas como solvotermales, son conducidas en ambientes cerrados lo que hace muy difícil su estudio y control. El problema científico que se plantea es la obtención de materiales nanoestructurados con utilidad en la ciencia y la tecnología, relacionados con la adsorción, separación, catálisis, tamices moleculares, electrónica y magnetismo. La tesis tiene como objetivo general la obtención de nuevos enrejados metal-orgánicos (MOF) con ácido tereftálico e imidazol como ligandos y metales, tales como: Mg, Mn, Co, Zn, Cd y Mo, mediante la combinación del diseño computacional y métodos de síntesis solvotermal, que presenten estructuras que le confieran potenciales aplicaciones en la adsorción, separación y la catálisis. En esta dirección, se presentan varios MOFs nuevos, que se pueden agrupar en tres grupos. El primero incluye dos MOFs basados en manganeso y ácido tereftálico, el segundo, diez MOFs con metales mixtos y ácido tereftálico y en el tercer grupo se presentan MOFs tipo zeolitas, una parte formados por imidazolatos (ZIFs) y la otra por nanoclústeres polioxometálicos (POM) y ácido tereftálico. 2 El manganeso es un metal de la primera serie de transición con una estructura electrónica, que le confiere diversidad de modos de coordinación con ligandos orgánicos y una abundante variedad de propiedades. Diversos estudios han demostrado que los MOFs basados en Mn con sitios metálicos expuestos a las cavidades poseen interesantes propiedades adsortivas, por lo que como primer objetivo específico se propone obtener, mediante síntesis química, nuevos MOFs basados en Mn y ácido tereftálico, con 1-formilpirrolidina y 1formilpiperidina, como disolventes, caracterizarlos estructuralmente y estudiar la flexibilidad y robustez termoestructural de los nuevos MOFs. Se conoce que las propiedades de adsorción y separación molecular se ven favorecidas con la introducción de inhomogeneidades en el campo eléctrico local en las cavidades nanoporosas 75 , lo cual se puede lograr con el uso de cationes extraenrejado. En los MOFs, dada la flexibilidad estructural y la ausencia de cationes extraenrejado (en la mayoría de los casos), una posibilidad para alcanzar dicha inhomogeneidad, es la colocación de metales mixtos en sitios expuestos en el enrejado. Estudios recientes han demostrado, que la presencia de metales mixtos modifica finamente las propiedades magnéticas de los MOFs 40 , lo que sugiere que puede ser extendido a otras propiedades. En este sentido se propone como segundo objetivo específico, preparar mediante síntesis química, MOFs bimetálicos con ácido tereftálico, caracterizarlos y estudiar la influencia del par metálico presente en los enrejados, en el poder de separación de compuestos orgánicos volátiles. Los MOFs tipo zeolitas ha emergido como nuevos materiales con enrejados extendidos debido a sus interesantes propiedades adsortivas. Sin embargo, producto de sus complejas estructuras, han sido objeto de muy limitados estudios teórico-computacionales, comparados con las zeolitas. Con el uso de herramientas computacionales adecuadas y la selección de motivos estructurales tetraédricos, como iones de Zn2+ (familia de los ZIFs) y nanoclústeres oxometálicos, conocidos como polioxometalatos (familia de los POMOFs), se hace viable la exploración de nuevos enrejados zeolíticos. Como tercer objetivo específico se propone la construcción de MOFs con estructuras tipo zeolitas, la evaluación de sus energías y la correlación entre propiedades estructurales y estabilidad de los mismos. En los últimos cinco años se han realizado estudios encaminados a preparar MOFs basados en POMs, reportándose sólo unos pocos materiales de este tipo (POMOF). Por lo general, los POMs son solubles, lo que limita mucho sus aplicaciones electroquímicas y electrocatalíticas, 3 de ahí que la preparación de POMOFs poco solubles en agua sea una tarea de interés científico y tecnológico. Estos sólidos zeolíticos pueden constituir una serie de nuevos materiales híbridos orgánico – inorgánicos. De acuerdo con los aspectos anteriormente mencionados se propone como cuarto objetivo específico, preparar mediante la síntesis química nuevos POMOFs a partir del ácido tereftálico y polioxometalatos, con estructuras tipo zeolita poco solubles en agua, caracterizarlos y estudiar sus propiedades electroquímicas. Debido al notable avance de los métodos teórico – computacionales, su uso se hace hoy cada vez más presente en el estudio de nuevos materiales. Sin embargo, en el campo de los MOFs se recogen pocos trabajos donde se estudien propiedades estructurales de estos sólidos 29, 63-65, 76-80 y donde se hagan predicciones de sus estructuras 62, 76, 81-84. En esta tesis se propone como quinto objetivo específico utilizar técnicas teórico – computacionales para el diseño y estudio de propiedades estructurales de MOFs, y mostrar las potencialidades de dichos métodos como herramienta adicional en la caracterización de los mismos. La tesis cuenta con cinco capítulos, las conclusiones generales, las recomendaciones, las referencias bibliográficas y los anexos. Además, se completa con esta introducción, el índice y los agradecimientos. A continuación se presentan brevemente los aspectos a tratar en cada uno de los capítulos. ¾ Capítulo I. Se hace un resumen de las principales características de las MOFs con énfasis en la estructura, los métodos de síntesis, así como sus aplicaciones más importantes. En este mismo capítulo se describen las principales técnicas de caracterización que se emplean en la actualidad. Además, se refieren brevemente los métodos teóricos – computacionales empleados. ¾ Capítulo II. Se muestran los materiales y métodos empleados en el trabajo. Se describen los procedimientos utilizados en la preparación y caracterización de los sólidos y también, en la modelación. ¾ Capítulo III. Está dedicado al estudio de la flexibilidad estructural de MOFs basados en manganeso y ácido tereftálico. Se obtienen dos MOFs nuevos y se caracterizan por una variedad de técnicas, incluida difracción de rayos X con fuente de luz sincrotrón. Se muestra además la robustez termoestructural de estos materiales. ¾ Capítulo IV. Está enfocado en el desarrollo de nuevos MOFs bimetálicos y ácido tereftálico. Se caracterizan estos sólidos por diversas técnicas y se discuten las causas que 4 explican la separación de benceno, tolueno y o-xileno. Se presentan resultados de modelación atomística que contribuyen a entender las propiedades de separación molecular. ¾ Capítulo V. Se dedica al estudio de MOFs con enrejados zeolíticos, que comprende el uso de herramientas de diseño para la generación de series de MOFs hipotéticos (ZIFs y ZPOMOFs) y la evaluación de la relación entre sus propiedades estructurales y su estabilidad, junto a la introducción de la nueva familia de POMOFs zeolíticos (Z-POMOFs). Se sintetiza por primera vez un Z-POMOF y se caracteriza por diferentes técnicas. Se presentan las propiedades electroquímicas de este sólido y su aplicación electrocatalítica en la reducción de bromato. La hipótesis se plantea como sigue: Al hacer reaccionar el ácido tereftálico con sales de Mn, Co, Mg, Zn, Cd y nanoclústeres metálicos, en condiciones solvotermales controladas, se obtienen enrejados metal-orgánicos con topologías diversas y potencialidades para distintas aplicaciones, para lo cual nos apoyamos en métodos de simulación computacional. La novedad científica de la tesis está centrada, fundamentalmente, en: (1) la obtención de dos MOFs basados en Mn y ácido tereftálico, (2) la preparación de diez MOFs bimetálicos y ácido tereftálico, así como la demostración de la influencia del par metálico en la separación de hidrocarburos aromáticos, (3) el diseño de nuevos ZIFs y la introducción de los Z-POMOFs, unido a las características estructurales en relación a su estabilidad, (4) la preparación del primer Z-POMOF reportado en la literatura, y (5) se muestra por primera vez una aplicación real para un POMOF, en este caso la actividad electrocatalítica en la reducción del ión bromato en disolución. Con esta tesis se introducen en Cuba los estudios sistemáticos relacionados con los enrejados metal – orgánicos (MOFs), los que se consideran un área emergente de los sólidos nanoestructurados. En la presente tesis se obtienen nuevos Enrejados Metal-Orgánicos que son el resultado del diseño racional de materiales y la aplicación de métodos de síntesis solvotermal. La tesis se ha realizado en el IMRE de la Universidad de La Habana en cooperación con el Departamento de Química del University College London (Londres, Reino Unido). También se ha cooperado con el Instituto Lavoiser de la Universidad de Versalles (Paris, Francia) y el Departamento de Física de la Universidad de Guelph (Guelph, Canadá). Para la realización de este trabajo se ha contado con el apoyo de un proyecto del Programa Nacional de Ciencias Básicas, un proyecto conjunto con la Royal Society (UK) y una red ALFA (UE). 5 CAPITULO I. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 1.1 Reseña histórica: Antecedentes y Definiciones. A finales del siglo XX el desarrollo acelerado de la química del petróleo, así como la Química Farmacéutica, impulsaron la búsqueda de nuevos materiales con propiedades similares a las zeolitas 44. En este marco, es que los materiales zeolíticos constituyen el tronco genealógico de los enrejados metal-orgánicos, o polímeros de coordinación 85. Desde la síntesis del MOF-5 en 1999 por Yaghi, O’Keeffe y col.86, los enrejados metalorgánicos (MOFs siglas en inglés Metal Organic Framework), han volcado hacia sí, la atención de los científicos, debido a la diversidad de sus potenciales aplicaciones6, 21, 35, 41 y sus interesantes propiedades estructurales57, nanoporosidad12, 78, 87-90; , magnéticas37-40, ópticas36 y de su 55-58 . Evolutivamente, los MOFs son un novedoso avance tecnológico de materiales porosos, ya que el enrejado está formado, por enlaces fuertes entre las especies metálicas y orgánicas, en los cuales se combinan las propiedades de ambas partes, mientras que en las zeolitas, los enrejados son puramente inorgánicos7. En la Figura 1.1 se pueden apreciar, algunos ejemplos de estructuras de MOFs. El término MOF, aparece por primera vez, alrededor de los años 80 y se diferencia esencialmente de los compuestos órganometálicos, por el carácter de los enlaces, o sea, en los enrejados metal-orgánicos (MOFs) los enlaces de los metales son con el oxigeno, nitrógeno, azufre, fósforo y boro, mientras que en los segundos, los metales se enlazan al carbono directamente. Los MOFs son materiales cristalinos, que pueden formar enrejados mono-, bi- o tridimensionales6. Las especies metálicas pueden estar formando clústeres oxometálicos (o tiometálicos) o en forma iónica, coordinado directamente a los ligandos orgánicos, los cuales junto a las especies metálicas constituyen las unidades de construcció 9, que se ensamblan entre sí para formar los enrejados. Existen varios términos para definir estos materiales, unos autores lo denominan polímeros de coordinación 5, 6 y otros, como enrejados metal-orgánicos (MOFs) 7-10 , y se pueden encontrar además, como complejos de metales cristalinos, estructuras supramoleculares o compuestos de coordinación. De modo más general, los polímeros de coordinación se consideran como todos aquellos enrejados extendidos, los cuales están formados producto de la coordinación entre metales y ligandos orgánicos. La diferencia conceptual, entre los polímeros de coordinación y 6 los enrejados metal – orgánicos estriba, principalmente, en que los MOFs son cristalinos y los enlaces entre las especies orgánicas y los metales son de carácter covalente o iónico, mientras que los polímeros de coordinación, pueden ser tanto cristalinos como amorfos y pueden presentar cualquier tipo de enlace en el enrejado. Se puede considerar, que los MOFs conforman un subconjunto de los polímeros de coordinación. (a) (b) (c) (d) 86 91 Figura 1.1. Ejemplos de MOFs.(a) MOF-5 , (b) HKUST , (c) MIL-5357 y (d) ZIF-2088. Desde los trabajos pioneros de Werner en compuestos de coordinación, quien ganó el premio Nobel en Química en 1913, la química de los polímeros de coordinación se ha enriquecido gradualmente, dicho término aparece inicialmente, a principios de la década del 60, y en 1964, aparece por primera vez reseñado 5. Más recientemente, los enrejados híbridos orgánico-inorgánico se definen como compuestos que contienen entidades orgánicas e inorgánicas, como parte integral de una red con conectividad infinita, de al menos una dimensión 92-94. Esta definición más general, incluye de modo natural a los polímeros de coordinación y los MOFs. Durante los últimos años, ha aumentado exponencialmente el número de nuevos MOFs, o 7 polímeros de coordinación, reportados por diversos autores. De manera general, describen la estructura cristalina, la estabilidad térmica, propiedades adsortivas o de separación, así como la caracterización de otras propiedades magnéticas, eléctricas, o sensoras de los nuevos materiales9, 10, 38, 66, 85, 95-104. 1.2. Los enrejados metal-orgánicos (MOFs). 1.2.1. Características estructurales. En analogía con las zeolitas, en la química estructural de los MOFs se emplea con frecuencia el término unidades de construcción. Estas se constituyen, por uno o un conjunto de átomos, que forman bloques rígidos, que aparecen sistemáticamente en el enrejado y permiten una descripción modular de la estructura. En la Figura 1.2 se muestran varias unidades de construcción comúnmente encontradas en MOFs 9. Figura 1.2. Ejemplos de unidades de construcción encontradas en los MOFs9. El proceso de síntesis química de los enrejados metal-orgánicos, puede conducir a la formación de poros, cavidades o túneles en la red cristalina, que en la mayoría de los casos, están ocupados por especies huésped, como disolventes, contraiones, entre otros. Cuando los conectores o ligandos orgánicos son largos, entonces puede ocurrir la interpenetración de las 8 redes cristalinas. Este fenómeno resulta cuando al menos dos redes de átomos del mismo material, interactúan entre sí físicamente, sin la formación de enlaces químicos entre ellas. Los MOFs pueden tener diferente dimensionalidad en relación a su conectividad 99: • Unidimensionales (1D): se forman cuando los nodos metálicos se coordinan, con dos ligandos de forma alternativa, para formar una cadena infinita con diversas topologías, que se presentan en la Figura 1.3.a • Bidimensionales (2D): pueden formarse cuando tres o cuatro ligandos, se coordinan a los centros metálicos, y este motivo estructural, se repite en dos direcciones en el espacio. En la Figura 1.3.b se observan los motivos más comunes. • Tridimensionales (3D): se forman cuando los nodos metálicos tienen geometrías tetraédrica u octaédrica, que presentan diversos motivos estructurales (Figura 1.3.c). (a) (b) (c) Figura 1.3. Ejemplos de topologías (a) unidimensionales (1D), (b) bidimensionales y (c) tridimensionales, en los MOFs99. Como se puede apreciar los enrejados metal-orgánicos poseen variadas topologías cristalinas, que están determinadas por la conexión entre las unidades de construcción y modificadas por las especies huésped. El diseño de nuevos materiales extendidos es factible, debido a que las unidades de construcción que se escogen previamente, mantienen su integridad geométrica durante el proceso de síntesis. Por tanto, con la selección adecuada de las condiciones de síntesis de dichas unidades de construcción, se pueden obtener materiales con las topologías deseadas. De esta manera, el diseño de nuevos MOFs se hace más preciso y orientado, debido a la posibilidad de utilizar estas unidades de construcción, escogiendo en cada caso las geometrías iniciales de los bloques de construcción. La preparación de estructuras extendidas por la copolimerizacion de iones metálicos con 9 ligandos orgánicos polifuncionales se ha reportado y reseñado como “Ingeniería de Cristales”, término que se ha ampliado en los últimos años. Además se ha definido, el término de “Química Reticular”9 para describir la síntesis de materiales robustos con unidades de construcción prediseñadas, estructuras extendidas y propiedades potenciales. Para la formación de los polímeros de coordinación, existen dos tipos fundamentales de especies o unidades de construcción: los nodos y los conectores 5. Usualmente, como nodos se identifican los metales o centros metálicos y como conectores los ligandos orgánicos. La característica más importante de dichas especies, es el número y la orientación de sus sitios de anclaje (número y geometrías de coordinación). También existen otras especies auxiliares que conforman estos materiales que comprende, ligandos bloqueadores, contraiones y moléculas huésped no coordinadas al enrejado. Los metales o centros metálicos comprenden casi todos los metales de la tabla periódica: metales de transición, alcalinos, alcalinotérreos, o lantánidos, y también incluye clústeres puramente metálicos o con oxígeno y azufre, entre los principales. Los centros metálicos que conforman los MOFs, pueden influir en la formación de las estructuras, de acuerdo con sus características como: tamaño, estado de oxidación, carácter ácido-base, así como sus geometrías y número de coordinación. Las principales geometrías de coordinación de las especies metálicas, en los enrejados son: linear, trigonal-planar, forma de T o Y, tetraédrica, cuadrado-plano, pirámide cuadrada, octaédrica, prisma trigonal, bipirámide pentagonal o bipirámide trigonal. Los metales de transición, son los más empleados en la formación de enrejados metalorgánicos 105 , su coordinación varía de 2 a 8 y la elección de uno u otro puede determinar la geometría del nodo de coordinación y las propiedades potenciales del material diseñado. Por otra parte, los lantánidos, debido a la gran diversidad en la esferas de coordinación que puede ser hasta 12 en número, hace más difícil su elección por la dificultad de predecir la posible geometría del nodo, sin embargo, con estos metales se logran fácilmente propiedades como la fotoluminiscencia, además de interesantes topologías en el enrejado 106-111 . Los metales alcalinos y alcalinotérreos en cambio, son menos utilizados, no obstante, se han obtenido materiales cristalinos con interesantes propiedades 15, 112-114. Los ligandos orgánicos son, por lo general, moléculas orgánicas polifuncionales (Figura 1.4), donde los grupos funcionales presentes pueden ser carboxilatos, éteres, aminas, tioles, 10 compuestos fosforados, entre otros. Dichos grupos deben tener O, N, P o S dispuestos para la coordinación covalente o iónica con los metales, y ella se establece entre los electrones deslocalizados de los átomos mencionados con los orbitales de los metales, hecho que les confiere gran fortaleza. Debido a la gran diversidad de ligandos orgánicos, se multiplican las posibilidades de diseñar y sintetizar nuevos enrejados, sintonizando con su ayuda las propiedades potenciales del nuevo material. Figura 1.4. Ligandos orgánicos polifuncionales más utilizados. Otra de las características de los ligandos orgánicos, que es necesario tener en cuenta para el diseño de MOFs, es la conexión con las especies metálicas que ocurre con orientaciones específicas, de ese modo se pueden obtener estructuras definidas. Otros factores que determinan también la elección de los ligandos: si son neutros o iónicos, su geometría espacial, si son rígidos, o no, la longitud de los mismos (distancia entre los nodos de 11 coordinación), y su funcionalidad orgánica (o sea, presencia de heteroátomos, anillos aromáticos o cadenas alifáticas, quiralidad, entre otras). Entre los ligandos neutros más utilizados se encuentran la pirazina 115-117 y la bipiridina 118-122. Sin embargo, la utilización de ligandos aniónicos, como los policarboxilatos, permite la construcción de materiales con robustez similar a los óxidos metálicos de la química inorgánica, debido a los enlaces metal-oxígeno. Entre ellos, los más utilizados son los carboxilatos del acido tereftálico 38, 87, 123-128, y el acido trimésico 129, 130. 1.2.2. Clasificación de los Polímeros de Coordinación. De acuerdo a la estabilidad estructural de los polímeros de coordinación, Kitagawa y col. los clasificaron en tres generaciones de materiales 97, 102: • Primera generación: comprende los materiales que poseen enrejado microporoso que se sostiene solo por las moléculas huésped, que al ser eliminadas, el enrejado colapsa irreversiblemente. • Segunda generación: son materiales con enrejados estables y robustos, que muestran porosidad permanente, sin la presencia de moléculas huésped en los poros. • Tercera generación: son materiales con enrejados flexibles y dinámicos, que pueden responder a estímulos externos como la luz, campos eléctricos y moléculas huésped, y cambian la geometría de sus canales o poros reversiblemente. Esta flexibilidad introduce una nueva diversidad en los MOFs y atendiendo a los mecanismos de expansión o contracción de la red cristalina, la tercera generación de los MOFs puede ser clasificada en tres tipos de enrejados: • Tipo I: enrejado “colapso-recuperable” que se caracteriza porque la red colapsa por la remoción de las moléculas huésped, debido a las fuerzas de empaquetamiento, sin embargo, la red se regenera al estar en contacto con las moléculas huésped. • Tipo II: enrejado “transformado por huésped” donde los cambios estructurales en la red son inducidos por intercambio de moléculas huésped. • Tipo III: enrejado “reformado por huésped” es el enrejado que al eliminarse la molécula huésped, la estructura cristalina cambia de una a otra, sin embargo, regresa a la red original al ser expuesta a las moléculas huésped originales. 12 Debido a la relevancia de la nanoporosidad, en las aplicaciones de los MOFs, es conveniente también clasificar los poros, de acuerdo a su forma y talla con las especies huésped. De este modo, pueden ser divididos en cuatro subclases, que aparecen representados de forma esquemática, en la Figura 1.5: Figura 1.5. Esquema para representar la clasificación de los poros según Kitagawa y col.97. (a) Poros de tipo forma-inducida: la contracción ocurre con la inclusión de las moléculas huésped, y da como resultado poros con el tamaño y la forma de las mismas. Las interacciones de corto alcance dominarán en este caso 57, 131. (b) Poros de tipo respiración: la expansión hace que el huésped se ocluya apretadamente dentro de la red hospedera, siendo la talla del poro menor que la de la especie hospedera.123, 132 (c) Poros deformados por el intercambio con las moléculas huésped: la forma del poro cambia en respuesta a la forma de las moléculas huésped, como resultado del intercambio simultáneo de las mismas. 119, 133 (d) Poros autorecuperables: los poros colapsados por la ausencia de moléculas huésped se regeneran reversiblemente con el acomodamiento de nuevas especies huésped. 39, 134. Es útil destacar que a pesar de la presencia de ligandos orgánicos, que en su mayoría son poco estables térmicamente, los enlaces metal-O, -N, -P, -S, confieren estabilidad térmica relativamente alta a estos materiales, obteniéndose sólidos estables por encima de los 300ºC. Con la temperatura, los MOFs se pueden comportar de maneras disímiles; algunos sólidos se convierten en porosos con la desolvatación del enrejado, en otros ocurren cambios de fases de manera reversible o irreversible, mientras que otros pasan a fases no cristalinas. La eliminación de las especies huésped de los cristales, puede conducir además a la aparición de sitios activos expuestos, o al reordenamiento del enrejado para la ocupación de otras especies 13 huésped. De forma general, se conoce que la estabilidad de los MOFs está dada por los enlaces que lo conforman, por las interacciones de corto y largo alcance y por las especies o disolventes, que se coordinan al enrejado. Entre las características explorables de dichos materiales, se encuentra la expansión en estado sólido frente a estímulos de variables termodinámicas, como: la temperatura, la presión, o el potencial químico, entre otras 135-138 . Con cambios de la temperatura, en los enrejados se produce el movimiento térmico de los enlaces que lo conforman y esto conlleva, en algunos casos, a la expansión térmica positiva ó negativa (contracción) del enrejado, así como al reordenamiento de las posiciones de algunos átomos y por ende, al cambio de la estructura cristalina final del sólido. En la literatura se discute poco de manera explícita, sobre los contraiones. Estas son especies que están presentes en el enrejado cuando los ligandos orgánicos son neutros y ayudan a compensar la carga total del enrejado. Los más comunes son ClO4¯, BF4¯,NO3¯, NCS¯, PF6¯, NO2¯, SiF62-, CN¯, CF3SO3¯, SO42-, N3¯, acetatos y haluros. Estas especies pueden influir en la coordinación de los nodos metálicos, así como en la estabilidad de la estructura en general, debido a las interacciones de los mismos con el enrejado. En el caso de que los ligandos no sean neutros, pero que exista un desbalance de carga entre ellos y las especies metálicas, se incorporan también contraiones, cuya carga depende de la carga total del enrejado. A diferencia de las zeolitas que solo albergan cationes, los MOFs pueden tener en su enrejado, tanto aniones como cationes. Las moléculas de disolvente al cocristalizar en el empaquetamiento final del sólido, ocupan un espacio en su interior, aumentando así las interacciones enrejado-disolvente, como las descritas anteriormente: tipo enlace coordinado, por puentes de hidrógeno e interacciones débiles de van der Waals. 1.3. Síntesis de enrejados metal-orgánicos. En la literatura se reportan diversos métodos de síntesis de enrejados metal-orgánicos, entre los que podemos mencionar: la “mezcla directa” de los reaccionantes, la difusión lenta de los reaccionantes, la síntesis bifásica, la síntesis asistida por ultrasonido, la síntesis asistida por microondas, síntesis por vía electroquímica y como el más utilizado la síntesis solvotermal. Para una mejor definición del término síntesis solvotermal, se recurre a la historia donde se 14 refiere a la síntesis hidrotermal como una reacción heterogénea en presencia de disolventes acuosos o mineralizadores en condiciones de altas presiones y temperaturas, para así, disolver o recristalizar materiales que son relativamente insolubles en condiciones normales. Además, Morey y Niggli (1913) 139 definen que en el método hidrotermal los componentes están sujetos a la acción del agua, a temperaturas generalmente cerca de la temperatura crítica del agua (370°C), en bombas cerradas y las correspondientes altas presiones desarrolladas en tales soluciones. De igual forma, Laudise (1970) 139 describe el crecimiento hidrotermal, como el crecimiento a temperatura ambiente o cerca de ésta; mientras Rabenau 139 (1985) la define como las reacciones heterogéneas en medios acuosos por encima de 100 °C y 1 bar y Lobachev 139 (1973) como un grupo de métodos en los cuales la cristalización se lleva a cabo en soluciones acuosas supercalentadas a altas presiones. Además, Roy 139 (1994) declara que la síntesis hidrotermal incluye agua como catalizador y ocasionalmente como un componente de la fase sólida a elevadas temperaturas (<100 °C) y presiones (mayores que la atmosférica), Byrappa 139 (1992)lo define como la reacción heterogénea en un medio acuoso llevadas a cabo por encima de la temperatura ambiente y presiones mayores que 1 atm, y Yoshimura 139 (1994) lo propuso como las reacciones que ocurren a altas temperaturas-altas presiones (<100 °C <1atm) en soluciones acuosas y sistemas cerrados. Con la compilación histórica, se redefine entonces la síntesis solvotermal, como cualquier reacción química heterogénea, en presencia de un disolvente (acuoso u otro), por encima de la temperatura ambiente y a presiones mayores que 1 atm, en sistemas cerrados. Debido a las propiedades físicas de los disolventes, específicamente el alto poder de solvatación, la alta compresibilidad y el transporte de masas, ocurren reacciones, que pueden conllevar a nuevas y complejas estructuras metal-orgánicas, producto de la formación de fases, estabilizaciones de complejos, crecimiento de cristales o la formación de materiales finamente divididos. En el proceso de síntesis influyen diversos factores, entre los que podemos mencionar: naturaleza de los ligandos orgánicos, coordinación de los metales, disolvente utilizado, uso de Plantilla o Agentes Direccionadores de la Estructura (SDA del inglés Structure Directing Agent), propiedades del medio de reacción (pH, constante dieléctrica, viscosidad, etc), temperatura y tiempo de reacción. A continuación se detallan algunos de estos factores. Naturaleza de los ligandos orgánicos. Las características físico-químicas y estructurales de los ligandos, juegan un rol importante en 15 la naturaleza del enrejado que se forma, más específicamente la presencia de grupos funcionales y rigidez y/o elasticidad del esqueleto de la molécula, así como su estereoquímica, las dimensiones de los ligandos, sus modos de coordinación a los centros metálicos y las características electrostáticas o de equilibrio. Todas estas características son la llave para el diseño de nuevos materiales. Los grupos funcionales pueden definir la formación de los enrejados, debido a su naturaleza química, que determina el comportamiento de ellos frente a los centros metálicos. Los grupos funcionales más comúnmente encontrados en los enrejados metal-orgánicos, se unen a los centros metálicos por: oxígenos de grupos carboxilatos de los ácidos carboxílicos y éteres, nitrógenos de aminas, azufres de grupos tiolatos y grupos tioéteres y fósforo en los fosfatos. La estereoquímica de los ligandos puede prefijar si los enrejados son 1D, 2D o 3D, definiendo, en algunos casos, la preferencia por ligandos lineales para estructuras tridimensionales 140 , la formación de estructuras cristalinas o amorfas 141, así como, las interacciones del esqueleto de la molécula ligando con el enrejado los ligandos orgánicos 144, 145 142, 143 . Dependiendo de las dimensiones y geometrías de se pueden obtener adicionalmente, estructuras interpenetradas. Además, la topología de las unidades de construcción tendrán un rol importante en la geometría final del enrejado 13, 146. Los modos de coordinación de los ligandos determinarán el entorno metálico alrededor de los mismos 120, 147 y por tanto, las unidades de construcción que se formen. Otros autores demuestran, que la presencia de largas cadenas alifáticas, le pueden conferir al ligando determinada estereoespecificidad en el momento del ensamblaje 148. La coordinación de los metales. La coordinación de los centros metálicos establecerá las geometrías de las unidades de construcción, y por consiguiente, la del enrejado final. La formación de clústeres o agregados metálicos es uno de los principales propósitos de la síntesis solvotermal, porque así la variedad estructural aumenta exponencialmente. Los metales se coordinan directamente a los ligandos o se agregan en centros bimetálicos tipo propela octaédricos 10, 126, 143, 152 149, 150 , centros tetraédricos 89, 115, 151 , e incluso se agregan en números mayores, formando por lo general, agregados oxometálicos 153-157. Rosseinsky y col. 158 describen como en un mismo enrejado los metales coordinados individualmente varían su entorno químico y de esta forma, derivan en enrejados de gran 16 complejidad estructural. Esta variedad de entornos para metales coordinados sucede igualmente en el proceso de síntesis, cuando ocurren la oxidación o reducción y la protonación del centro metálico 159. El disolvente. El disolvente juega uno de los roles más importantes en la síntesis solvotermal, ya que sus características físico-químicas varían notablemente en estas condiciones (ionización, constante dieléctrica, fluidez, etc.). Un ejemplo es el agua que en condiciones solvotermales, se alteran propiedades como, la constante dieléctrica y la polaridad y por ende, las constantes de equilibrio que gobiernan la arquitectura final del enrejado por Bagai y col. 161 160 . Otro ejemplo, es el reportado donde la reacción sólo ocurre en presencia de dos disolventes, en proporciones específicas. La relación molar disolvente-soluto puede regular el grado de porosidad de los enrejados metal-orgánicos durante el proceso de síntesis 162. El disolvente puede actuar además, como Plantilla o agente direccionador de la estructura en dos maneras: i) el enrejado se ensambla alrededor del disolvente, formándose así poros de dimensiones similares al diámetro del agregado de las moléculas del mismo y ii) el disolvente se coordina directamente a los centros metálicos 100, 163. Uso de Plantilla o Agentes Direccionadores de la Estructura (SDA) En la síntesis solvotermal de zeolitas, la utilización de Agentes Direccionadores de la Estructura (SDA) es casi obligatoria. Entre las especies químicas más utilizadas como SDA en la síntesis solvotermal de MOFs, se encuentran las aminas o sales de aminas, aniones, metales o cationes metálicos, ligandos orgánicos y los disolventes. Un ejemplo de ello es el trabajo de Rao y col. 164 , en el cual, obtienen seis enrejados diferentes de cadmio y ácido succínico utilizando diferentes aminas. El uso de iones o contraiones, influyen en la estructura del enrejado que se forma, debido a sus características electrostáticas, configuración, especies en equilibrio dependientes del pH, etc. Los ligandos orgánicos actúan también como SDA, y en muchos casos, depende también de otros factores como temperatura, concentración, pH. etc. La temperatura y el tiempo de reacción. Las altas temperaturas pueden favorecer algunos procesos en el medio de síntesis como: complejidad del enrejado, modo de coordinación de los ligandos e interconversión de las 17 estructuras cristalinas. Cahill y col. 106 muestran que los altos valores de temperatura, ayudan en la formación de enrejados más densos y menos porosos, y se obtienen materiales tridimensionales, preferencialmente sobre los mono- o bi-dimensionales. Por otra parte, cuando utiliza ácidos carboxílicos, se favorecen los modos de coordinación bidentado de los ligandos carboxilatos, sobre los modos de coordinación monodentado o quelatado. De manera similar, mayores tiempos de reacción posibilitan la conversión de estructuras unidimensionales a tridimensionales. Diferentes tiempos de reacción pueden conducir a enrejados diferentes, incluso utilizando las mismas condiciones de síntesis. El descubrimiento de novedosas estructuras aceleró la carrera para alcanzar más nuevas y extraordinarias estructuras sin tener en cuenta el diseño, o sintonización de propiedades específicas en cada una de ellas. Es por ello, que la tendencia actual se basa en el desarrollo de los métodos de síntesis adecuados, para la búsqueda de el cómo y el por qué se forman unos sólidos u otros, cambiando los parámetros más importantes para ello. En este sentido, el trabajo a desarrollar se dirige particularmente, a obtener nuevos MOFs con métodos de síntesis solvotermal modificados para cada caso, y estudiar el rol de los disolventes como medio de reacción o SDA. 1.4. Métodos Experimentales de Caracterización de MOFs Desde los primeros reportes de enrejados metal-orgánicos, se han utilizado diversos métodos de caracterización de materiales para el correcto estudio y reporte de los mismos. La técnica más empleada y casi obligatoria en todos los casos ha sido la difracción (rayos X y neutrones), debido a la gran precisión que brinda esta técnica, en la descripción de materiales cristalinos. La mayoría de las propiedades físicas de un sólido y una parte considerable de sus propiedades químicas, están determinadas por su estructura cristalina, es por ello que el conocimiento estructural de los MOFs ayuda en el conocimiento de las potencialidades del mismo. Los MOFs, a pesar de ser enrejados poliméricos, generalmente tienen una alta cristalinidad, de ahí que las técnicas de difracción son esenciales en el estudio de los mismos. Dichas técnicas permiten obtener información microscópica, a escala macroscópica del cristal. Detalles de los métodos de difracción, se puede encontrar en diferentes textos 165, 166 , por tal motivo, solo se hace una breve reseña de las ventajas y limitaciones de dicha técnica. La esencia de la 18 difracción se resume como el resultado de la dispersión de los rayos X por los electrones, mientras que los neutrones son dispersados por los núcleos atómicos. Debido a la superposición de las ondas dispersadas, se registran las intensidades y posiciones de los máximos de difracción, para con estos datos, luego de un adecuado procesamiento, obtener la información estructural de los sólidos. Las celdas asimétricas de los MOFs contienen, por lo general, decenas de átomos, por lo que es conveniente disponer de monocristales para la determinación de la estructura cristalina de los mismos. Sin embargo, usualmente como resultado de las síntesis se obtienen policristales muy finos, lo que representa una limitante en los estudios de difracción, particularmente para determinar las estructuras. Actualmente, se han reportado trabajos, donde las estructuras se determinan por métodos de polvos, con la ayuda de la modelación atomística 62, 81 . Una vez que se tiene un modelo estructural adecuado, la estructura se refina con el método de Rietveld 167, 168 . En el caso específico de la determinación de estructuras de MOFs, el estudio por difracción de rayos X se hace más complejo, debido a la presencia de átomos ligeros de la parte orgánica de estos materiales. Recientemente, la utilización de aceleradores de partículas para la obtención de Rayos X, es una aplicación muy importante en la Ciencia de los Materiales, al dar lugar a la radiación sincrotrón de rayos X. La palabra sincrotrón proviene de la aceleración de las partículas (electrones o positrones), que se mantienen girando en una cavidad en forma de anillo. Producto de la aceleración que adquieren las partículas para mantener la órbita circular, emiten radiación electromagnética, en este caso en la región de los rayos X. Estos rayos poseen alta energía, colimación y monocromaticidad, así los espectros de difracción obtenidos son de alta resolución. Al igual que las zeolitas y otros materiales porosos, la estructura de los MOFs puede presentar dificultades en el análisis de la difracción, asociado al desorden de las especies extraenrejado. También los átomos localizados en la superficie externa e interna, pueden aportar dispersión anómala y por ello, hacer más complejo el estudio estructural. Dada la complejidad del refinamiento de estructuras de los MOFs, es necesario recurrir a otras técnicas experimentales que complementan la difracción para determinar la estructura cristalina, especialmente cuando no se obtienen monocristales. Junto a la difracción de rayos X y de neutrones, es imprescindible el uso de otras técnicas, 19 tales como: el análisis térmico, espectroscopía infrarroja (FT-IR) y de ultravioleta visible (UVVIS), microscopía electrónica, espectroscopías de absorción de rayos X [Espectroscopia de la Estructura Fina de Absorción de Rayos X (EXAFS) y Espectroscopia de Absorción de Rayos X Cercana al Borde de Absorción (XANES)], entre las más utilizadas. Todas ellas, permiten la elucidación de la estructura a nivel local o atómico, e incluso algunas de ellas son útiles para la determinación de estructuras finas. El análisis térmico junto al análisis elemental, constituyen caracterizaciones básicas de los MOFs. En el análisis termogravimétrico existen tres variaciones fundamentales a tener en cuenta: las temperaturas o intervalos a las que el enrejado se desolvata, o pierde especies huésped, el intervalo de temperaturas en el cual la estructura desolvatada es estable, y la temperatura a la que el enrejado colapsa; esta última, está generalmente asociada con la descomposición de la parte orgánica del material. La espectroscopia infrarroja (FTIR) 169 se utiliza también para la caracterización rutinaria de los enrejados metal-orgánicos, ya que brinda de manera más precisa las características de los enlaces que forman el enrejado, mediante las frecuencias de vibración de los mismos. Es útil destacar que como primer indicio de sólidos MOFs, en los espectros de infrarrojo, se aprecia la variación de las frecuencias de los grupos funcionales de los ligandos orgánicos, cuando están coordinados a los centros metálicos. También nos ofrece información acerca del modo de coordinación de dichos ligandos, así como de la presencia de especies huésped o disolventes, y a frecuencias más bajas, las vibraciones de los enlaces metal-ligando. Esta información puede ser de gran utilidad cuando con la difracción no se puede discernir entre un tipo de enlace y otro. Cuando los ligandos orgánicos son ácidos carboxílicos, la espectroscopía infrarroja nos brinda detalles del entorno de coordinación de los carboxilatos. Las frecuencias de vibraciones de valencia de los enlaces C-O de carboxilatos resulta en un desdoblamiento de la vibración de valencia simétrica(νC=Osim) y antisimétrica(νC=Oasim) de dicho enlace. Dependiendo de cómo estén coordinados los carboxilatos a metales, entonces la diferencia (∆(νC=Osim)-(νC=Oasim)) de las frecuencias de vibración170 entre la banda simétrica y la antisimétrica variarán entre 150cm-1 y 240cm-1. Entre los ácidos carboxílicos más utilizados se encuentra el ácido tereftálico. Sus modos de 20 coordinación 120, 171 se muestran en la Figura 1.6 junto con las diferencias de las frecuencias de vibración de valencia simétrica(νC=Osim) y antisimétrica(νC=Oasim) más probables. ∆(νsim (COO))-(ν asim (C=O)) (cm-1) (a) 190 - 210 (b) 180 - 200 (c) 190 - 210 (d) 150 - 170 (e) 210 - 230 Figura 1.6. Modos de coordinación del ácido tereftálico. La espectroscopia de UV-VIS ayuda en la determinación del entorno electrónico del sólido, el cual depende de múltiples factores, como la naturaleza de los metales, los ligandos y los modos de coordinación, la presencia de especies extraenrejados, etc. La espectroscopia Raman es también utilizada en la caracterización de MOFs, es también una espectroscopia vibracional y muy sensible a los tipos de coordinación. 1.5. Modelación de enrejados metal-orgánicos. Durante las últimas tres décadas, los trabajos de modelación en materiales están dirigidos principalmente al desarrollo del conocimiento de las estructuras y los procesos en los materiales, a escala atómica y molecular. Con el rápido desarrollo de la química y la física computacional, se tiene una valiosa herramienta mediante la cual es posible interpretar la data experimental, que se torna cada vez más predecible, con la ayuda de la modelación. Se puede apreciar que en nuestros días los métodos de modelación son un componente integral de la ciencia de materiales. No existe una definición precisa para los métodos de modelación molecular, pero se considerarán en este contexto, según Catlow y col. 172 , como todos aquellos métodos, en los cuales se modelan sistemas al nivel molecular o atómico, usando un potencial interatómico o “campo de fuerza”, en lugar de un método explícito de la mecánica cuántica. Es útil notar, que es con la Mecánica Cuántica, como se desarrollan los potenciales interatómicos utilizados en la modelación molecular. La mayoría de los trabajos de modelación, están enfocados a 21 estudios de estructura, particularmente se estudian: procesos de adsorción y difusión, superficies y defectos, síntesis y factores que la afectan, entre los principales tópicos. De manera general, la modelación utiliza diversas aplicaciones de la química y la física computacional. Se divide en dos grandes categorías: la primera se basa en los potenciales interatómicos (o campos de fuerza) y la segunda abarca los métodos de mecánica cuántica. La última mencionada consiste en la solución de la ecuación de Schrödinger con ciertas aproximaciones, y también incluye los métodos de Hartree-Fock y la teoría de funcionales de la densidad. En contraste, los métodos de los potenciales interatómicos no tratan de dar solución a la ecuación de Schrödinger, sino se basan en la aproximación de BorhOppenheimer, que nos permiten a su vez describir la energía potencial (V) del sistema (molécula, sólido o líquido), como una función de las coordenadas nucleares. En las simulaciones del estado sólido lo más necesario es modelar la estructura y las energías a nivel atómico, para lo cual la energía de la red y relacionados son también importantes. Los cálculos de las energías de la red están completamente estandarizados y la energía se define como la energía interna de la red respecto a sus átomos o iones componentes, al infinito y se obtiene como la sumatoria de las interacciones de todas las especies dentro de la celda unidad, con el resto de la red. La sumatoria se expresa como: ELat = EC + ESR (Ecuación 1.1) donde ELat es la energía de la red, EC es la energía Coulómbica obtenida por la sumatoria de las interacciones electrostáticas entre los iones cargados y ESR es la sumatoria de las interacciones de corto alcance (no Coulómbicas), que comprenden los términos repulsivos de Pauli, interacciones de van de Waals y las contribuciones debido a la covalencia. La sumatoria de la interacciones de largo alcance o electrostáticas en el espacio real, están condicionadas a converger, lo que se logra con el empleo del método de Ewald 172, donde es transformada en el espacio recíproco, mientras que en las de corto alcance se suman todas las interacciones hasta una distancia de corte tal, donde la sumatoria es truncada. El modelo iónico está implícito, sin embargo, las interacciones de enlace dentro de un sólido, se describen como un intermedio entre iónico y covalente, y es por ello que el modelo de Bohr ofrece una aproximación viable para ello, incluso cuando las interacciones son de carácter covalente, éstas se incluyen en el término de las energías de las interacciones de corto alcance. Utilizando la aproximación de Bohr, es necesario especificar el potencial interatómico, el cual 22 define las cargas de los iones y nos provee de la expresión analítica para el cálculo de las interacciones de corto alcance. Tales modelos comprenden energías de dos cuerpos (Vij): Vij(r) = qiqj/r + VijSR (r), (Ecuación 1.2) donde qi son las cargas de las especies que interactúan y VijSR es la energía de corto alcance y r es la distancia entre los dos cuerpos. En el caso de sistemas mayormente iónicos, se emplea la expresión de Bukingham, mientras que en casos más covalentes, se emplean los potenciales armónicos de mecánica molecular o del potencial de Lenard-Jones. Con la adecuada selección de los parámetros de red, los cálculos de la energía de red, se implementan en una rutina de minimización, que varía los parámetros estructurales hasta obtener el mínimo de energía. Estas minimizaciones pueden ser por el uso de gradientes conjugados o por el método de la segunda derivada (Newton-Rapson). Teniendo entonces los potenciales interatómicos indicados, los métodos de minimización pueden ser empleados en la identificación de las estructuras de menor energía, sin embargo, la identificación del mínimo de energía global puede ser un gran reto. Los trabajos de modelación de MOFs tratan en su mayoría, acerca de la simulación de procesos de adsorción y difusión de moléculas en poros y superficies, mientras que sólo unos pocos trabajos teóricos están dedicados a estudiar sus propiedades estructurales81. En los últimos años, el interés de científicos de todo el mundo se ha volcado en el estudio de materiales metal-orgánicos, dada la riqueza en la diversidad de topologías, resultante de la combinación de una amplia gama de posibilidades de átomos metálicos y de ligandos orgánicos. La síntesis racional de dichos enrejados y la predicción de las posibles arquitecturas moleculares son de crucial importancia en este campo. Yaghi y col. han reseñado numerosos trabajos, donde se definen los conceptos de unidades de construcción y de química reticular 9, para definir las reglas topológicas que gobiernan la formación de dichos materiales. Sin embargo, mientras el área de la síntesis racional de MOFs en muy activa y de rápida expansión, la predicción de estructuras de enrejados metalorgánicos, usando la química computacional como herramienta principal, está sólo en los estadios primarios. Por tanto, en este campo, se aprende tanto de la simulación de sólidos orgánicos como inorgánicos. De manera sutil, daremos unas pinceladas de las más recientes estrategias desarrolladas en la predicción de estructuras de MOFs y su interrelación con la determinación estructural. Según 23 Mellot-Dranieks hay tres estrategias fundamentales en este acápite: “ensamblaje automático”, “decoración” y “sustitución de ligandos”. La flexibilidad de algunos de estos materiales es un factor a tener en cuenta en cada una de estas estrategias. La estrategia de “ensamblaje automático” se basa en tener preconcebidas las unidades inorgánicas (metal con sus esferas de coordinación o clústeres metálicos) y las orgánicas (los ligandos orgánicos con sus grupos funcionales), entonces existe un número limitado de arreglos que son compatibles con la periodicidad y la simetría de las especies que se ensamblan. Con esta idea, diferentes autores han desarrollado códigos que tienen en cuenta lo antes expuesto, y que automáticamente generan numerosas configuraciones en una secuencia de pasos de ensamblaje (annealing) – minimización que cumplen esos requisitos. Entre esos códigos podemos mencionar el AASBU (Automated Assemblies of Secondary Building Units) 62, el TOBUNPOROUS (Topological Building of Nanoporous Solids)173, entre otros. La validez de dichos códigos174 fue probada con la reconstrucción de enrejados existentes como el MIL-5357, el MOF-5 86 y el HKUST-191(Figura 1.1). La estrategia de “decoración” en cambio, parte de una topología bien conocida de un sólido inorgánico (un óxido, o una zeolita por ejemplo), entonces es posible construir el análogo híbrido de mayor escala, reemplazando parte de la red inorgánica por el ligando orgánico. Esto es más factible realizar con ligandos de ácidos dicarboxílicos que pueden “imitar” la conectividad M-O-M en óxidos. Esta estrategia es aplicable directamente, para la generación de estructuras polimórficas, que junto a las minimizaciones de energías de la red, se podrán ordenar por su estabilidad relativa. El primer trabajo en este sentido, fue realizado mediante la construcción de estructuras hipotéticas hechas de cubos, donde los vértices son trímeros de octaedros MO6, que comparten las esquinas con el ácido tereftálico. De igual forma se han generado estructuras, con topologías similares a las zeolitas, como son el MIL-100 y MIL-101175, donde ambos sólidos tienen en común trímeros de supertetraedros como bloques de construcción, que comparten vértices, donde dependiendo del ligando, en uno se comparten las aristas del supertetraedro (BDC) y en el otro (BTC) las caras del mismo. Diferentes topologías de zeolitas fueron generadas en cada caso y fueron sometidas a sucesivas minimizaciones de energía. Las correctas estructuras fueron identificadas por la comparación de los patrones de difracción modelados con los experimentales, y posteriormente refinadas utilizando los datos de sincrotrón. Este es un buen ejemplo de cómo 24 con la ayuda de simulación y el refinamiento con patrón de difracción de polvo, se pueden resolver estructuras de gran complejidad, que no cristalizan como monocristales. La estrategia de “sustitución de ligandos” consiste en que a partir de estructuras de MOFs ya conocidas se sustituyen los ligandos, generando así topologías isoestructurales con ella. Ejemplos de esta estrategia lo constituyen los IRMOFs sintetizados por Yaghi y col. 10 a partir del MOF-5 como estructura modelo, y los materiales isoreticulares con topologías de MIL88104 como estructura de partida. Cuando los MOFs poseen flexibilidad estructural debido a la adsorción de especies en el enrejado, o la coordinación de disolventes, entonces los métodos de simulación nos proveen de las posibles topologías de la red con las especies adsorbidas, junto a una descripción a escala atómica, de los cambios estructurales que se producen por dicho fenómeno. En general, considerando la perdida de la cristalinidad después de la adsorción de especies, junto a la ausencia de monocristales de dichos sólidos flexibles, las técnicas de simulación computacional juegan un rol importante en la elucidación de las transformaciones estructurales a nivel atómico que ocurren producto de la adsorción o coordinación de especies en el enrejado. En el campo de la modelación estructural se destacan en este tema Mellot-Draznieks y col. 58, 62, 81, 174, 176, 177 . Recientemente también apareció un trabajo relevante en la enumeración de enrejados zeolíticos basados en imidazolatos 14. Otros ejemplos significativos de modelación de MOFs lo constituyen los trabajos de Llewellyn y Maurin 13, 18, 20, 23, 65, 80, 82, 83, 178-185 , los cuales estudian los procesos de adsorción de gases en enrejados de la familia MIL, y se explica con ello los cambios estructurales que se producen cuando el enrejado “respira”, producto de la adsorción de algunas moléculas. Otros grupos de trabajo estudian y modelan los procesos de adsorción de hidrógeno, metano y otros gases 64, 79, 177, 186, 187 a escala molecular y se comparan con los resultados experimentales para la validación de los mismos. También en el campo de la adsorción es de destacar los trabajos de Snurr y col. 19, 29, 76, 77, 84, 188-190 donde trabajan principalmente los materiales isoreticulares tipo IRMOF, y en ellos modelan la adsorción de hidrógeno, hidrocarburos, alcoholes, e incluso, realizan estudios a nivel cuántico63 para la determinación de los sitios de adsorción correlacionados con densidades electrónicas. Considerando la utilidad de las técnicas de modelación computacional, en el trabajo se 25 emplearán las estrategias de “ensamblaje automático” y de “sustitución de ligandos” para la generación de nuevos modelos estructurales, y posteriormente, se aplicarán las técnicas de minimización de energía de la red cristalina con la descripción de potenciales interatómicos y la teoría de funcionales de la densidad. 1.6. Aplicaciones de los enrejados metal-orgánicos. Las propiedades estructurales, la estabilidad química y térmica, así como la diversidad de composición, son factores que brindan una gran variedad de propiedades, que potencialmente pueden conducir a aplicaciones de los MOFs. En el campo de la adsorción han aparecido resultados que constituyen los valores más altos hasta la fecha, de adsorción de gases combustibles, con impacto en áreas de energía y medio ambiente. Igualmente son notables las aplicaciones en catálisis, separación molecular, magnetismo, entre otras. Seguidamente se enumeran y ejemplifican varias de las aplicaciones fundamentales. • Adsorción de gases, como hidrógeno 3, 11, 12, 88, 130, 191, 192, metano 10, 67, 193, 194 y dióxido de carbono 18, 20, 22, 23, 195, entre los principales. • Separaciones moleculares tanto de gases como moléculas orgánicas 28, 196 197. • Catálisis 24, 26, 27, 198. • Sensores • Materiales ferroeléctricos 36, 119, 200, 201. • Conductores iónicos 202. • Materiales magnéticos 37-40. 34, 199 . 26 CAPÍTULO II. MATERIALES Y MÉTODOS EXPERIMENTALES. 2.1. Preparación de los enrejados metal-orgánicos. Todos los reactivos utilizados fueron grado Reactivo, y se usaron sin purificación previa. Las características de los disolventes y ligandos utilizados se muestran en la Tabla 2.1. Tabla 2.1. Características de los disolventes y ligando utilizados en las síntesis química. Los átomos de hidrógeno no aparecen etiquetados en las figuras. Símbolo Nomenclatura Fórmula molecular DMF N,N´-dimetilformamida (CH3)2-NCOH DEF N,N´-dietilformamida (CH3-CH2)2-NCOH FPYR 1-formilpirrolidina C4H8N-COH FPIP 1-formilpiperidina C5H10N-COH H2BDC ácido-1,4bencenodicarboxílico C6H4-(COOH)2 Fórmula estructural 2.1.1. Síntesis de Mn(C8H4O4)(H2O)2. Una disolución de 2.5 mL de Mn(CH3COO)2·4H2O(58.9 mg, 0.24 mmol) en N,N´dimetilformamida se adiciona a una disolución de 2.5 mL de ácido tereftálico(H2BDC) (40 mg, 0.24 mmol). La mezcla de reacción se coloca en reactor de acero inoxidable con interior de teflón de 23 mL (autoclave), se cierra herméticamente y se calienta a 90°C en un horno 27 controlado con 2°C de precisión. Después de un período de 72 h, se baja lentamente la temperatura del horno a 25ºC, aproximadamente a 10oC por hora. El sólido blanco resultante es filtrado y lavado con N,N´-dimetilformamida en condiciones ambientales. El polvo cristalino (40 mg, 65% basado en H2BDC) es secado al aire. 2.1.2. Síntesis de Mn3(C8H4O4)3(C5H11NO)2. Una disolución de 3.5 mL de MnCl2 anhidro (131.1 mg, 1.042 mmol) en N,N´dietilformamida se adiciona a una disolución de 3.5 mL de ácido tereftálico (H2BDC) (59.5 mg, 0.358 mmol). La mezcla de reacción se coloca en reactor de acero inoxidable con interior de teflón de 23 mL, se cierra herméticamente y se calienta a 100°C en un horno. Después de un período de 72 h, se baja lentamente la temperatura del horno a 25ºC, aproximadamente a 10oC por hora. El sólido blanco resultante es filtrado y lavado con N,N´-dietilformamida en condiciones ambientales. El polvo cristalino (23 mg, 29% basado en H2BDC) es secado al aire. 2.1.3. Síntesis de Mn3(C8H4O4)3(C5H9NO)2. Una disolución de 2.5 mL de MnCl2(30.3 mg, 0.2407 mmol) en 1-formilpirrolidina se adiciona a una disolución de 2.5 mL de ácido tereftálico(H2BDC) (40 mg, 0.2407 mmol). La mezcla de reacción se coloca en reactor de acero inoxidable con interior de teflón de 23 mL, se cierra herméticamente y se calienta a 130°C en un horno. Después de un período de 72 h, se baja lentamente la temperatura del horno a 25ºC, aproximadamente a 10oC por hora. El sólido blanco resultante es filtrado y lavado con 1-formilpirrolidina en condiciones ambientales. El polvo cristalino (microcristales en forma de agujas, 31.4 mg, 58.6% basado en H2BDC) es secado al aire. 2.1.4. Síntesis de Mn3(C8H4O4)3(C6H11NO)2 Una disolución de 2.5 mL de MnCl2(30.3 mg, 0.2407 mmol) en 1-formilpiperidina se adiciona a una disolución de 2.5 mL de ácido tereftálico(H2BDC) (40 mg, 0.2407 mmol). La mezcla de reacción se coloca en reactor de acero inoxidable con interior de teflón de 23 mL, se cierra herméticamente y se calienta a 130°C en un horno. Después de un período de 72 h, se baja lentamente la temperatura del horno a 25ºC, aproximadamente a 10oC por hora. El sólido blanco resultante es filtrado y lavado con 1-formilpiperidina en condiciones ambientales. El polvo cristalino (microcristales en forma de agujas, 25 mg, 45.2% basado en H2BDC) es secado al aire. 28 2.1.5. Síntesis de Mn0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2 Se prepara una disolución de 3.5 mL de Mn(CH3COO)2·4H2O (88.4 mg, 0.361 mmol) en N,N´-dimetilformamida y se mezcla con una disolución de una disolución de 3.5 mL de Co(CH3COO)2·4H2O (89.9 mg, 0.361 mmol) en N,N´-dimetilformamida. Esta mezcla de sales de metales se adiciona a una disolución 7.5 mL de ácido tereftálico (H2BDC) (119.9 mg, 0.722 mmol) en N,N´-dimetilformamida. La mezcla de reacción se coloca en vial de vidrio con tapa esmerilada y se calienta a 90°C en un horno por un período de 120 h. La disolución resultante se deja enfriar lentamente. El sólido violeta claro obtenido es filtrado y lavado con N,N´dimetilformamida en condiciones ambientales. El polvo cristalino (134.3 mg, 72.67% basado en H2BDC) es secado al aire. 2.1.6. Síntesis de Mn0.5Mg0.5(C8H4O4)(H2O)2. Se prepara una disolución de 3.5 mL de Mn(CH3COO)2·4H2O (88.4 mg, 0.361 mmol) en N,N´-dimetilformamida y se mezcla con una disolución de 3.5 mL de Mg(CH3COO)2·4H2O (77.4 mg, 0.361 mmol) en N,N´-dimetilformamida. Esta mezcla de sales de metales se adiciona a una disolución 7.5 mL de ácido tereftálico (H2BDC) (119.9 mg, 0.722 mmol) en N,N´-dimetilformamida. La mezcla de reacción se coloca en vial de vidrio con tapa esmerilada y se calienta a 90°C en un horno por un período de 120 h. La disolución resultante se deja enfriar lentamente. El sólido blanco resultante es filtrado y lavado con N,N´-dimetilformamida en condiciones ambientales. El polvo cristalino (73.4, 41.89% basado en H2BDC) es secado al aire. 2.1.7. Síntesis de Mg0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2. Se prepara una disolución de 2 mL de Mg(CH3COO)2·4H2O (39.5 mg, 0.1685 mmol) en N,N´dimetilformamida y se mezcla con una disolución de 2 mL de Co(CH3COO)2·4H2O (41.9 mg, 0.1685 mmol) en N,N´-dimetilformamida. Esta mezcla de sales de metales se adiciona a una disolución 3 mL de ácido tereftálico (H2BDC) (55.9 mg, 0.337 mmol) en N,N´dimetilformamida. La mezcla de reacción se coloca en reactor de acero inoxidable con interior de teflón de 23 mL y se calienta a 90°C en un horno por un período de 120 h. La disolución resultante se deja enfriar lentamente. El sólido rosado-violáceo resultante es filtrado y lavado con N,N´-dimetilformamida en condiciones ambientales. El polvo cristalino (44.3 mg, 53.78% basado en H2BDC) es secado al aire. 29 2.1.8. Síntesis de Mn0.5Cd0.5(C8H4O4)(H2O)2. Se prepara una disolución de 2 mL de Mn(CH3COO)2·4H2O (43.3 mg, 0.1685 mmol) en N,N´dimetilformamida y se mezcla con una disolución de 2 mL de Cd(CH3COO)2·4H2O (44.8 mg, 0.1685 mmol) en N,N´-dimetilformamida. Esta mezcla de sales de metales se adiciona a una disolución 3 mL de ácido tereftálico (H2BDC) (55.9 mg, 0.337 mmol) en N,N´dimetilformamida. La mezcla de reacción se coloca en reactor de acero inoxidable con interior de teflón de 23 mL y se calienta a 90°C en un horno por un período de 120 h. La disolución resultante se deja enfriar lentamente. El sólido blanco resultante es filtrado y lavado con N,N´dimetilformamida en condiciones ambientales. El polvo cristalino (79.4 mg, 81.9% basado en H2BDC) es secado al aire. 2.1.9. Síntesis de Mn0.5Zn0.5(C8H4O4)(H2O)2 Se prepara una disolución de 3.5 mL de Zn(NO3)2.4H2O (107.9 mg, 0.361 mmol) en N,N´dimetilformamida y se mezcla con una disolución de 3.5 mL de MnCl2.4H2O (71.45 mg, 0.361 mmol) en N,N´-dimetilformamida. Esta mezcla de sales de metales se adiciona a una disolución 7.5 mL de ácido tereftálico (H2BDC) (119.9 mg, 0.722 mmol) en N,N´dimetilformamida. La mezcla de reacción se coloca en vial de vidrio con tapa esmerilada y se calienta a 90°C en un horno por un período de 120 h. La disolución resultante se deja enfriar lentamente. El sólido blanco resultante es filtrado y lavado con N,N´-dimetilformamida en condiciones ambientales. El polvo cristalino (103.5 mg, 54.41% basado en H2BDC) es secado al aire. 2.1.10. Síntesis de [Mg2Zn(BDC)3(H2O)3].4DMF Se prepara una disolución de 2 mL de Mg(CH3COO)2·4H2O (36.1 mg, 0.1685 mmol) en N,N´dimetilformamida y se mezcla con una disolución de 2 mL de Zn(CH3COO)2·4H2O (36.9 mg, 0.1685 mmol) en N,N´-dimetilformamida. Esta mezcla de sales de metales se adiciona a una disolución 3 mL de ácido tereftálico (H2BDC) (55.9 mg, 0.337 mmol) en N,N´dimetilformamida. La mezcla de reacción se coloca en reactor de acero inoxidable con interior de teflón de 23 mL y se calienta a 90°C en un horno por un período de 120 h. La disolución resultante se deja enfriar lentamente. El sólido blanco resultante es filtrado y lavado con N,N´dimetilformamida en condiciones ambientales. El polvo cristalino (75.6 mg, 41.76% basado en H2BDC) es secado al aire. 30 2.1.11. Síntesis de [CoZn2(BDC)3(H2O)3].4DMF Se prepara una disolución de 2 mL de Co(CH3COO)2·4H2O (41.9 mg, 0.1685 mmol) en N,N´dimetilformamida y se mezcla con una disolución de 2 mL de Zn(CH3COO)2·4H2O (36.9 mg, 0.1685 mmol) en N,N´-dimetilformamida. Esta mezcla de sales de metales se adiciona a una disolución 3 mL de ácido tereftálico (H2BDC) (55.9 mg, 0.337 mmol) en N,N´dimetilformamida. La mezcla de reacción se coloca en reactor de acero inoxidable con interior de teflón de 23 mL y se calienta a 90°C en un horno por un período de 120 h. La disolución resultante se deja enfriar lentamente. El sólido violeta resultante es filtrado y lavado con N,N´dimetilformamida en condiciones ambientales. El polvo cristalino (32.2 mg, 27.59% basado en H2BDC) es secado al aire. 2.1.12. Síntesis de [MnZn2(BDC)3(H2O)3].4DMF. Se prepara una disolución de 2 mL de Mn(CH3COO)2·4H2O (41.3 mg, 0.1685 mmol) en N,N´dimetilformamida y se mezcla con una disolución de una disolución de 2 mL de Zn(CH3COO)2·4H2O (36.9 mg, 0.1685 mmol) en N,N´-dimetilformamida. Esta mezcla de sales de metales se adiciona a una disolución 3 mL de ácido tereftálico (H2BDC) (55.9 mg, 0.337 mmol) en N,N´-dimetilformamida. La mezcla de reacción se coloca en reactor de acero inoxidable con interior de teflón de 23 mL y se calienta a 90°C en un horno por un período de 120 h. La disolución resultante se deja enfriar lentamente. El sólido blanco resultante es filtrado y lavado con N,N´-dimetilformamida en condiciones ambientales. El polvo cristalino (40.07 mg, 45.2% basado en H2BDC) es secado al aire. 2.1.13. Síntesis de Mn1.5Co1.5(BDC)3(DEF)2 . Se prepara una disolución de 2 mL de MnCl2 (21.2 mg, 0.1685 mmol) en N,N´dietilformamida y se mezcla con una disolución de 2 mL de CoCl2.6H2O (40 mg, 0.1685 mmol) en N,N´-dietilformamida. Esta mezcla de sales de metales se adiciona a una disolución 3 mL de ácido tereftálico (H2BDC) (56 mg, 0.337 mmol) en N,N´-dietilformamida. La mezcla de reacción se coloca en reactor de teflón con tapa, de 23 mL y se calienta a 130°C en un horno por un período de 72 h. La disolución resultante se deja enfriar lentamente. El sólido azul resultante es filtrado y lavado con N,N´-dietilformamida en condiciones ambientales. El polvo cristalino (48.5 mg, 49.27% basado en H2BDC) es secado al aire. 2.1.14. Síntesis de Mn1.5Co1.5(BDC)3(FPIP)2 Se prepara una disolución de 2 mL de MnCl2 (21.2 mg, 0.1685 mmol) en 1-formilpiperidina y 31 se mezcla con una disolución de 2 mL de CoCl2.6H2O (40 mg, 0.2407 mmol) en 1formilpiperidina. Esta mezcla de sales de metales se adiciona a una disolución 3 mL de ácido tereftálico (H2BDC) (56 mg, 0.337 mmol) en 1-formilpiperidina. La mezcla de reacción se coloca en reactor de teflón con tapa, de 23 mL y se calienta a 130°C en un horno por un período de 72 h. La disolución resultante se deja enfriar lentamente. El sólido violeta oscuro resultante es filtrado y lavado con 1-formilpiperidina en condiciones ambientales. El polvo cristalino (18.1 mg, 17.8% basado en H2BDC) es secado al aire. 2.1.15. Síntesis de Z-POMOF1: [TBA]3[PMoV8MoVI4O36(OH)4Zn4(BDC)2].2H2O. La síntesis hidrotermal del Z-POMOF1 se realizó en reactores de acero inoxidable con interior de teflón (PTFE) bajo presión autógena. Los viales de teflón de 23 mL se llenaron hasta el 40% de su capacidad en volumen. Z-POMOF1 se preparó de una mezcla de (NH4)6Mo7O24.4H2O (0.618 g, 3.50 mmol), molibdeno (99.99%) en polvo (0.060 g, 0.62 mmol), H3PO3 (0.020 g, 0.25 mmol), ZnCl2 (0.136 g, 1.00 mmol), ácido 1,4-benceno dicarboxílico (0.166 g, 1.00 mmol), hidróxido de tetrabutilamonio 40 w.t. % de disolución en agua (160 µL, 0.24 mmol) y H2O (9 mL). El pH fue ajustado a 5 (pHi) con una disolución 2M HCl (pHf = 4.7). La mezcla se calienta a 180ºC por 1 hora, y se mantiene esa temperatura por 40h, y entonces se enfría a 25ºC por un período de 80 h. El producto es aislado por filtración y separado de un polvo amorfo de color carmelita y cristales transparentes por decantación, y son lavados posteriormente con etanol. Se aíslan monocristales hexagonales rojos oscuros, casi negros (0.113g, 14% basados en H3PO3). 2.2. Caracterización químico-física de los enrejados metal-orgánicos. 2.2.1. Difracción de rayos X. La difracción de rayos X se realizó a 293K en un equipo de la firma Bruker D4 Endeavor con monocromador de grafito y fuente de radiación Cu-Kα (1.5418 Å) y en un equipo Bruker D8 Endeavor con monocromador de grafito y fuente de radiación Cu-Kα (1.5418 Å). Los experimentos de radiación sincrotrón de difracción de rayos X (XRPD) se realizaron en el ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), en la Línea de Luz Suizo-Noruega (SNBL), en Grenoble, Francia. Los datos fueron colectados in situ con una longitud de onda de 0.723227 Å, con la temperatura en un rango de 80 a 500K. Los experimentos de radiación sincrotrón de difracción de rayos X de alta resolución (HR32 XRPD) se realizaron en el LNLS (Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón) en la línea de luz de difracción de polvo, en Campinas, Brasil. Los datos se colectaron con una longitud de onda de 1.23989 Å, y con un voltaje del haz de 10keV, con temperaturas desde 80 hasta 450K. Los estudios de difracción de monocristales se realizaron en un difractómetro de tres-círculos SMART de la firma Siemens equipado con un detector CCD bidimensional usando una longitud e onda λ (Mo Kα) = 0.71073 Å monocromada. La corrección de adsorción se basó en reflexiones múltiples y equivalentes del set de datos utilizando el programa SADABS 203 basado en el método de Blessing 204 La estructura fue resuelta por métodos directos y refinada por mínimos cuadrados de una matriz completa usando el paquete de programas SHELXTL205. Los átomos de carbono desordenados de los iones de tetrabutilamonio fueron refinados isotrópicamente. El fichero CIF se adjunta en los anexos. Se realizó además termodifracción en un difractómetro D-5000 de la firma Siemens en el modo θ-θ en aire. Cada patrón se toma en el rango de 7 a 35º de 2θ con un escaneo de 2s por paso, lo cual da un tiempo aproximado de una hora para cada patrón en cada temperatura dada. La velocidad de calentamiento entre las temperaturas fue de 5°C min-1. 2.2.2. Espectroscopía de Infrarrojo, Raman y Termogravimetría. Los espectros de infrarrojo se registraron en un equipo Nicolet FT-170SX con la técnica de reflactancia difusa, en la región de 750–4000 cm-1y en pastillas de KBr, en el equipo WQF510 marca Beijing-Rayleigh Analitical Instrument Corp. China, en la región de 400-4000cm-1. Los espectros de adsorción de Raman fueron registrados en un equipo Renishaw con láseres de longitudes de onda de 532 y 785 acoplado a la línea de luz sincrotrón en ESRF. Las curvas termoanalíticas (ATG-DSC) se midieron en un instrumento NETZSCH STA 449C, con una rampa de temperatura de 10ºC min-1, desde 20ºC hasta 580ºC, en portamuestras de aluminio, en atmósfera de helio. La termogravimetría se realizó en atmófera de N2/O2 (1:1) con un flujo de 60 mL min-1 en una electrobalanza TGA-7 de la firma Perkin-Elmer con una velocidad de calentamiento de 5°C. min-1 hasta 800°C. 33 2.3. Experimentos de intercambio de disolventes y de desolvatación-resolvatación. Desolvatación de las muestras. Se tomaron 100 mg de cada muestra y se colocaron en una cápsula de porcelana, en un horno a 160ºC por 72 h. Las muestras desolvatadas fueron entonces analizadas por difracción de rayos X de polvo. Otro grupo de experimentos se realizaron colocando 50 mg de cada muestra en un tubo Y de vidrio equipado con una llave de teflón en un lado, que se colocó en un horno a 130ºC con vacío por 2 h. Resolvatación de las muestras. Las muestras fueron resolvatadas o sometidas a intercambio de disolventes en condiciones ambientales y solvotermalmente. Para la resolvatación a temperatura ambiente se colocan 20 mg de la muestra desolvatada en un vial con tapa con 1 mL del disolvente. El vial cerrado se guarda a 25ºC por un período de una semana. Para la resolvatación en condiciones solvotermales la muestra se coloca en reactor de acero inoxidable con interior de teflón de 23 mL con 1 mL de disolvente, y colocado en un horno a 100ºC para agua y a 130ºC para DMF, DEF, FPYR y FPIP, por un período de 72 h. 2.4.1. Simulación computacional de Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2. La modelación computacional se utilizó tanto para la predicción de estructuras como para el refinamiento de nuevas estructuras. Se realizaron cálculos de minimizaciones de la energía de red a volumen constante con el módulo Forcite del paquete de programas Material Studio 206. Se utilizó el campo de fuerza Universal 207, mientras que las cargas fueron determinadas por el esquema de equilibrio de cargas Qeq de Rappe y Goddard 208 Para determinar la eficiencia de FPYR y FPIP como moléculas plantilla, se toma el enrejado del MOF-73 100 sin las moléculas de DEF como estructura modelo y se sustituyen con las moléculas de disolventes FPYR y FPIP. El ángulo Mn-Odis-Cdis y el ángulo diedro Mn-OdisCdis- Ndis fueron escaneados en pasos de 10º para crear series de configuraciones de las estructuras modeladas. Las estructuras donde el disolvente coordinado solapa el enrejado fueron desechadas resultando en 28 y 30 configuraciones para FPYR y FPIP respectivamente. Una aproximación similar fue utilizada para el refinamiento estructural de los materiales Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2 pero utilizando los parámetros de red determinados por difracción de rayos X de monocristales. 34 2.4.2. Modelación computacional de MOFs bimetálicos. La simulación computacional de estructuras se utilizó para modelar MOFs bimetálicos con estructuras tipo Kaduk 126 , con la fórmula ideal M0.5M´0.5(C8H4O4)(H2O)2. Se utilizaron los pares de metales MnCo, MnCd, MnMg, MnZn, MgCo, MgZn, y CoZn. A partir de la estructura de Mn(BDC)(H2O)2 se sustituyen los Mn por los pares de metales, en geometría P1, y en dicha estructura se minimizan los parámetros de la celda y las posiciones atómicas con y sin las moléculas de agua coordinadas utilizando el programa DMOL3 209 de Teoría de Funcionales de la Densidad implementado en Material Studio. El funcional GGA RPBE fue usado en los cálculos 210, así como pseudopotenciales para representar los electrones internos y bases numéricas DNP para los electrones de valencia. En las estructuras minimizadas sin agua coordinada se calculan las cargas según el método de Mulliken 211 con el módulo DMOL3. Se grafican los resultados principales, como potenciales electrostáticos, densidades electrónicas y análisis de populaciones de cada una de las estructuras. 2.4.3. Modelación de MOFs zeolíticos. 2.4.3.1. Modelación de MOFs zeolíticos tipo ZIF. Construcción de modelos y optimización. Los modelos iniciales fueron construidos como polimorfos de ZIFs (del inglés Zeolite Imidazol Framework) con la fórmula química Zn(IM)2, unos de estructuras determinadas experimentalmente y otros como estructuras hipotéticas. En estas estructuras los átomos de Zn y las moléculas de imidazol remplazan los átomos de Si y O, respectivamente, de las zeolitas (Figura 2.1). Los datos cristalográficos de los ZIFs sintetizados fueron extraídos de CCDC (del inglés Cambridge Crystallographic Data Center, www.ccdc.cam.ac.uk/) y las especies extraenrejados fueron eliminadas, al igual que sustituyentes del imidazol, cuando se requería. En este caso se incluyen cag- (ZIF-4), zni, BCT- (ZIF-1, ZIF-2), DFT- (ZIF-3), GIS- (ZIF-6), SOD (ZIF-7, ZIF-8, ZIF-9), MER- (ZIF-10) y LTA (ZIF-20). Los modelos estructurales de los ZIFs se construyeron partiendo de las topologías de zeolitas uninodales (ACO, ABW, AFI, ATN, ATO, CAN y FAU), y multinodales; con 2 nodos (LTL y AST) y la FER como topología modelo con 4 nodos. 35 Figura 2.1. Analogía gráfica entre la estructura de los silicatos con los ZIFs y Z-POMOFs Para la construcción de los modelos se toma cada estructura cristalina de zeolita y se convierte adecuadamente al ZIF correspondiente, con la ayuda del programa TOBUNPOROUS, siguiendo el procedimiento: i) sustituir cada centro de Si con Zn; ii) sustituir el oxigeno puente en Si-O-Si por el ligando bifuncional imidazol y iii) escalar las dimensiones de la celda unidad apropiadamente. Este método es factible ya que resulta en modelos para la minimización de energía con parámetros de la red cristalina con un error del 2%, comparados con los valores experimentales. Los cálculos de minimización de energía, para la determinación de las estructuras de equilibrio y las energías totales relativas de los modelos experimentales y los hipotéticos, se realizaron con métodos de Teoría de Funcionales de la Densidad, implementados en el programa SIESTA. Se utilizó el funcional GGA-PBE y todas las estructuras fueron modeladas y minimizadas en simetría P1. 2.4.3.2. Modelación de enrejados zeolíticos de tipo POMOFs. Estrategia de diseño Primeramente se describe la estrategia para la selección de los sistemas a explorar y las razones para la selección del POM y el ligando orgánico. Teniendo en cuenta los materiales tipo zeolitas, el requerimiento clave para el diseño es la adecuada selección de un POM 36 catiónico, junto al ligando orgánico. La unidad del POM catiónica debe poseer una simetría global tetraédrica, para reemplazar los átomos de Si de los patrones SiO2 de la red tetraédrica modelo, y un conector o ligando entre los POMs que sea bifuncional, aniónico y rígido, para imitar el rol del oxígeno en la estructuras de silicatos (Figura 2.1). Para el POM se escogieron isómeros de la recién desarrollada familia de ε-Keggins del anión de 212 reducido 212, 213. Se escoge el derivado de Zn(II) denominado en lo adelante como ε-Zn, en lugar de los más conocidos derivados de La(III) debido a que la posición de estos metales en el clúster es de entronque en posición tetraédrica, el Zn(II) es más probable a formar topologías tetraédricas que el La(III). Además, se ha demostrado que en condiciones hidrotermales es posible la formación “in situ” del ε-Zn que reacciona con el ligando bifuncional de 4,4´-bipiridina 214, resultando en un enrejado con conexión POM-Zn-L-Zn-POM. En el caso del ligando se escoge el ácido 1,4-benceno dicarboxílico por ser rígido y ser también un ligando común en MOFs robustos y de gran porosidad 86, 68 . Este es un ligando lineal que en principio no es posible que pueda formar parte de estructuras tipo zeolitas, donde los ángulos T-O-T están entre 140 - 150º, sin embargo, el constreñimiento del ligando para “doblarse” se compensa aquí con la ventaja geométrica asociada al POM, como un nodo de átomos volumétrico, en contraste con átomos simples presentes en zeolitas, permitiendo de esta forma las conexiones T-T con solo pequeñas rotaciones de estos nodo metálicos. Construcción de modelos y optimización. En este acápite consideraremos las geometrías y estabilidades del grupo de modelos de ZPOMOFs basados en ε-Zn y 1,4-BDC, para la identificación de aquellas estructuras más probables para la síntesis. Sin embargo, debido al gran número de materiales zeolíticos conocidos (y mayor número de redes tetraédricas hipoteticas) 215, 216}217, 218 , el trabajo se concentra en un paso inicial en la selección de las estructuras apropiadas de zeolitas. Para ello, se escogen las zeolitas uninodales (que poseen un solo sitio cristalográfico tetraédrico, en su celda asimétrica) ya que curiosamente, la mayoría de los enrejados metal-orgánicos con estructura tipo zeolita reportados hasta el momento, poseen topologías uninodales. Entonces se toman 21 estructuras zeolíticas con topologías uninodales de la base de datos de estructuras de zeolitas IZA 219 junto con una selección de materiales densos tipo SiO2 (cuarzo, cristobalita y coesita) considerados los minerales densos más favorecidos termodinámicamente. 37 Para la construcción de los modelos de partida de los Z-POMOFs para las simulaciones se necesita tomar cada estructura cristalina de las zeolitas uninodales y convertirlas al correspondiente Z-POMOF con el ε-Keggin y el 1,4-BDC. Para lograr tal objetivo es necesario utilizar el programa TOBUNPOROUS 173, que fue escrito para lograr: (i) sustitución automática de cada tetraedro de SiO4 con un ión de ε-Keggin con la apropiada orientación ⎯ dígase con los átomos de Zn ubicados en las direcciones definidas por los enlaces Si-O, (ii) sustitución del oxígeno puente de Si-O-Si por el ligando 1,4-BDC, y finalmente (iii) escalar apropiadamente las dimensiones de la celda unidad. También se tiene en cuenta que todas las estructuras seleccionadas aseguran un rango de tamaño de anillos diferentes observados en las zeolitas, desde anillos de 12 miembros presentes en FAU, por ejemplo, hasta anillos tensionados de 3 miembros(RWY, NPO), permitiendo de esta manera la exploración de diversas densidades de enrejados y motivos estructurales Los modelos iniciales fueron sometidos a minimizaciones de energía de la red en simetría P1 para determinar las estructuras de equilibrio a presión constante (incluyen relajación de los parámetros de la celda) y sus energías relativas de red. Como nuestros modelos presentan un gran número de átomos (cada ε-Zn y ligando BDC, poseen 57 y 16 átomos respectivamente) se plantea las minimizaciones de energía utilizando un campo de fuerza (mecánica molecular) como única aproximación real para este estudio en la actualidad. La selección del campo de fuerza se rige por la necesidad de considerar diversos tipos de enlaces y por ello, se selecciona el Campo de Fuerza Universal (UFF del inglés Universal Force Field) que posee los parámetros adecuados para los sistemas en estudio. Los parámetros de enlace para describir los enlaces Zn-O fueron modificados para reproducir las distancias típicas Zn-O observadas en estos sólidos, y fueron ajustadas a la estructura de ZnO ya que sus enlaces son similares a aquellos observados en MOFs con enlaces Zn-O. Como en UFF el enlace Zn-O se describe como la suma de 4 términos ecuación 2 referencia 207 entonces variamos el radio atómico para obtener el largo de enlace requerido, resultando un valor de 1.503Å para el radio de Zn. Las simulaciones fueron constreñidas, haciendo énfasis en la transferencia de tales potenciales a estos sistemas y en la disminución del costo computacional. Por ello, la unidad de ε-Keggin y los ligandos 1,4-BDC fueron tratados como cuerpos rígidos, mientras que las interacciones entre las unidades de construcción fueron aseguradas a través de los enlaces Zn-O existente 38 entre el POM ε-Keggin y los átomos de oxígeno carboxilato de los ligandos orgánicos, que se dejaron relajar libremente junto la optimización de los parámetros de la celda. Con la asignación de la movilidad de tales cuerpos rígidos se preserva la compleja geometría del εKeggin, permitiendo que ambas unidades de construcción se reorienten relativamente uno con respecto al otro, proporcionándole al enrejado la flexibilidad requerida. Las interacciones noenlazantes entre los pares de átomos está representada por los potenciales de Lenard-Jones, calculados en espacio real con distancias de cortes relevantes, más un término Coulómbico evaluado por la sumatoria de Ewald, y usado para describir las interacciones electrostáticas del sistema. Las cargas atómicas para cada modelo de Z-POMOF fueron calculadas por el método de equilibrio de carga de Rappe y Goddard 208 y el valor promedio se fija para todas las estructuras de Z-PMOF. El mismo conjunto de cargas fue usado para todos los cálculos, lográndose así evitar variaciones artificiales del término electrostático entre las estructuras de Z-POMOFs. La energía de red minimizada de cada estructura de Z-POMOF es normalizada al número de POMs por celda unidad en cada una de ellas. También se considera, después de la síntesis, un modelo derivado directamente de la estructura de Z-POMOF1. La estructura experimental del Z-POMOF1 tri-interpenetrada fue convertida a su polimorfo de sílice, y después convertido nuevamente al correspondiente ZPOMOF, para asegurar de esta forma que la energía de la red de la topología interpenetrada experimentalmente pueda ser determinada exactamente del mismo modo que para los otros modelos de Z-POMOFs. También se compara la estabilidad del enrejado interpenetrado con la del una red simple, para evaluar de este modo la influencia de la interpenetración en la estabilidad estructural. El modelo del enrejado interpenetrado tipo cristobalita es nombrado como Z-POMOF1, mientras que una red se refiere como (red simple)-Z-POMOF1. 2.5. Estudio electroquímico del Z-POMOF1. Las disoluciones fueron degasificadas por 30 min. Con argon y mantenidas en dicha atmósfera durante las mediciones. Preparación de los electrodos. Z-POMOF1 en electrodos modificados de pasta de carbono.(Z-POMOF1-CPE) . La pasta de carbono se obtuvo por la mezcla de aceite mineral con 50 mg de negro de carbono, 39 Vulcan XC-72, y 2 mg de Z-POMOF1. Una parte de la pasta se coloca en tubo de ensayo y la parte interior del cilindro formando es presionada con un alambre de cobre. La superficie del electrodo fue suavizada con una superficie suave. Z-POMOF1 en electrodos modificados de alcohol polivinílico. (Z-POMOF1-PVAE). El electrodo modificado se fabrica depositando 50 µL de una disolución de alcohol polivinílico en agua (0.5 mg/mL) en una superficie de carbono pulida. El electrodo se obtiene secando por 48 h a 100ºC al aire. El Z-POMOF1 se disuelve en DMF (2.5 mM). Posteriormente se toma una aliquota de 50 µL y se deposita en el electrodo modificado de carbono y se deja secar por un período de 24 h a 35ºC. El dispositivo se cubre con 20 µL de una disolución de Nafion al 5% en agua, y dejarlo secar nuevamente al aire en condiciones ambientales. El comportamiento del Z-POMOF1 en la voltametría cíclica (CV) en electrolitos acuosos fue estudiada en el estado sólido y se comparan con el POM ε-La en forma de sal de cloruro. La electroquímica en estado sólido se realizó atrapando el POM electrodos de pasta de carbono(CPE) o alcohol polivinílico(PVAE) 40 CAPÍTULO III. ENREJADOS METAL-ORGÁNICOS DE TEREFTALATOS DE MANGANESO (Mn-BDC): COEXISTENCIA DE LA FLEXIBILIDAD INDUCIDA POR EL DISOLVENTE Y ROBUSTEZ TÉRMICA ESTRUCTURAL. 3.1. Introducción Dada la posibilidad que brinda la química de los enrejados metal-orgánicos de definir previamente las propiedades potenciales de los materiales a sintetizar, los trabajos de diseño se destinan fundamentalmente, hacia MOFs con propiedades hospedero-huésped interesantes, con énfasis en la adsorción y separación de moléculas5, 9, 85, 93, 220 . Una de las vías para incrementar la capacidad de adsorción, la selectividad y la separación molecular, en dichos sólidos, es con la incorporación de flexibilidad en el enrejado 5, 180, 220 . Esta interesante característica, se puede lograr de la manera más simple, con la selección adecuada de los ligandos orgánicos, que poseen la flexibilidad como propiedad inherente de ellos 223 Existen diversos ejemplos como los reportados por Kitagawa y col. y Wang y col. 221, 222 . 221 , que utilizan ligandos muy flexibles y de esta forma, obtienen materiales tridimensionales con diferentes topologías, que permiten mejorar las propiedades de adsorción. De la misma forma Yamada y col.101, 224 , con el ligando [2,2’-bis(3-hidroxi-1,4-naftoquinona) logra transformaciones del enrejado ([Cu(bhnq)(THF)2](THF))n por la contracción y expansión unidimensionales por puentes de hidrógeno. Otra forma de lograr la flexibilidad pero con ligandos rígidos, es cuando todo el enrejado se mueve por los ángulos que se forman entre ligando-metal-ligando, que son capaces de variar de manera similar a “tijeras interconectadas” y que resulta en una flexibilidad del tipo “enrejado que respira”28, 68, 80, 87, 196. Los MOFs isoestructurales de tereftalatos de Cr y Al, de la familia MIL-5368 (Figura 1.1.c), son considerados materiales prototipos de este tipo de flexibilidad. Un panorama más complejo se puede apreciar en numerosos MOFs, que sufren transformaciones estructurales con la pérdida o intercambio de moléculas huésped191, 223, 225. De manera generalizada, los sólidos construidos con el ligando derivado del ácido tereftálico se consideran rígidos, siguiendo la analogía a los derivados de Zn (MOF-5) (Figura 1.1.a) 10 y los de Cr (MIL-100 y MIL-101) 78, 128 . Sin embargo, Zn y Cr-BDC pueden también formar estructuras flexibles, como las reportadas por Férey y col. 57, 68, 128 y Wright y col. 123 . Un detalle a resaltar, es que [Zn(bdc)(H2O)]DMF (enrejado 2 reportado por Wright y col..123) 41 visto en el plano bc, muestra una estructura similar a la del MIL-5368 y MIL-88104 y sus análogos de los ácidos naftalénico y bifenílico. Estos ejemplos demuestran que la flexibilidad en el enrejado esta más directamente asociada, con la topología del enrejado que con la naturaleza de los centros metálicos y los ligandos. Por otro lado, Suh y col..226 prepararon un sólido derivado del ácido naftalénico y Mn, donde hay sitios metálicos expuestos y debido a ellos, muestran remarcables propiedades adsortivas. Teniendo en cuenta, que el Mn en los MOFs que lo contienen, además de optimizar la adsorción de especies, también presenta significativas propiedades catalíticas, eléctricas magnéticas 152, 228, 229 y de separación 227 , 230 , es entonces relevante explorar los materiales formados por este metal y el ácido tereftálico (BDC). Algunos sólidos de Mn-BDC se conocen, como los reportados por Kaduk126 (en lo adelante sólido Mn(BDC)(H2O)2), Yaghi y col. 100 (sólido Mn3(BDC)3(DEF)2) y Fu y col. 124 (sólido Mn3(BDC)3(DMF)2). Nuestro trabajo se centra en: (i)diseño de MOFs similares al reportado por Yaghi, pero con poros de mayor tamaño; (ii)estudio sistemático de los enrejados metal-orgánicos de Mn-BDC, explorando diferentes condiciones de síntesis de los sólidos ya conocidos y aplicándolas a los nuevos MOFs; (iii)caracterización de los MOFs sintetizados y (iv) estudio de la coexistencia de la flexibilidad y la robustez termoestructural en estos sólidos, hecho que se convierte en un punto importante en la caracterización de enrejados metal-orgánicos. 3.2. Diseño computacional de MOFs análogos de Mn3(BDC)3(DEF)2 100 con poros expandidos. La estrategia a seguir en el diseño de nuevos materiales consiste en obtener enrejados con tamaños de poro mayores y para ello se buscan disolventes/moléculas-plantilla de dimensiones superiores. En este caso se escogen la 1-formil pirrolidina (FPYR) y la 1-formilpiperidina (FPIP), que son disolventes poco utilizados, pero con carácter de amidas débiles similares a la dimetilformamida (DMF) y la dietilformamida (DEF) (Tabla 2.1). La sustitución de DEF por FPYR y FPIP resultó en dos MOFs estables estructuralmente, es decir, las estructuras obtenidas en la modelación convergieron a mínimos de energía. Este hecho, considerando la calidad del método de cálculo empleado, sugiere que estos MOFs pudieran ser preparados experimentalmente. En la Tabla 3.1 se presentan los parámetros de la celda de las tres estructuras modeladas 42 (MnBDC con DEF, FPYR y FPIP), así como de la estructura experimental con DEF (conocido como MOF-73100). Los parámetros de la celda del modelo difieren de los experimentales del MOF-73 en -5.08, 5.86 y 0.79% en las direcciones de a, b y c de la celda, respectivamente. Estos resultados sugieren que el cálculo reproduce razonablemente bien dichos parámetros, lo que brinda confianza en el mismo. Si se comparan los parámetros de las celdas de los MOFs modelados, se puede notar, que al aumentar el tamaño de la molécula huésped hay variaciones en los parámetros de la celda y que éstas son proporcionales con el tamaño de dicha molécula. Esto sugiere que las moléculas escogidas para la sustitución parecen adecuadas y que los enrejados son lo suficientemente flexibles como para acoger las distorsiones que implican aumentar el tamaño de los poros dado por moléculas de mayores dimensiones. Tabla 3.1. Parámetros de la celda de los MOFs modelados y los de Mn3(BDC)3(DEF)2. MOF Mn3(BDC)3(DEF)2 Mn3(BDC)3(DEF)2 Mn3(BDC)3(FPYR)2 Mn3(BDC)3(FPIP)2 experimental modelado modelado. modelado. a (Å) 24.7821(16) 23.5207(1) 24.9331(1) 24.2567(1) b (Å) 10.5842(7) 11.4627(1) 11.0061(1) 10.8220(1) c (Å) 17.4219(11) 17.5608(1) 17.6546(1) 18.2717(1) β (o) 129.932(10) 134.008(1) 132.720(1) 128.590(1) 3504.1(4) 3405.3(1) 3559.3(1) 3749.1(1) 3 V (Å ) Se conoce que en zeolitas las variaciones de las especies extraenrejados, ya sea por deshidratación o intercambio iónico, pueden causar diferencias notables en las intensidades de los máximos de difracción 48 . En MOFs las moléculas de disolventes pueden adoptar diferentes orientaciones espaciales en las cavidades, lo cual en analogía a las zeolitas, pudiera resultar en variaciones en las intensidades de los máximos de difracción. Sobre esta base, con los parámetros de celda de los MOFs obtenidos en la modelación, se construyeron diversas estructuras hipotéticas, en las que se mantienen en todos los casos el grupo espacial de la celda unitaria -C2/c- y se varía solamente el ángulo de orientación (Mn-Odisolvente-Cdisolvente) de la molécula de disolvente y el ángulo de torsión Mn-Odisolvente-Cdisolvente-Ndisolvente. Todas las estructuras fueron sometidas a ciclos de minimizaciones de energía de la red, resultando en configuraciones estables, hecho que ratifica la selección de los disolventes, FPYR y FPIP, como los nuevos candidatos para obtener las estructuras deseadas. De todas las configuraciones minimizadas de Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2 se tomaron las 43 10 estructuras minimizadas de menor energía, y se modelaron los patrones de difracción de rayos X, mostrados en la Figura 3.1. (a) (b) Figura 3.1. Patrones de polvos simulados de 10 configuraciones de (a) Mn3(BDC)3(FPYR)2 y (b) Mn3(BDC)3(FPIP)2, con variaciones en las orientaciones de los moléculas de disolventes. Como se puede observar, tanto en Mn3(BDC)3(FPYR)2 como en Mn3(BDC)3(FPIP)2 se aprecian diferencias en las intensidades de los máximos de difracción, e incluso en la presencia o ausencia de algunos de ellos. Este hecho demuestra la complejidad en la determinación de estructuras de MOFs, cuando no se tienen monocristales y hay especies que forman parte del enrejado cristalino, que tienen cierta movilidad en el momento de la formación del cristal. 3.3. Síntesis y características estructurales de tereftalatos de manganeso. 3.3.1. Síntesis de Mn(BDC)(H2O)2. y Mn3(BDC)3(DEF)2. El sólido identificado como Mn(BDC)(H2O)2 es la estructura reportada por Kaduk, 126(Figura 3.2) . Para obtenerlo como fase pura, Kaduk realiza una recristalización del sólido polifásico en agua a 353 K por 12 h. En cambio, en esta tesis, la síntesis de este material se realiza en N,N´-dimetilformamida(DMF) como medio de reacción en un solo paso, obteniéndose una sola fase cristalina. Como resultado de la misma se obtienen polvos blancos que presentan alta cristalinidad, lo cual se refleja en el patrón de difracción de rayos X (Figura A.3.1 de anexos). Es interesante 44 destacar, que a pesar de la utilización de DMF, y que en principio, es posible obtener sólidos con la DMF en el papel de agente direccionador de la estructura, como en el MOF Mn3(BDC)3(DMF)2 124 , el enrejado aquí obtenido contiene agua en lugar de DMF. La formación del sólido con agua y no con DMF se explica por la presencia de H2O, tanto en las sales de los metales de partida como en la DMF. Este último hecho ha sido estudiado en detalle por Burrows y col. 231 , en la síntesis de MOFs de Zn y han demostrado que de no controlarse el contenido de agua en la DMF, se pueden obtener diversos productos de reacción. (a) (b) Figura 3.2. Estructura cristalina de Mn(BDC)(H2O)2 a) vista del enrejado a lo largo del eje a b) Vista del enrejado a lo largo del eje b con los átomos de manganeso representados por poliedros violetas. (a) (b) Figura 3.3. Estructura cristalina de Mn3(BDC)3(DEF)2 a) vista del enrejado a lo largo del eje a b) Vista del enrejado a lo largo del eje b con los átomos de manganeso representados por poliedros violetas. 45 Al hacer reaccionar sales de cloruro de manganeso con el ácido tereftálico en condiciones solvotermales, y utilizando DEF, se obtiene el compuesto denominado Mn3(BDC)3(DEF)2 que cristaliza en el sistema monoclínico, grupo espacial C2/c, identificado como la estructura reportada por Yaghi y col.100. El MOF preparado muestra alta cristalinidad, como se aprecia en el patrón de difracción de rayos X (Figura A.3.2 de anexos). En cambio, Yaghi y col. utilizaron otro método de síntesis y obtuvieron este MOF en forma de monocristales, en atmósfera inerte, y utilizando sales de Mn(ClO4)2. En las Figuras 3.2 y 3.3 se muestran las estructuras cristalinas tridimensionales de Mn(BDC)(H2O)2 y Mn3(BDC)3(DEF)2 respectivamente. El enrejado de Mn3(BDC)3(DEF)2, (MOF-73100), fue clasificada como un MOF de empaquetamiento columnar o de vara (Figura 3.3.b), debido al alineamiento que adoptan los átomos metálicos. Esta peculiaridad estructural es también observable en Mn(BDC)(H2O)2, como se aprecia en la Figura 3.2.b. Sin embargo, se distinguen diferentes geometrías de poros en ambas estructuras: Mn(BDC)(H2O)2 presenta pequeños poros en forma rectangular de dimensiones 4.8 x 6.6 Å2, mientras que Mn3(BDC)3(DEF)2 presenta poros de tamaño medio con geometría romboide (dimensiones 10.58 x 16.21 Å2), muy similar a los de las estructuras de la familia de los MIL-53 y MIL-88, y en menor medida al MOF 226 de Mn con el ácido naftalénico. La presencia de diferentes moléculas de disolvente en Mn(BDC)(H2O)2 y Mn3(BDC)3(DEF)2, conducen a MOFs, que se diferencian en el ambiente de coordinación de los centros metálicos. La estructura de Mn(BDC)(H2O)2126 consiste en capas alternas de aniones de tereftalatos y cationes metálicos coordinados octaédricamente. La coordinación octaédrica del Mn consiste en cuatro átomos de oxígeno de carboxilato en posición ecuatorial y dos moléculas de agua en posición axial (Figura 3.4.a) En este enrejado, hay un solo ambiente cristalográfico para los centros metálicos que definen la unidad de construcción. En la estructura de Mn3(BDC)3(DEF)2100 existen dos ambientes cristalográficos para los Mn (II), uno de ellos está coordinado octaédricamente a seis O de carboxilatos, mientras que el otro está coordinado tetraédricamente a tres oxígenos de carboxilatos y al O de la molécula de N,N´dietilformamida (Figura 3.4.b). En el enrejado Mn3(BDC)3(DMF)2 de manera similar a Mn3(BDC)3(DEF)2, hay dos ambientes cristalográficos para los átomos de Mn, uno octaédricamente enlazado a oxígenos de carboxilatos, y el otro, como un octaedro distorsionados que comparten una arista con otra octaedro similar, donde hay tres oxígenos de 46 carboxilato y uno de la molécula de DMF (Figura 3.4.c). (a) (b) (c) Figura 3.4. Coordinación del Mn en la estructura de (a) Mn(BDC)(H2O)2 126, (b) Mn3(BDC)3(DEF)2 100 y (c) Mn3((BDC)3(DMF)2124.Los manganesos están representados por poliedros. 3.3.2. Síntesis de Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2. Al hacer reaccionar sales de cloruro de manganeso anhidras con el ácido tereftálico, en condiciones solvotermales, utilizando los disolventes FPYR y FPIP, se obtienen los materiales cristalinos Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2. Los patrones de difracción de polvos de los nuevos MOFs, con FPYR y FPIP como disolventes (Figuras 3.5.a y b, respectivamente) son semejantes al patrón del MOF con DEF (Figura A.3.2 de anexos). Sin embargo, existen diferencias apreciables tanto en las intensidades de los máximos, como en la posición de los mismos. (a) (b) Figura 3.5. Patrones de difracción de rayos X de polvos de (a) Mn3(BDC)3(FPYR)2 y (b) Mn3(BDC)3(FPIP)2. 47 La estructura cristalina de estos nuevos compuestos fue resuelta a partir de los patrones de difracción de polvos, y refinada con el método de Rietveld (implementado en el paquete de programas FullProf 232 ). En la Tabla 3.2 se pueden evaluar los datos cristalográficos de los nuevos MOFs sintetizados. Tabla 3.2. Datos cristalográficos de las estructuras Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP) faltan datos como error, y otros que dan la idea de la calidad del refinamiento, como el Rwp. Fórmula Empírica Mn3(C8H4O4)3(C5H9NO)2 Mn3(C8H4O4)3(C6H11NO)2 Sistema cristalino Monoclínico Monoclínico Grupo espacial C 2/c C 2/c a (Å) 24.6490(15) 24.5848(12) b (Å) 10.8890(11) 11.4525(7) c (Å) 19.1440(10) 19.2000(9) 135.640(30) 136.290(29) Volumen de la celda (Å) 3592.52(13) 3735.55(11) Masa Molecular (g mol-1) 841.4247 869.4784 Densidadcalculada (g.cm ) 1.5816(14) 1.5709(12) Número de puntos experimentales 7791 7791 Número de reflexiones 654 654 84 15 9.6 88 15 9.2 Rwp 13.5 14.2 χ 6.7 6.9 β 3 -3 Número de parámetros refinados Parámetros estructurales Parámetros de perfil Rexp Las estructuras cristalinas tridimensionales de Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2 se muestran en la Figura 3.6 y 3.7 respectivamente. Las estructuras cristalinas de Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2 son muy similares, en ambas los manganesos se encuentran en dos ambientes cristalográficos diferentes (Figura 3.6.a y 3.7.a), un Mn octaédrico coordinado a seis oxígenos de carboxilatos, y el otro Mn formando un tetraedro distorsionado, que se encuentra coordinado a tres oxígenos de carboxilatos y a uno de las moléculas de disolventes, FPYR o FPIP. 48 (a) (b) (c) Figura 3.6. Estructura cristalina de Mn3(BDC)3(FPYR)2, (a) entorno de coordinación del Mn en la estructura. (b) vista del enrejado a lo largo del eje c, y (c) vista del enrejado a lo largo del eje b. Los manganesos están representados como poliedros violetas. (a) (b) (c) Figura 3.7. Estructura cristalina de Mn3(BDC)3(FPIP)2, (a) entorno de coordinación del Mn en la estructura. (b) vista del enrejado a lo largo del eje c, y (c) vista del enrejado a lo largo del eje b. Los manganesos están representados como poliedros violetas. 49 Al observar las Figuras 3.6.c y 3.7.c se distingue el empaquetamiento columnar o de vara de los poliedros de manganeso, característica que fue observada anteriormente en las estructuras Mn3(BDC)3(DEF)2 y Mn3(BDC)3(DMF)2. Teniendo en consideración la fórmula molecular, el entorno de los Mn, la coordinación de las moléculas de disolvente y el hecho que ambos enrejados cristalizan en el sistema monoclínico, grupo espacial C 2/c, se puede concluir que las estructuras cristalinas Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2 son isoestructurales, con la estructura reportada por Yaghi y col. 100, tal y como se había supuesto en la simulación previa de las mismas. Es útil detallar, que en las estructuras Mn(BDC)(H2O)2, Mn3(BDC)3(DEF)2 y Mn3(BDC)3(DMF)2 las moléculas de disolvente están alineadas en dirección al eje cristalográfico b (Figuras 3.6.b y 3.7.b.) Por esta razón, es de esperar que el parámetro de red más afectado sea b por el cambio de disolvente en materiales isoestructurales entre sí. En la Tabla 3.3 se puede observar la correlación lineal (ver en anexos la Figura A.3.3) existente entre el tamaño de las moléculas de disolvente y el parámetro de red b de las estructuras reportadas y las sintetizadas, con una correlación lineal del ajuste de 0.99472. Este hallazgo certifica el resultado previamente obtenido por la simulación computacional. Tabla 3.3 Diferencia del eje b de la celda unitaria en los sólidos sintetizados y tamaño del disolvente empleado. Talla de la Parámetro Dimensiones de molécula en Å b (Å) poro DEF 5.38 10.5842(7) 10.58 x 16.21 Mn(BDC)(H2O)2 H2O 0.98 6.5960(4) 4.8 x 6.6 Mn3((BDC)3(DMF)2 DMF 4.22 9.5340(5) 9.53 x 16.14 Mn3(BDC)3(FPYR)2 FPYR 5.48 10.8890 10.88 x 24.43 Mn3(BDC)3(FPIP)2 FPIP 5.75 11.4525 11.45 x 24.58 Estructura Disolvente Mn3(BDC)3(DEF)2 Se distingue que la inclusión de los nuevos disolventes en los enrejados, además de afectar el parámetro b, también en menor medida modifica los parámetros c y β, como se puede percibir al comparar los datos cristalográficos en las Tablas 3.1 y 3.2. Estas variaciones de la celda unitaria aparecen como resultado de la expansión del enrejado en la direcciones de b y c, para la mejor ubicación de las nuevas moléculas de disolventes con ciclos alifáticos. Como se aprecia de la Tabla 3.3, se obtienen estructuras con tamaños de poro mayores, al sustituir las 50 moléculas de DEF por otras de dimensiones superiores, lo cual lleva consigo el reordenamiento de los átomos del enrejado. En la Figura 3.8 se muestran los espectros de infrarrojo de Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2. Se puede apreciar las vibraciones de valencia características de COO carboxilatos en el intervalo 1559 a 1539cm-1 (ν COO asim) y 1394 a 1384cm-1 (ν COO sim) con diferencias ∆ (∆ = νasim - νsim) de 150 y 175 cm-1, que indican que los ligandos de tereftalatos están coordinados al manganeso en dos modos: puenteado bidentado y quelatado/puenteado bidentado respectivamente. (a) (b) Figura 3.8. Espectros IR de Mn3(BDC)3(FPYR)2(a) y Mn3(BDC)3(FPIP)2(b). 3.4. Flexibilidad inducida por el disolvente. Como primera evidencia de la flexibilidad de enrejados de tereftalato de manganeso se estudia la rehidratación de Mn(BDC)(H2O)2 previamente desolvatado, en agua. En la Figura 3.9 se puede apreciar como aumenta gradualmente la cristalinidad desde la estructura de Mn(BDC) deshidratada, al material cristalino Mn(BDC)(H2O)2, con la exposición a condiciones ambientales de temperatura, presión y humedad, en función del tiempo. Cuando el MOF deshidratado se coloca en vial cerrado con los disolventes H2O, DMF, DEF, FPYR y FPIP, en condiciones ambientales, se obtienen igualmente materiales cristalinos (Figura 3.10.a). Los sólidos en contacto con DEF y DMF sólo presentan la fase correspondiente al Mn(BDC)(H2O)2, mientras que los enrejados expuestos a la FPYR y FPIP muestran mezclas de fases de Mn(BDC)(H2O)2 con Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2 respectivamente. Es importante destacar que el contenido de agua en las 51 muestras tratadas con FPYR y FPIP es muy bajo, y como resultado la conversión a las fases de los sólidos Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2 es casi completa, incluso en condiciones tan suaves de temperatura y presión. Figura 3.9. Patrones de difracción rayos X de polvo de la rehidratación de Mn(BDC)(H2O)2 expuesta al aire. Cuando el MOF Mn(BDC)(H2O)2 deshidratado se coloca en reactor con cada uno de los disolventes, en condiciones solvotermales, se obtienen entonces los correspondientes enrejados metal-orgánicos en cada caso, con la completa interconversión de las estructuras (Figura 3.10.b). (a) (b) Figura 3.10. Patrones de difracción de rayos X de polvo resultantes de la resolvatación de Mn(BDC)(H2O)2 (a) condiciones ambientales y (b) condiciones solvotermales. 52 Se puede predecir, que para la interconversión a dichas estructuras es necesario una mayor entalpía para el proceso de cambio de fases. En condiciones ambientales se obtiene el producto más estable termodinámicamente, o sea, Mn(BDC)(H2O)2, incluso con la presencia de solo trazas de agua. Es notable que el proceso de interconversión a Mn3(BDC)3(DEF)2 , Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2 requiere superar una barrera energética mayor, asociada al cambio en la coordinación de los centros metálicos, así como pequeños desplazamientos de todo el enrejado que se expande para la inclusión de esas moléculas de disolventes. Estos resultados aquí expuestos demuestran que los enrejados metal-orgánicos de tereftalatos de manganeso exhiben flexibilidad inducida por el huésped. 3.5. Robustez termoestructural de los enrejados Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2 Se realiza un estudio térmico a los nuevos materiales sintetizados y las curvas de análisis termogravimétrico y calorimetría diferencial de barrido se muestran en la Figura 3.11. En la curva del análisis termogravimétrico (ATG) de Mn3(BDC)3(FPYR)2 se observa que el primer cambio de masas ocurre entre 250 y 290ºC con una pérdida de masa de 25.1%, que corresponde con la salida de las dos moléculas de disolvente FPYR por formula unidad. Dicho valor está muy cercano al valor teórico esperado (23.2%) según la fórmula estructural. El material se mantiene sin cambios hasta 410 ºC, donde comienza la descomposición total de la parte orgánica, hasta llegar al correspondiente óxido de manganeso (3MnO se corresponden con 24.8% valor calculado). Los valores de energía de la curva de calorimetría diferencial de barrido (DSC) están en correspondencia cualitativa con los procesos que se suponen como la desolvatación en el primer escalón, y en el segundo, procesos de descomposición-oxidaciónrecristalización que resultan en la formación de los óxidos metálicos. El enrejado metal-orgánico Mn3(BDC)3(FPIP)2 se comporta de manera similar a Mn3(BDC)3(FPYR)2, en el cual la primera pérdida de masa de un 24.4% es alrededor de 280ºC, que coincide con la salida de dos moléculas de FPIP por fórmula unidad (valor teórico 25.6%) y la descomposición total del enrejado ocurre cerca de 400ºC, quedando como residuo óxido de manganeso IV (29.17%), que correspondería con 3 moléculas de MnO2 (valor teórico 29.52%). Es interesante notar que la masa residual después de la descomposición en los dos 53 MOFs es diferente, Mn3(BDC)3(FPYR)2 resulta en MnO y Mn3(BDC)3(FPIP)2 en MnO2, este hecho se puede corroborar con la observación de las curvas de calorimetría diferencial de barrido (DSC) donde en Mn3(BDC)3(FPIP)2 hay mayor entalpía (402.6 µV K mg-1) en el proceso de descomposición-oxidación que la que está involucrada en la descomposición de Mn3(BDC)3(FPYR)2(338.3 µV K mg-1), reflejando así el primero el proceso de oxidación de Mn2+ → Mn4+. El esquema de descomposición de dichas reacciones es el siguiente: Mn3(BDC)3(FPYR)2 Mn3C34H30O14N2 ⎯→ Mn3C24H12O12 + 2 C5H9NO Mn3C24H12O12 + 21O2 ⎯⎯⎯→ 3MnO + 24CO2 + 6H2O Mn3(BDC)3(FPIP)2 Mn3C36H34O14N2 ⎯→ Mn3C24H12O12 + 2 C6H11NO Mn3C24H12O12 + 24O2 ⎯⎯⎯→ 3MnO2 + 24CO2 + 6H2O (a) (b) Figura 3.11. Curvas de TGA-DSC (análisis termogravimétrico y calorimetría diferencial de barrido) de (a) Mn3(BDC)3(FPYR)2 y (b) Mn3(BDC)3(FPIP)2. En las curvas de ATG se puede apreciar una meseta después de la salida de las moléculas de disolventes (FPYR y FPIP) de los enrejados, lo que pudiera sugerir que ambos sólidos desolvatados sean semejantes estructuralmente. Sin embargo, a pesar de la similitud de los MOFs y de las moléculas de disolventes, los enrejados desolvatados son diferentes, como se aprecia en los patrones de difracción de rayos X de polvo de dichas estructuras (Figura 3.12). Es importante destacar que estos MOFs ¨vacíos¨ adoptan estructuras que son diferentes entre 54 si, y con respecto al enrejado de Mn(BDC)(H2O)2 ¨vacío¨ (Figura 3.9 desolvatada). Los parámetros a y c de la estructura desolvatada de Mn3(BDC)3(FPIP)2 son mayores que los correspondientes de Mn3(BDC)3(FPYR)2, contrario a lo que ocurre con el parámetro b (Tabla 3.4). Además, la estructura desolvatada de Mn3(BDC)3(FPIP)2 mantiene cierto grado de cristalinidad incluso a 320 ºC. La calidad de los patrones de polvos de los MOFs desolvatados no permite, por el momento, debido a la ausencia de monocristales, un análisis estructural más profundo de las muestras en estas condiciones. Figura 3.12. Patrones de difracción de rayos X de polvo de los enrejados Mn3(BDC)3(FPYR)2 (a) y Mn3(BDC)3(FPIP)2 (b) desolvatados a 330ºC y 320 ºC, respectivamente, en atmósfera de helio. Tabla 3.4. Parámetros de la celda y valores de los hkl, d, 2θ e intensidad para los patrones ajustados por LeBail de los MOFs Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2 desolvatados. Muestra Mn3(BDC)3(FPYR)2 a=24.6582 (1) b=10.8847 (3) c=19.1490 (1) β=135.637 (1) Al realizar un 2θ(º) 9.605 28.309 28.605 24.559 19.799 9.351 10.25 25.256 17.824 21.803 d (Å) 9.20015 3.14999 3.11807 3.62172 4.48044 9.44997 8.62312 3.52339 4.97208 4.07294 estudio Int. 121.1 31 28.4 25.9 25.5 25 22.5 19.5 18.6 17.5 detallado h 1 -3 -6 -1 -5 -1 2 1 -2 -2 k 1 3 2 1 1 1 0 1 2 2 del l 0 3 2 4 3 1 0 3 1 3 Muestra Mn3(BDC)3(FPIP)2 a=24.7843(3) b=10.8232(1) c=19.2347(1) β=134.819(2) espectro de 2θ(º) 10.055 9.588 14.335 19.758 24.65 22.723 28.578 28.424 29.411 21.872 d (Å) 8.7902 9.21659 6.17358 4.48956 3.60867 3.91001 3.12093 3.1375 3.03442 4.06022 infrarrojo de Int. 353.6 174.5 73.1 55.6 49.3 48.8 47.1 41.4 38.2 33.7 los h 2 1 -4 -5 -5 -5 -4 -6 -6 3 k 0 1 0 1 1 1 2 2 2 1 l 0 0 2 3 5 1 5 2 2 4 enrejados Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2 desolvatados a 330 y 320ºC, respectivamente, se puede apreciar que después de la desolvatación se mantienen los enlaces metal-carboxilato y la salida de los disolventes por la ausencia de las vibraciones de valencia del C=O de amida. 55 Al analizar las vibraciones de valencia del carboxilato COO se observan ciertas particularidades para cada uno de los enrejados (ver Figura 3.13). Para Mn3(BDC)3(FPYR)2 se aprecia un desdoblamiento de la banda COO(νsim) en 1354, 1380 y 1398cm-1, hecho que indica tres distancias de enlace CO diferentes, y por ende, tres entornos cristalográficos diferentes para los Mn coordinados a los carboxilatos. En cuanto a los modos de coordinación los valores de ∆ (∆ = νasim - νsim) están entre 154 y 203cm-1 indicando coordinación puenteada bisbidentada, junto a otros dos modos de coordinación, quelatado bisbidentado, o quelatado puenteado bisbidentado. Por el contrario, al detallar el espectro de Mn3(BDC)3(FPIP)2 desolvatado, solo presenta un modo de coordinación metal-carboxilato, o sea, la coordinación puenteada bidentada, acorde con los valores ∆ (∆ = νasim - νsim=154cm-1) de las bandas de COO, estos muestran un solo entorno cristalográfico para el manganeso. Figura 3.13. Espectros de infrarrojo de las estructuras de Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2 desolvatadas en el intervalo de 1100 a 1850 cm-1. Adicionalmente se estudia el comportamiento térmico de los enrejados con difracción de rayos X con luz sincrotrón, registrados en un intervalo de temperaturas. En la Figura 3.14 se muestran los patrones de difracción rayos X de polvo con luz sincrotrón de los MOFs Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2 de 300 a 500K y enfriamiento rápido a 300K. Se puede observar que los materiales mantienen la cristalinidad que los caracteriza hasta 500K y no se observan cambios significativos en el intervalo de temperaturas en estudio. Solo se aprecian pequeños desplazamientos en la posición de algunos máximos de difracción, lo que demuestra que no hay transformaciones de fase, ni colapso estructural, evidenciándose una vez más la alta estabilidad termoestructural de dichos materiales. 56 (a) (b) Figura 3.14. Patrones de difracción rayos X de polvo en sincrotrón de los MOFs (a) Mn3(BDC)3(FPYR)2 y (b) Mn3(BDC)3(FPIP)2. Al detallar el comportamiento de los patrones de difracción de rayos X con la temperatura, en ambos enrejados, se pueden apreciar las variaciones de los parámetros y el volumen de la celda de los MOFs en estudio (Figura 3.15), en paralelo con la curva de ATG (Figura 3.11). Se revela que en ambos materiales ocurre una expansión térmica positiva del volumen de la celda, desde la temperatura ambiente justo hasta que empieza la pérdida de las moléculas de disolventes según el ATG. En Mn3(BDC)3(FPYR)2 el punto de inflexión es a 482K y en Mn3(BDC)3(FPIP)2 es a 465K. Los enrejados regresan a parámetros de red muy cercanos a los originales, a pesar del enfriamiento rápido a 300K, con esto se confirma la flexibilidad y robustez de los MOFs en estudio. En la figura los círculos y triángulos se corresponden con el calentamiento y enfriamiento, respectivamente. Es conocido que el complejo comportamiento térmico de los enrejados sólidos depende de la conectividad estructural y de la rigidez y/o flexibilidad en las tres direcciones. En nuestro caso, Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2 son MOFs fuertemente anisotrópicos donde los centros metálicos se alinean en forma de columnas paralelamente al eje c, como se aprecia en las Figuras 3.6.c y 3.7.c En cambio, el eje b esta fuertemente afectado debido a la ubicación de las moléculas de disolvente en esta dirección (véase Tabla 3.3.). La variación de los parámetros a y c es muy pequeña, por el contrario, los cambios del parámetro b, son muy significativos (ver los coeficientes de expansión térmica indicados en la Figura 3.15). La expansión térmica lineal del parámetro de celda b es uno o dos órdenes mayor que los otros dos ejes cristalográficos y que los valores reportados usualmente para otros materiales 57 (típicamente 10-6K-1). Tales valores han sido encontrados en otros MOFs, referidos en la literatura como “expansiones térmicas colosales” 136, 137. Se observa un coeficiente negativo de expansión térmica en el parámetro a de Mn3(BDC)3(FPIP)2, el cual es un comportamiento visto en diversas clases de materiales como las zeolitas 233], los análogos del Azul de Prusia 234 y los MOFs 136, 137. (a) (b) Figura 3.15. Parámetros y volumen de la celda y curva de ATG de los MOFs (a) Mn3(BDC)3(FPYR)2 y (b) Mn3(BDC)3(FPIP)2 y su dependencia con la temperatura. Los círculos y triángulos indican calentamiento y enfriamiento, respectivamente. Otras peculiaridades del comportamiento térmico de estos sólidos pueden obtenerse del análisis de los espectros Raman, realizados ¨in situ¨ conjuntamente a los patrones de difracción de polvo de sincrotrón, en un intervalo de temperaturas de 300 a 500 K. Los espectros Raman medidos a temperatura ambiente en Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2 son muy similares (Figura 3.16). En ambos sólidos las bandas simétricas y asimétricas no se diferencian en cuanto a sus frecuencias, 1444 y 1610 cm-1, respectivamente. 58 (a) (b) Figura 3.16. Espectro Raman de los MOFs (a) Mn3(BDC)3(FPYR)2 y (b) Mn3(BDC)3(FPIP)2 a temperatura ambiente. Con el aumento de la temperatura, las intensidades de las bandas de carboxilato (COOasim y COOsim) experimentan un decrecimiento en todo el intervalo de temperaturas estudiado, tal y como se muestra en la Figura 3.17. De manera similar, se aprecia la disminución de las frecuencias de COOasim y COOsim(ver Figura 3.18 a y b) con el aumento de la temperatura. Las disminuciones de las frecuencias junto a la disminución de las intensidades indican un debilitamiento de los enlaces C-O del carboxilato y sugiere que el alargamiento de dichos enlaces es la causa principal que aporta a la expansión térmica positiva del volumen de la celda. Queda así demostrado que la técnica espectroscópica de Raman puede ser utilizada como una herramienta más en la caracterización estructural, a nivel local, de los MOFs. (a) (b) Figura 3.17. Variación con la temperatura de la intensidad de la bandas de carboxilatos simétricas y asimétricas en el espectro Raman de los MOFs (a) Mn3(BDC)3(FPYR)2 y (b) Mn3(BDC)3(FPIP)2. 59 (a) (b) Figura 3.18. Corrimiento de las frecuencias de vibraciones de valencia COOs y COOas con la temperatura en el espectro Raman de los MOFs (a) Mn3(BDC)3(FPYR)2 y (b) Mn3(BDC)3(FPIP)2 3.6. Conclusiones del capítulo III. El uso de la modelación molecular posibilita diseñar MOFs con poros de mayores dimensiones. Igualmente se ha podido mostrar la gran variación que presentan las intensidades de los máximos en los patrones de difracción modelados, debido a los cambios en la orientación de las moléculas de disolventes, lo cual es útil para la interpretación de los patrones experimentales. Con el uso de las condiciones de síntesis solvotermal adecuadas y los disolventes 1formilpirrolidina (FPYR) y 1-formilpiperidina (FPIP), se obtienen los MOFs Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2, con poros de mayor tamaño, de acuerdo a la molécula coordinada a los manganesos. Los MOFs basados en Mn y BDC exponen flexibilidad inducida por el disolvente, demostrado con la exposición de los enrejados previamente desolvatados, que presentan sitios metálicos expuestos, a los diferentes disolventes en condiciones solvotermales y a temperatura ambiente. Con el análisis térmico de los MOFs Mn3(BDC)3(FPYR)2 y Mn3(BDC)3(FPIP)2, se demuestra la robustez termoestructural de los mismos, incluso después de la salida de las moléculas de disolventes. Las técnicas de termodifracción de sincrotrón conjuntamente con la espectroscopía Raman contribuyen a ratificar dicha estabilidad estructural. En los nuevos materiales se observan coeficientes colosales de expansión térmica positiva del orden de 10-4 K-1. 60 CAPÍTULO IV. ENREJADOS METAL-ORGÁNICOS BIMETÁLICOS DEL ÁCIDO TEREFTÁLICO. 4.1. Introducción. Los enrejados metal-orgánicos heterometálicos constituyen una rama creciente en el mundo de los MOFs. Con la inserción de otros metales se busca potenciar determinadas características o propiedades, que son específicas de unas especies metálicas, y que al combinarlas con las de otra especie, se pudieran obtener materiales con ambas favoreciéndose en muchos casos, la manifestación de otras que eran desconocidas para dichos metales por separado. Los MOFs heterometálicos, de manera general, se caracterizan por estar formados por las especies metálicas desde su forma más sencilla como iones hasta la más compleja que son los clústeres. Estos últimos pueden ser desde dos hasta más de 60 átomos 235 metálicos; algunas veces son oxoclústeres, y otras son metaloligandos. Los ligandos orgánicos forman algunas veces los metaloligandos195 o pueden coordinarse directamente a los metales por sus grupos funcionales o terminales, por átomos de O, N, S, P, etc. 235-238 . Los métodos de síntesis utilizados son variados, desde la síntesis a temperatura ambiente con difusión lenta 127, hasta la síntesis solvotermal 239 . En algunos casos utilizan un método en dos pasos 69, donde obtienen en una primera etapa el metaloligando y adicionando después la otra especie metálica para obtener así el MOF deseado. Entre las propiedades que más se han apreciado en el desarrollo de MOFs heterometálicos se encuentran el magnetismo enrejados243, 244 40, 70, 240 , la luminiscencia , propiedades electrónicas42, 235 125, 238, 241, 242 y microporosidad , la flexibilidad de los 245 . Como aplicaciones de estos enrejados con metales mixtos se enumeran la adsorción de hidrógeno 12 , la separación enantiomérica 238, 241 y como potenciales sensores243 y catalizadores246. Zeng y col. mostraron que variando la relación Ni/Co en el MOF [MxM2-x(ca)2(1,4-dimb)]n [H2ca = D-(+)-ácido camfórico, 1,4-dimb = 1,4-di-(1-imidazolil-metil)-benceno] se pueden variar continuamente las propiedades magnéticas 40 . Este interesante trabajo no aporta elementos para justificar el comportamiento observado, aunque en parte se infiere, que es el resultado de la sustitución de un metal por otro, ya que el magnetismo es una propiedad donde el carácter local impera. Hasta la fecha no se ha explicado, cual es el efecto de la presencia de dos metales en el enrejado de los MOFs. Para el caso de cationes extra-enrejados, en MOFs y 61 cianometalatos, se conoce que las propiedades adsorptivas se modifican positivamente 16, 73, 247, 248 , lo cual se explica por la creación de inhomogenidades del campo eléctrico local en las cavidades. Un un ejemplo es el trabajo de Hasegawa y col. 75 en el cual estudian por métodos ab-initio que la energía de adsorción de hidrógeno está dada principalmente por la presencia de “centros de carga polarizada”, siendo mayor la adsorción y más favorecida en dichos centros. Otro trabajo interesante es donde Wu y col.17 evidencian experimentalmente, que la presencia de sitios con metales activos en los MOFs, pueden favorecer notablemente la adsorción de metano. En el presente trabajo se propone como idea general preparar materiales con diferentes metales en el enrejado, con el fin de lograr diferencias en las cargas efectivas de los mismos, aún cuando ambos metales posean las mismas cargas formales. Se espera que resulte en inhomogenidades del campo eléctrico en el material. El trabajo se aborda con (i) la modelación de MOFs bimetálicos y cálculo de las cargas de los átomos y el potencial electrostático en las cavidades; (ii) seguidamente, teniendo en cuenta los estudios previos y aprovechando las características estructurales de los enrejados de tereftalatos de manganeso, se realiza la síntesis química y la caracterización de MOFs bimetálicos basados en ácido tereftálico y (iii) se estudian además las aplicaciones de estos materiales en la separación de hidrocarburos aromáticos. 4.2. Modelación de MOFs bimetálicos. Para la modelación de las estructuras se escogió el material Mn(BDC)(H2O)2 reportado por Kaduk 126 , ya que se presentan en dicho trabajo tereftalatos de cobalto y magnesio que son isoestructurales con el de Mn, sugiriendo la potencial obtención de materiales monofásicos con estos metales mixtos. Se considera como fórmula general: M0.5M´0.5(C8H4O4)(H2O)2, con una estructura monoclínica. La simulación se realizó en MOFs con las parejas de metales MnCo, MnCd, MnMg, MnZn, MgCo, MgCd, MgZn, CoCd, CoZn, y CdZn. En la Tabla 4.1 se recogen los resultados del las cargas calculadas según el método de Mulliken211, a partir del cálculo con la Teoría de Funcionales de la Densidad implementado en DMol3 209. 62 Tabla 4.1. Cargas de los metales en los MOFs bimetálicos modelados. MOF modelado tipo M0.5M´0.5 (BDC)(H2O)2 Mn0.5Co0.5 (BDC)(H2O)2 Mn0.5Cd0.5 (BDC)(H2O)2 Mn0.5Mg0.5 (BDC)(H2O)2 Mn0.5Zn0.5 (BDC)(H2O)2 Mg0.5Co0.5 (BDC)(H2O)2 Mg0.5Cd0.5 (BDC)(H2O)2, Mg0.5Zn0.5 (BDC)(H2O)2 Co0.5Cd0.5 (BDC)(H2O)2 Co0.5Zn0.5 (BDC)(H2O)2 Cd0.5Zn0.5 (BDC)(H2O)2. Carga de Mulliken (e) calculada metal M 0.366(1) 0.357(1) 0.337(1) 0.346(1) 0.674(1) 0.590(1) 0.618(1) 0.289(1) 0.296(1) 0.686(1) Carga de Mulliken (e) calculada metal M´ 0.300(1) 0.691(1) 0.626(1) 0.604(1) 0.299(1) 0.677(1) 0.593(1) 0.704(1) 0.618(1) 0.589(1) Como se puede apreciar en la Tabla 4.1, a pesar de ser en todos los casos iones metálicos con las mismas cargas formales, las cargas de Mulliken calculadas son diferentes. Es notable, que la carga de los metales en estos MOFs obedece más a la naturaleza de cada metal individualmente, que a las parejas formadas, así lo demuestran los siguientes intervalos para cada metal: Mg (0.590 – 0.674), Mn (0.337 – 0.366), Co (0.289 – 0.300), Zn (0.589 – 0.618) y Cd (0.677 – 0.704). En la Figura 4.1 se expresa la relación entre la sumatoria de las cargas calculadas en los MOFs modelados en función del promedio de las electronegatividades absolutas de Mulliken (χ). Se observa que aparecen dos grupos, uno identificado por la presencia del magnesio como el más electronegativo de los metales en estudio, y el otro grupo incluye la serie de los metales de transición entre ellos, y además individualmente se reordenan también por su posición en la tabla periódica, lo que nos indica que la densidad electrónica está determinada principalmente por la configuración electrónica de los metales. Además, se buscaron las posibles correlaciones entre las diferencias de las cargas o sus promedios con las electronegatividades de Sandersen, Pauling y Mulliken, así como con la dureza absoluta de Pearson 249, 250 . En ningún caso se encontró correlación entre estas magnitudes, lo que refuerza la idea de que el comportamiento de las cargas está más relacionado con los metales individualmente. 63 Figura 4.1. Promedio de las electronegatividades absolutas de Mulliken en función de la sumatoria de las cargas calculadas en los MOFs modelados. Como consecuencia del cálculo de Teoría de Funcionales de la Densidad, las diferencias de cargas y, por ende, el potencial electrostático en las cavidades del MOF, es diferente en las vecindades de los dos metales. En la Figura 4.2 se muestran los mapas de potenciales electrostáticos de dos estructuras representativas, en particular Mn0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2 y Mn0.5Cd0.5(C8H4O4)(H2O)2. Se puede apreciar que las inhomogeneidades en los mapas se correlacionan con las diferencias encontradas entre las cargas expresadas en la Tabla 4.1. Como es de esperar el potencial electrostático está muy vinculado con la densidad electrónica en el material, lo cual se puede apreciar en la Figura 4.3 en comparación con la 4.2. Las diferencias perceptibles están en las zonas cercanas a los anillos aromáticos, donde la densidad de electrones es decisiva, pero alrededor de los centros metálicos el comportamiento es similar. Estos cálculos han demostrado que en efecto la presencia simultánea de dos metales expuestos en el enrejado de los MOFs puede generar inhomogenidades en las cavidades de los mismos, y esta característica pudiera conducir a materiales con potenciales aplicaciones en procesos de adsorción y separación molecular. 64 (a)MnCo vista xz (c)MnCo vista zy (b)MnCd vista xz (d)MnCd vista zy Figura 4.2. Mapas de potencial electrostático de Mn0.5Co0.5(BDC)(H2O)2 y Mn0.5Cd0.5(BDC)(H2O)2. (a)MnCo vista xz (b)MnCd vista xz (c)MnCo vista zy (d)MnCd vista zy Figura 4.3. Mapas de densidad electrónica de Mn0.5Co0.5(BDC)(H2O)2 y Mn0.5Cd0.5(BDC)(H2O)2. 65 4.3. Síntesis y caracterización físico-química de enrejados metal-orgánicos bimetálicos. Considerando los resultados obtenidos en las síntesis de los enrejados de tereftalatos de manganeso estudiados en el capitulo anterior se propone la obtención de enrejados bimetálicos con la combinación de los metales Mg, Mn, Co, Zn y Cd. Se utiliza la síntesis solvotermal, en proporciones equimolares de las sales metálicas, con los ligandos y el disolvente en las condiciones seleccionadas. Se obtienen enrejados bimetálicos de tereftalato con los pares metálicos siguientes MnCo, MnCd, MnMg, MnZn, MgCo, MgZn y CoZn. En el marco del trabajo se exploran diferentes variantes de los métodos de síntesis química con el objetivo de obtener materiales isoestructurales con los MOFs reportados de los metales simples, como por ejemplo Mn(BDC)(H2O)2126, Mn3(BDC)3(DEF)2100 ,Mn3((BDC)3(DMF)2124 o los nuevos enrejados caracterizados en el capítulo anterior, Mn3(BDC)3(FPYR)2 o Mn3(BDC)3(FPIP)2. La síntesis solvotermal se realiza en reactores de acero con interior de teflón, y en reactores de vidrio. Se exploran diferentes variables acorde con la experiencia adquirida en el grupo de trabajo, tales como: disolventes utilizados, temperatura y tiempo de síntesis y las sales de partida (contraiones). Se obtuvieron sólidos cristalinos en todos los procesos de síntesis. Las sales de metales empleadas fueron sales de cloruros, nitratos y acetatos, debido a la solubilidad de ellas en disolventes orgánicos. Los disolventes utilizados fueron agua, DMF, DEF y FPIP. La influencia de los factores antes mencionados se especificará en cada caso al analizar con detalles cada familia de MOFs bimetálicos. Como resultado de las síntesis se obtienen las siguientes series de MOFs: I. MOFs bimetálicos con fórmula global M0.5M’0.5(BDC)(H2O)2 para los pares de metales MnCo, MnCd, MnMg, MgCo y MnZn. II. MOFs bimetálicos con fórmula global [MM’2(BDC)3(DMF)3].2DMF para los pares de metales MgZn, CoZn y MnZn III. MOFs bimetálicos Mn1.5Co1.5(BDC)3(DEF)2 y Mn1.5Co1.5(BDC)3(FPIP)2 4.3.1. Síntesis y caracterización de los enrejados mixtos M0.5M’0.5(BDC)(H2O)2. Se utiliza el método de síntesis química solvotermal en DMF en un solo paso, según la reacción que se presenta a continuación. 66 120h [xM(OAc)2.nH2O + xM´(OAc)2.mH2O] + 2xH2BDC ⎯DMF→ M0.5M´0.5(BDC)(H2O)2 90ºC Se obtuvieron sólidos de apariencia cristalina, producto de la reacción química para cada par de sales de metales empleadas. Para determinar la composición relativa de los metales se realizaron mediciones de fluorescencia de rayos X (EDAX) por Microscopía Electrónica de Barrido, procediendo tanto con análisis puntuales como los representativos de áreas de la muestra en general. Las composiciones promedio en todos los casos están cercanas a la proporción de 50:50% de los pares de metales que se analizan. (ver resultados en Anexo A.4.1). Se analizan los espectros de infrarrojo para cada uno de los sólidos bimetálicos obtenidos. Un ejemplo de un espectro de infrarrojo de estos materiales se muestra en la Figura 4.4. Figura 4.4. Espectro de infrarrojo de Mn0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2. El estudio detallado del espectro muestra la presencia de las bandas de vibraciones de valencia de νOH en 3595 cm-1 y 3420 cm-1 para el agua coordinada y no coordinada al enrejado, respectivamente. No se aprecia la banda de vibración de valencia de carbonilo (C=O) de amidas en la región alrededor de 1650 cm-1, por lo que se infiere que el sólido no contiene DMF y sí H2O. Además se observan las bandas de vibraciones de valencia de carboxilato (COO), simétrica y antisimétrica, en 1383 y 1570 cm-1, respectivamente. La diferencia de frecuencias entre -COO¯sim y -COO¯asim (∆ = νCOOasim - νCOOsim=150-190 cm-1) en los compuestos estudiados, indican modo de coordinación bidentado puenteado del carboxilato, o 67 sea, el tereftalato no aparece como una sal simple. Al ser el -COO¯el enlace más afectado por la presencia de un metal u otro, en la Tabla 4.2 solo se detallan las vibraciones de valencia simétrica y asimétrica del -COO¯junto a las diferencias (∆ = νCOOasim - νCOOsim) de frecuencias entre ellos. Tabla 4.2. Frecuencias de las vibraciones de valencia de-COO-sim y-COO-asim de los MOFs obtenidos con los pares de metales Mn-Co, Mn-Mg, Mg-Co, Mn-Cd y Mn-Zn. MOF con los pares de metales Mn-Co Mn-Mg Mg-Co Mn-Cd Mn-Zn νCOOsim (cm-1) 1383.7 1386.6 1397.7 1380.8 1398.1 1386.5 1381.7 νCOOasim(cm-1) 1570.0 1540.8 1558.2 1558.2 1549.5 1538.9 ∆( νCOOasim-νCOOsim) (cm-1) 186.3 154.2 160.4 177.4 160.07 162.9 157.1 En la Tabla 4.2 se aprecia el desdoblamiento de las bandas de carboxilatos, tanto la simétrica como la asimétrica, para los materiales que contienen magnesio, sugiriendo ligeros cambios en el entorno del metal. Estas diferencias de frecuencias no implican cambios en el modo de coordinación bidentado-puenteado del carboxilato. Se realizan los patrones de difracción de rayos X de los sólidos en forma de polvos, y se comprueba que todos los MOFs se obtienen como fases puras y cristalinas y que poseen la estructura que cristaliza en el sistema monoclínico, grupo espacial C2/c. Todos estos sólidos son isoestructurales con Mn(BDC)(H2O)2 126, con la excepción de Mn0.5Zn0.5(C8H4O4)(H2O)2 que presenta esta fase como mayoritaria y otra fase adicional minoritaria. Las fórmulas químicas propuestas de los materiales obtenidos son: Mn0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2 Mn0.5Mg0.5(C8H4O4)(H2O)2 Mg0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2 Mn0.5Cd0.5(C8H4O4)(H2O)2 Mn0.5Zn0.5(C8H4O4)(H2O)2 En la Figura 4.5.a se muestra un patrón de rayos X de uno los materiales obtenidos,, específicamente de Mn0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2. En la misma se puede apreciar la alta cristalinidad del material sintetizado, y al compararlo con el patrón simulado de Mn(BDC)(H2O)2 (Figura 4.5.b) se distingue la similitud entre ellos. Los valores del ángulo de 68 Bragg, las intensidades relativas, las distancias interplanares y los hkl de estos cinco MOFs se presentan en el anexo A.4.2. (a) (b) Figura 4.5. Patrón de rayos X de (a) Mn0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2. y (b) patrón modelado de Mn(C8H4O4)(H2O)2126. En la Tabla 4.3 se presentan los parámetros de la red cristalina de los materiales obtenidos, resultado del ajuste de perfiles por el método de LeBail implementado en el paquete de programas Fullprof 232. Tabla 4.3. Datos cristalográficos de Mn0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2, Mn0.5Mg0.5(C8H4O4)(H2O)2, Mg0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2, Mn0.5Cd0.5(C8H4O4)(H2O)2 y Mn0.5Zn0.5(C8H4O4)(H2O)2 y de las estructuras reportadas por Kaduk de Mn, Co y Mg Fórmula Empírica Sistema cristalino Grupo espacial a (Å) b (Å) c (Å) β Volumen de la celda (Å)3 Masa Molecular (g.mol-1) Densidad C8H8O6Co0.5Mn0.5 C8H8O6Mg0.5Mn0.5 C8H8O6Co0.5Mg0.5 C8H8O6Cd0.5Mn0.5 C8H8O6Zn0.5Mn0.5 Monoclínico Monoclínico Monoclínico Monoclínico Monoclínico C 2/c C 2/c C 2/c C 2/c C 2/c 18.6342(33) 6.5850(10) 7.3501(23) 99.265(31) 890.15 (35) 18.5864(38) 6.5568(8) 7.3693(17) 99.538(23) 885.17(29) 18.5895(75) 6.5276(10) 7.3360(19) 99.05(20) 879.22(44) 19.1193(47) 6.5864(13) 7.4443(15) 100.64(18) 921.32(35) 18.7408(36) 6.5737(5) 7.3893(26) 99.41(39) 898.09(37) 257.0835 239.7809 241.7785 284.3224 260.3119 1.634 1.513 1.539 1.772 1.646 calculada -3 (g.cm ) 69 Fórmula Empírica Sistema cristalino Grupo espacial a (Å) b (Å) c (Å) β Volumen de la celda (Å)3 Masa Molecular (g.mol-1) Densidad calculada (g.cm-3) Mn(BDC)(H2O)2 Mg(BDC)(H2O)2 Co(BDC)(H2O)2 Monoclínico Monoclínico Monoclínico C 2/c 18.7213(13) 6.5960(4) 7.4035(6) 99.287(3) 902.243(1) C 2/c 18.5048(3) 6.53513(10) 7.31801(10) 99.6767(11) 872.385(1) C 2/c 18.2731(8) 6.5417(3) 7.2966(3) 98.653(2) 862.287(2) 255.086 224.453 259.0811 1.59777 1.70892 1.70259 Figura 4.6. Relación entre los parámetros y volumen de la celda y la sumatoria de los radios iónicos de los metales en cada caso para los MOFs de estructura M0.5M´0.5(BDC)(H2O)2. Al inspeccionar Mn(C8H4O4)(H2O)2 detalladamente 126 estos parámetros, comparándolos con los de se puede apreciar que tanto los parámetros de red como el volumen de la celda varían. En la Figura 4.6 se aprecia una relación directa de los parámetros de la red cristalina con la sumatoria de los radios iónicos de los metales con carga 2+. En particular, al detallar el volumen de la celda, se observa una relación lineal con un valor de ajuste de 70 R=0.9876. Si se comparan estos valores con los de las estructuras reportadas de manganeso, cobalto y magnesio 126 , se sugiere que están relacionados con las características que le confieren los metales que lo componen. El análisis termogravimétrico de los MOFs bimetálicos se resume en la Tabla 4.4 y se muestra en la Figura 4.7 una curva de ATG/DSC de uno de los materiales de esta sección Se puede apreciar que después de la salida de las dos moléculas de agua, el sólido resultante es estable en un intervalo de temperaturas mayor de 150ºC, y se descompone finalmente con la pérdida de la parte orgánica del material a temperaturas cercanas a 400ºC, lo que indica una alta estabilidad térmica de estos sólidos. No se encontró correlación entre los intervalos de temperaturas en que suceden las pérdidas de agua y la naturaleza de los metales que componen los sólidos. Tabla 4.4. Comportamiento térmico de los MOFs bimetálicos de fórmula global M0.5M´0.5(BDC)(H2O)2 MOF Mn0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2 Mn0.5Mg0.5(C8H4O4)(H2O)2 Mg0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2 Mn0.5Cd0.5(C8H4O4)(H2O)2 Mn0.5Zn0.5(C8H4O4)(H2O)2 Intervalo de Temp. Pérdida de agua (ºC) 115-190 140-230 90-230 90-220 82-190 190-290 % pérdida de masa % pérdida de masa teórico Temp. comienzo de descomposición (ºC) 13.3 14.3 14.5 11.4 12.3 6.0 14.0 15.0 14.9 12.7 13.8 390 375 420 350 415 Figura 4.7 Curva de ATG/DSC de Mn0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2. 71 Si se detallan los resultados de las variaciones de masas, se verifica que existe concordancia entre los valores experimentales y los esperados para la pérdida de dos moléculas de agua; con la sola excepción de la muestra del par metálico MnZn, que presenta la estructura de Mn0.5Zn0.5(BDC)(H2O)2 en fase mayoritaria, junto a otra fase minoritaria identificada con las estructuras que se describen en el epígrafe siguiente. Los MOFs bimetálicos obtenidos reúnen buenas características para ser utilizados como materiales adsorbentes, ya que al eliminar las moléculas de agua, el material se mantiene estable durante un intervalo de temperaturas muy amplio (más de 150ºC). 4.3.2. Síntesis y caracterización de los enrejados mixtos [MM’2(BDC)3 (DMF)3].2DMF. Se realizan síntesis solvotermal en DMF, con sales de acetatos de los pares de metales Mg-Zn, Cd-Zn y Mn-Zn, según la reacción química siguiente: 120h [xM(OAc)2.nH2O+xM´(OAc)2.mH2O]+2xH2BDC⎯DMF→[MM’2(BDC)3(DMF)3].2DMF 90ºC Al utilizar las mismas condiciones de síntesis, empleando cantidades equimolares de las sales de acetatos de los metales y sales de zinc como una de las sales del par, en todos los casos, se obtienen enrejados donde la proporción de las especies metálicas promedia a la relación 1:2 para M:M´, respectivamente. Las mediciones de fluorescencia de rayos X (EDAX) por Microscopía Electrónica de Barrido, indican estadísticamente las siguientes proporciones para el sólido con el par metálico Mg-Zn: 63% Mg y 37% Zn, para Co-Zn resulta 41% Co y 59% Zn y en el caso del par Mn-Zn corresponde 40% de Mn y 60% de Zn. Por tanto, los sólidos obtenidos presentan relaciones distintas de 1:1, a diferencia de los materiales estudiados en el epígrafe anterior. Al realizar un análisis detallado de los espectros infrarrojo de los sólidos con los pares de metales Mg-Zn, Co-Zn y Mn-Zn (Figura 4.8 y ver otros espectros en anexo A.4.3) se comprueba la ausencia total de agua en estos sólidos bimetálicos. En contraste, se constata la presencia de DMF por las bandas de vibraciones de valencia del carbonilo(C=O) de amida en 1658 y 1667 cm-1. Es útil resaltar, que las diferentes frecuencias para la banda de vibración de carbonilos de amidas, indica coordinaciones diferentes para el mismo grupo funcional. Al observar las frecuencias de vibraciones de valencia de carboxilatos -COO¯sim y -COO¯asim y la diferencia ∆( νCOOasim-νCOOsim) entre ellos( Tabla 4.5), se evidencia que los modos de 72 coordinación de los ligandos de carboxilato son monodentado y quelatado puenteado bisbidentado, dado por los valores de ∆ entre 195-236 cm-1. Tabla 4.5. Frecuencias de vibraciones de valencia de carboxilato de los sólidos bimetálicos con los pares de metales Mg-Zn, Co-Cd y Mn-Zn.. MOF con el par νCOOsim νCOOasim ∆ (νCOOasimνCOO amida -1 metálico (cm-1) (cm-1) (cm-1) νCOOsim) (cm ) Mg-Zn 1384.6 Co-Zn 1380.8 Mn-Zn. 1379.9 1594.2 1620.8 1574.6 1607.5 1557.3 1574.7 1601.2 209.6 236.2 193.8 226.7 177.4 194.8 221.3 1658.1 1667.2 1646.3 1652.7 1647.1 1654.7 Figura 4.8. Espectro de infrarrojo de [Mg2Zn(BDC)3(H2O)3].4DMF y detalles de la zona de los 1300 a 1700cm-1. Los tres sólidos bimetálicos son analizados con difracción de rayos X, en forma de polvos. Todos los materiales cristalizan en el sistema cristalino monoclínico, grupo espacial P 21/c, con enrejados bidimensionales, isoestructurales con el reportado por Wright y col. 123 de fórmula [Zn3(BDC)3(H2O)3].4DMF. Este hecho se argumenta con los detalles cristalográficos resultantes, del ajuste de los patrones de difracción por el método de Le Bail para estos materiales, que se resumen en la Tabla 4.6. 73 Tabla 4.6. Datos cristalográficos de los MOFs con los pares de metales Mg-Zn, Co-Zn y MnZn y de la estructura reportada [Zn3(BDC)3(H2O)3].4DMF123. Fórmula Empírica Sistema cristalino Grupo espacial a (Å) b (Å) c (Å) β Volumen de la celda (Å)3 Masa Molecular (g.mol-1) Densidad C39H47N5O17Mg2Zn C39H47N5O17CoZn2 C39H47N5O17MnZn2 C36H46N4O19Zn3 Monoclínico Monoclínico Monoclínico Monoclínico P 21/c P 21/c P 21/c P 21/c 14.6687(62) 9.4331(34) 17.8411(45) 102.528(53) 2409.93(1.4) 14.2521(95) 9.3535(24) 17.6368(58) 102.480(52) 2295.60 (1.8) 14.8019(51) 9.4347(22) 17.8280(43) 101.978(40) 2438.53(1.1) 13.0647(10) 9.6606(8) 18.4562(14) 106.868(2) 2229.188(1) 971.8256 1047.5389 1043.5437 1034.9468 1.338 1.515 1.421 1.515 calculada -3 (g.cm ) En la Figura 4.9 se muestra el patrón de rayos X de una de las estructuras con topología isoestructural a [Zn3(BDC)3(H2O)3].4DMF123, en específico la del par Mg-Zn. (a) (b) Figura 4.9. Patrón de rayos X del MOF bimetálico del par Mg-Zn (a) y patrón modelado de la estructura [Zn3(BDC)3(H2O)3].4DMF .123 (b). El patrón del MOF bimetálico del par Mg-Zn muestra alta cristalinidad, diferenciándose del patrón modelado, en las intensidades relativas de los máximos de difracción y en las posiciones de los mismos productos de mayores dimensiones de la celda unitaria. En cambio los patrones de los MOFs bimetálicos de los pares Co-Zn y Mn-Zn (anexos Tabla A.4.4.) exhiben también cristalinidad, pero presentan mezclas de fase siendo ésta la mayoritaria, mientras que de forma minoritaria aparece la fase de estructura tipo Mn(BDC)(H2O)2 126. Teniendo en cuenta la estructura cristalina reportada por Wright y col. 123 , en la cual los dos 74 sitios metálicos tiene multiplicidad con relación 1:2, junto a la composición relativa de los metales en los nuevos materiales, se puede inferir que en la estructura cristalina del par MgZn (Figura 4.10) los Mg ocupan el sitio 1 reportado por Wright y los Zn el sitio 2. De este modo se forman tríos de metales Mg-Zn-Mg interconectados entre sí por oxígenos de carboxilatos del ligando, donde el zinc forma un octaedro enlazado solamente a oxígenos de tereftalatos, mientras que los magnesios forman tetraedros con moléculas de DMF coordinadas. El apilamiento de los átomos metálicos forma capas interconectadas por los ligandos orgánicos con las moléculas de DMF entre las capas. Figura 4.10. Estructura cristalina del MOF bimetálico del par Mg-Zn, tipo [Zn3(BDC)3(H2O)3].4DMF .123. Nota: las moléculas de DMF están omitidas para mejor claridad, ellas se encuentran entre las capas. En la Figura 4.11 se muestran las curvas de ATG/DSC del MOF bimetálico del par Mg-Zn. Se puede apreciar que ocurren tres pérdidas escalonadas de las moléculas de disolvente de manera progresiva, comenzando en 150ºC hasta 420ºC, significando un 36.92% de la masa. Esta pérdida de masa puede ser identificada como la salida de cinco moléculas de DMF (pérdida téorica de 37.6%) sobre la base de la semejanza estructural con [Zn3(BDC)3(H2O)3].4DMF .123, la ausencia de agua y la presencia de dos entornos diferentes del carbonilo de la amida de DMF en el espectro de infrarrojo. 75 Figura 4.11. Curva de ATG/DSC de [Mg2Zn(BDC)3(DMF)3].2DMF. En el caso del MOF con el par Co-Zn se observan pérdidas de masas en dos escalones bien definidos; el primero comienza en 110ºC hasta 170 ºC, con un cambio de 13.1%, con una meseta hasta 245ºC, seguido del segundo escalón que termina cerca de 300ºC, con un 20.4% de diferencia. La suma de estas variaciones es 33.5%, valor cercano al teórico de 34.8% de pérdida de cinco moléculas de DMF. Una vez que el enrejado ha perdido las moléculas de disolvente se mantiene estable en un intervalo de 100ºC, hasta 420ºC donde se inicia la descomposición de la parte orgánica del enrejado. Similar comportamiento se observa en las curvas de ATG/DSC del MOF con el par Mn-Zn donde se distingue la pérdida constante desde 95ºC hasta 368ºC de un total de 30.4%, y la descomposición de la parte orgánica del enrejado comienza a partir de 380ºC de manera abrupta y definida. La variación de masas esperada es de un 35.02%, valor que es mayor que el experimental, pero que se puede explicar por la presencia de otra fase cristalina, confirmada por la difracción de rayos X. Un análisis global de los resultados plasmados en este epígrafe conduce a proponer las siguientes fórmulas moleculares para los MOFs bimetálicos obtenidos: [ZnMg2(BDC)3(DMF)3].2DMF [CoZn2(BDC)3(DMF)3].2DMF [MnZn2(BDC)3(DMF)3].2DMF 76 4.3.3. Síntesis y caracterización de enrejados bimetálicos de Mn-Co con DEF y FPIP. Estos sólidos se obtienen por síntesis solvotermal en DEF o FPIP, según sea el disolvente y la reacción química se propone como sigue: ÊDEF⎯→ Mn1.5Co1.5(C8H4O4)3(DEF)2 [xMnCl2 + xCoCl2 ] + 2xH2BDC { 72h, 130ºC ÌFPIP⎯→ Mn1.5Co1.5(C8H4O4)3(FPIP)2 Al realizar las síntesis con sales anhidras de cloruro de Mn y Co y en presencia de dietilformamida (DEF) o formilpiperidina (FPIP) se obtienen dos materiales, uno de color azul oscuro, y el otro violeta, con apariencia cristalina. En la Figura 4.12 se muestran los patrones de difracción de rayos X de ambos enrejados y se observa la cristalinidad de los mismos. La variación de la línea base a bajos ángulos se debe al capilar de vidrio de borosilicato amorfo utilizado para realizar el difractograma. (a) (b) Figura 4.12. Patrón de difracción de rayos X de los MOF con el par Mn-Co obtenidos (a) con DEF y (b) con FPIP. En la Tabla 4.7 se muestran los datos cristalográficos obtenidos del ajuste de los patrones de difracción por el método de LeBail. Las diferencias observadas en los parámetros de las celdas están directamente relacionadas con el tamaño de la molécula del disolvente empleado en cada caso. Los enrejados obtenidos son semejantes a los estudiados en el capítulo anterior, es por ello que se propone como fórmula química probable: Mn1.5Co1.5(BDC)3(DEF)2 y Mn1.5Co1.5(BDC)3(FPIP)2. Los valores del ángulo de Bragg, las intensidades relativas, las distancias interplanares y los hkl de estos dos MOFs se presentan en el anexo A.4.5. 77 La composición relativa de los metales no fue determinada, por lo que los valores de 1.5 en cada caso son hipotéticos, considerando que se utilizaron cantidades equimolares de las sales de los metales en las síntesis. Tabla 4.7. Datos cristalográficos de los MOF con el par Mn-Co obtenidos con DEF y con FPIP. Fórmula Empírica Sistema cristalino Grupo espacial a (Å) b (Å) c (Å) β Volumen de la celda (Å)3 Masa Molecular (g.mol-1) Densidad calculada (g.cm-3) Mn1.5Co1.5(BDC)3(DEF)2 Monoclínico C 2/c 24.7132(87) 10.7260(51) 17.2065(47) 129.680(18) 3510(2) 808.5202 1.5297 Mn1.5Co1.5(BDC)3(FPIP)2 Monoclínico C 2/c 24.476(13) 11.4341(38) 19.1800(95) 136.165(32) 3718(3) 832.5422 1.4871 En la Figura 4.13 se muestra el espectro de infrarrojo del enrejado Mn1.5Co1.5(BDC)3(DEF)2, que es muy similar al de Mn1.5Co1.5(BDC)3(FPIP)2.. Al detallar las frecuencias de vibración simétrica (1386.5 cm-1) y asimétrica (1543.5 y 1590.02 cm-1) del -COO¯, se observan diferencias entre 157 cm-1y 204 cm-1, por lo que se considera que existen dos modos de coordinación para el carboxilato -COO¯, coordinación puenteada bis-bidentada y quelatadapuenteada bis-bidentada, respectivamente. Además están también presentes la frecuencias de vibración de valencia del C=O de la amida de los disolventes empleados en 1643 cm-1. Figura 4.13. Espectro de infrarrojo de Mn1.5Co1.5(BDC)3(DEF)2. 78 4.4. MOFs bimetálicos para la separación de hidrocarburos aromáticos. Como es conocido, los MOFs, al igual que otros materiales nanoporosos, pueden ser utilizados para la separación de gases, moléculas orgánicas, y el intercambio de iones. La microporosidad es una de las principales características a investigar en los enrejados metalorgánicos, es por ello que la adsorción física de gases constituye una herramienta fundamental para dichos estudios y la misma emplea dos métodos, el estático y el dinámico. En el primero se determina el área superficial del sólido mediante la isoterma de adsorción de N2 por el método de BET 251 y en el segundo, se utiliza la Cromatografía de Gases Inversa (CGI) 30, 252253. Esta última se basa en la caracterización del sólido (MOF en nuestro caso) utilizado como fase estacionaria en su interacción con diferentes moléculas de adsorbatos30, 252-253. Un ejemplo del uso de la CGI lo constituye el trabajo de Chen y col. 31 donde se logra una buena separación de n-pentano y n-hexano usando MOF-508, y se justifican dichos resultados como los efectos combinados de las fuerzas intermoleculares no específicas y la flexibilidad del enrejado. Por otro lado Finsy y col. 196 separan, usando MIL-47, hidrocarburos aromáticos y encuentran que las entalpías de adsorción son muy similares y que la separación está regida por la geometría de los adsorbatos. En este trabajo se utilizan los MOFs sintetizados Mn0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2 y Mn0.5Cd0.5(C8H4O4)(H2O)2 para evaluar la posible separación de benceno (B), tolueno (T) y o-xileno(X) (Figura 4.14), mediante la CGI. Benceno(B) Tolueno(T) o-Xileno(X) Figura 4.14. Estructura química de las moléculas adsorbidas. Con columnas de 15cm de largo y un diámetro interno de 0.2cm, rellenas de los MOFs Mn0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2 y Mn0.5Cd0.5(C8H4O4)(H2O)2 se estudia la cromatografía de los adsorbatos de forma independiente, o sea, no mezclados. Para cada adsorbato se realizan cromatogramas a diferentes temperaturas, y se miden los volúmenes de retención cromatográficos (Vn) en la regiones de bajo recubrimientos (gobernados por la ley de Henry) y 79 se grafican en función de la temperatura (Tc) (Figura A.4.6. de anexos). En ambos MOFs y para cada uno de los adsorbatos, se encuentra una dependencia lineal (R > 0.995) del ln(Vn/T) con 1/Tc , la pendiente de la gráfica obtenida corresponde al calor de adsorción diferencial (Qd) para cada uno de ellos. Los valores calculados se muestran en la Tabla 4.8. Tabla 4.8. Calores de adsorción diferencial Qd (kJ.mol-1) y calor de adsorción relativo al benceno (∆Qd) para los adsorbatos B, T y X a 329K. Hidrocarburo Benceno Tolueno Xileno Qd MnCoBDC 51.1 55.6 59.1 ∆Qd MnCoBDC ----4.5 8.0 Qd MnCdBDC 43.2 49.6 63.2 ∆Qd MnCdBDC ----6.4 20.0 En la Tabla 4.8 se observan pequeñas diferencias entre los calores de adsorción para cada adsorbato, y sus valores se incrementan con el número de átomos de carbono, (QdB < QdT < QdX), notándose para el MOF Mn0.5Cd0.5(C8H4O4)(H2O)2 que las diferencias son mayores, que las obtenidas para el MOF Mn0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2. De acuerdo con Bering and Serpinski254 el coeficiente de separación (Kr) de una mezcla de dos componentes, puede ser expresado por la siguiente ecuación: lnK r = (Q1 − Q2 ) RT donde Qi son los calores de adsorción de dos moléculas diferentes, y T es la temperatura a la cual se realiza la separación. En la Tabla 4.9 se muestran los valores de ln(Kr) resultantes de nuestras mediciones, que en nuestro caso son todas mayores que 1, sugiriendo que la separación sería controlada por factores termodinámicos. En adición, se aprecia que los valores de ln(Kr) para Mn0.5Cd0.5(C8H4O4)(H2O)2 son mayores que para el Mn0.5Co0.5(C8H4O4)(H2O)2, en todos los casos. Por lo que se espera que la separación de estos adsorbatos sea mejor en el material con el par metálico MnCd. Tabla 4.9. Valores logarítmicos del coeficiente de separación (ln (Kr)) de mezclas de dos componentes de hidrocarburos aromáticos en Mn0.5Co0.5(BDC)(H2O)2 y Mn0.5Cd0.5(BDC)(H2O)2 , medidos a 315 y 345K. Mn0.5Cd0.5(BDC)(H2O)2 Mn0.5Co0.5(BDC)(H2O)2 Pares de hidrocarburos B–T B–X T–X 315K 345K 315K 345K 1.71 3.05 1.15 1.45 2.58 1.13 2.44 7.63 5.19 2.26 6.90 4.74 80 Al inyectar mezclas equimolares de B, T y X, a 329K, utilizando las mismas columnas cromatográficas, se obtienen los resultados mostrados en la Figura 4.15. (a) (b) Figura 4.15. Separación cromatográfica de la mezcla de B, T y X en columnas de los MOFs (a) Mn0.5Co0.5(BDC)(H2O)2 y (b) Mn0.5Cd0.5(BDC)(H2O)2 a 329K. Se puede apreciar en la misma, que los MOFs estudiados son capaces de separar eficientemente las mezclas de hidrocarburos aromáticos B, T y X y que las mejores separaciones se obtienen para el MOF Mn0.5Cd0.5(BDC)(H2O)2, donde la diferencia entre los calores de adsorción de los adsorbatos es mayor. Al analizar los factores que influyen en la separación de los diferentes adsorbatos entre sí, en cada material, se pueden identificar: las interacciones π-π producto de la naturaleza aromática de los adsorbatos y la parte orgánica del enrejado, las interacciones de van der Waals entre los carbonos de los grupos metilo con los átomos de oxígeno del enrejado, siendo el orden de las interacciones X > T > B; y la geometría de los adsorbatos196. Sin embargo, las diferencias observadas en la calidad de la separación, entre los MOFs, no se pueden explicar con las interacciones anteriormente descritas, es por ello, que consideramos entonces, que las contribuciones a esta adsorción preferencial, en un material u otro, puede están dominadas básicamente, por las diferencias que tienen estos materiales en sus centros metálicos. La contribución del contenido metálico de los MOFs, a dichas interacciones con los adsorbatos será diferente, como consecuencia de las diferentes densidades de cargas resultantes en los MOFs. Si tenemos en cuenta las cargas efectivas calculadas en el epígrafe 4.2 (Tabla 4.1), se observan diferencias de cargas de 0.066 y 0.334 para el par metálico MnCo 81 y MnCd, respectivamente. Dichas diferencias de carga causan inhomogeneidades en los campos electrostáticos (ver Figura 4.2), en poros y superficies de los MOFs. Estas inhomogeneidades provocan mayores interacciones de los adsorbatos con el MOFs Mn0.5Cd0.5(BDC)(H2O)2, permitiendo una mejor separación de los mismos. Por lo que consideramos que el par metálico de los enrejados Mn0.5Co0.5(BDC)(H2O)2 y Mn0.5Cd0.5(BDC)(H2O)2, influye determinantemente en el poder de separación de los hidrocarburos aromáticos. Si se tiene en consideración la flexibilidad que muestran los enrejados de tereftalato de manganeso, se podría especular que estos MOFs, que tienen enrejados isoestructurales con los estudiados en el capitulo anterior, pueden ser flexibles, y acomodar de manera diferente a los adsorbatos en el proceso de adsorción, pero este hecho no se ha podido demostrar en nuestro caso y queda como una investigación a desarrollar en el futuro. 4.5. Conclusiones del capítulo IV Los cálculos de primeros principios de funcionales de la densidad, realizados en los MOFs bimetálicos con estructuras tipo M0.5M´0.5(BDC)(H2O)2 han demostrado que en efecto, la presencia simultánea de dos metales expuestos en el enrejado de estos MOFs puede generar inhomogenidades en las cavidades y superficies de los mismos, lo cual puede conducir a materiales con potencialidades en procesos de adsorción y separación molecular. Con el empleo de la síntesis solvotermal, en viales cerrados de vidrio, a 90ºC, se pueden obtener los siguientes enrejados Mn0.5Co0.5(BDC)(H2O)2, metal-orgánicos bimetálicos Mn0.5Mg0.5(BDC)(H2O)2, isoestructurales: Mg0.5Co0.5(BDC)(H2O)2, Mn0.5Cd0.5(BDC)(H2O)2 y Mn0.5Zn0.5(BDC)(H2O)2. Los MOFs bimetálicos obtenidos, al desolvatarse, son estables durante un intervalo de temperaturas muy amplio (más de 150ºC), por lo pueden ser materiales potenciales para procesos de adsorción. Al utilizar similares condiciones de síntesis que las anteriores, pero con sales de acetato de Zn y sales de acetato de Co, Mg y Mn, se obtienen los siguientes enrejados bidimensionales: [Mg2Zn(BDC)3(H2O)3].4DMF, [CoZn2(BDC)3(H2O)3].4DMF y [MnZn2(BDC)3(H2O)3].4DMF, con diferentes proporciones de metales en el enrejado. Cuando se utiliza la síntesis solvotermal a 130ºC, en DEF o FPIP, con sales de cloruro de Mn y Co se obtienen los MOFs con composición nominal Mn1.5Co1.5(BDC)3(DEF)2 y 82 Mn1.5Co1.5(BDC)3(FPIP)2. Estos materiales presentan estructuras tipo MOF-73 100 y su síntesis se realizó en los reactores de teflón. Al realizar un estudio de los MOFs Mn0.5Co0.5(BDC)(H2O)2 y Mn0.5Cd0.5(BDC)(H2O)2 por CGI se logran separar mezclas equimolares de benceno, tolueno y xileno. La separación de los hidrocarburos en estos materiales es diferente, lográndose una separación más efectiva en el MOF Mn0.5Cd0.5(BDC)(H2O)2 . Estas diferencias se deben principalmente a las inhomogeneidades creadas por los diferentes metales, en los campos electrostáticos en poros y superficies de los MOFs. 83 CAPÍTULO V. ENREJADOS METAL-ORGÁNICOS ZEOLÍTICOS. 5.1. Introducción. Los enrejados metal-orgánicos con estructuras análogas a las zeolitas han ganado la atención de la comunidad científica en los últimos años. La mayoría de los MOFs zeolíticos presentan estructuras tipo cristobalita y se encuentran además otros MOFs similares a las zeolitas MTN 146 , LTA 88 , BCT 255 y ABW 255 entre otros. En general, estos enrejados se componen de unidades de construcción de pequeñas dimensiones como son hexametilentetramina (HMT) 146 , pirazoles 256 e imidazoles 88, 89, 257. En particular, los enrejados zeolíticos de imidazol (ZIF del inglés Zeolitic Imidazolate Frameworks) han emergido como los más trascendentes debido a sus excepcionales capacidades de adsorción de CO289, 258. A pesar del positivo impacto de los MOFs tipo zeolitas, el desarrollo de los mismos no ha sido tan acelerado debido a la ausencia de herramientas para su diseño. Otra posibilidad para la construcción de MOFs zeolíticos es el uso de unidades de construcción tetraédricas de gran volumen. Los polioxometalatos (POM del inglés PolyOxoMetalate) han sido reconocidos como unidades de construcción en la síntesis de MOFs basados en POMs, llamados en lo adelante, POMOFs 43, 157. Los POMs (Figura 5.1 a εZn y b ε-LaCl) son clústeres de óxidos metálicos aniónicos con una amplia variedad de propiedades magnéticas, catalíticas y de oxidación-reducción 33, 154, 259. La combinación de las propiedades de los POMs, con sus variados modos de coordinación y su habilidad potencial para formar POMOFs con una gran diversidad de ligandos orgánicos, constituye un impulso para fomentar la síntesis de estos nuevos materiales multifuncionales. Adicionalmente, la actividad electroquímica en estado sólido de los POMs, puede ser entonces investigada dentro de estos novedosos materiales, abriendo así nuevos campos de aplicaciones para MOFs, como sensores electroquímicos y electrocatalizadores. Es importante resaltar, que existen hasta el momento, pocos reportes de POMs enlazados entre sí por carboxilatos rígidos 157, 213, 260 , a diferencia de los MOFs, donde es uno de los ligandos más ampliamente empleados. Mientras que, con la ayuda de la síntesis solvotermal, aparecen de modo creciente POMOFs (1D) limitado número de (3D) Dolbecq y col. 213 261, 262 155-157, 265, 266 o de cadena, y (2D) 263, 264 o de capas, solo un POMOFs han sido reportados hasta el momento. han desarrollado una estrategia para obtener POMOFs, con síntesis a 84 temperatura ambiente, a partir de la unidad de POM tipo Keggin de ε-212 (Figura 5.1.b) entroncados por iones de La(III) (denominados aquí como ε-La), y enlazados entre sí por ligandos de 1,3,5-BTC (1,3,5-benceno tricarboxilato) que forman un POMOF tridimensional. O: esferas rojas, Zn: tetraedros grises, Mo: octaedros violetas y La: poliedros verdes (a){ε-PMo12O40Zn4(H2O)2 } (b){ε- PMo12O39(OH){La(H2O)6} Figura 5.1. Ejemplos de POMs, (a) ε-Zn y (b) ε-La. La filosofía para el diseño de nuevos sólidos extendidos consiste en la sustitución de los pequeños bloques de construcción con bloques más grandes, utilizando los conceptos básicos de la química reticular 8-10. Se supone que se puedan identificar de antemano las características particulares de la topología de un enrejado, lo cual permitiría por ejemplo, llegar a la síntesis de MOFs con enrejados análogos a las zeolitas, en nuestro caso, el interés se centra en ZIFs y POMOFs. La evaluación computacional de la estabilidad de los enrejados hipotéticos nos puede guiar en la búsqueda de estructuras probables que resultan en las síntesis, como se hizo anteriormente para materiales tipo zeolitas y relacionados 215-218 . En el área de los POMOFs solo se ha realizado un intento en la simulación de dichas estructuras 213 , pero hasta el momento no se ha establecido ninguna relación entre estructura y estabilidad. La estrategia de la síntesis de materiales basados en diseño se ilustra en la literatura con diversos ejemplos de MOFs basados en metales de transición 267 , pero aún no probados en el campo de los POMOFs. En el área de los ZIFs, Baburin y col. 14 han reportado el cálculo de las energías de algunos sólidos, pero estos resultados no ofrecen información acerca de las características estructurales relacionadas con la energía, ni brinda detalles que permitan el desarrollo de 85 métodos de síntesis para los mismos. Existen un poco más de 180 topologías diferentes de zeolitas conocidas experimentalmente 219 , y de igual forma, algunos MOFs han sido obtenidos con topologías de zeolitas 78, 128, 146, 255 , unas veces fortuitamente, y otras racionalmente diseñadas de antemano. El trabajo que se desarrolla en este capítulo sigue la siguiente estrategia: (i) se construyen y evalúan energéticamente la estabilidad de nuevos ZIFs, y se comparan con los ya existentes tanto estructural, como energéticamente, (ii) se construyen y evalúan energéticamente la estabilidad de un número de Z-POMOFs hipotéticos, (iii) se diseña la metodología a seguir para la síntesis de las estructuras probables, y se obtiene por síntesis química, el primer enrejado conectado tetraédricamente por medio de POMs, y ligandos orgánicos derivados del ácido tereftálico, denominado como Z-POMOF1. Además se estudia el comportamiento electroquímico del ZPOMOF1, y su actividad catalítica en el proceso de reducción del bromato. 5.2. Simulación computacional de los ZIFs. La primera parte del estudio consiste en la modelación de varios de los ZIFs que han sido obtenidos experimentalmente. En este caso, se utilizaron como modelos de partida, las estructuras experimentales y en aquellos ZIFs con derivados de imidazoles, se eliminaron los sustituyentes para obtener en todos los casos sólidos con composición Zn(IM)2. En la Figura 5.2 se muestra la energía de los sólidos minimizados en función de la densidad topológica de los mismos, la cual representa el número de nodos tetraédricos por una unidad de volumen dada. Se observa que los ZIFs modelados se dividen en dos grupos de acuerdo a sus energías, siendo los más estables los obtenidos experimentalmente como imidazolatos puros (ZIF-1-2-34-6-10) y los menos estables, lo que se obtuvieron con los respectivos derivados de imidazol (ZIF-7-9-20), con la excepción del ZIF-8 en este subgrupo. Este hecho sugiere que algunos enrejados zeolíticos pueden estabilizarse con la ayuda de los sustituyentes en el imidazol. Al analizar en detalle las estructuras de los ZIFs tipo sodalita, se manifiesta que mientras el ZIF-8 presenta una orientación simétrica del sustituyente del anillo, los ZIFs-7 y -9 se obtienen como enrejados metaestables y distorsionados. La simulación computacional revela que es posible obtener enrejados donde el costo energético de las distorsiones del enrejado es compensado por las interacciones estabilizadoras entre los sustituyentes del imidazol. 86 Figura 5.2. Variación de la energía de red de los ZIFs modelados (a partir de los obtenidos experimentalmente) con la densidad topológica expresada como el número de tetraedros de Zn por celda unidad. ZIFs con imidazol y ZIFs con derivados del imidazol Å. Los valores de los parámetros de la celda de cada una de éstas estructuras minimizadas, comparadas con los datos obtenidos experimentalmente se recopilan en la Tabla 5.1. En la misma se puede apreciar, que existe buena correspondencia entre los valores reportados y los calculados, lo cual demuestra la validez de los métodos computacionales utilizados tanto para la construcción de los enrejados, como para la minimización de la energía de la red cristalina. Tabla 5.1 Parámetros y volumen de la celda de los ZIFs modelados (arriba) comparados con los obtenidos experimentalmente. ZIF zni ZIF-1(BTC) ZIF-2(BTC) ZIF-3(DFT) ZIF-4(cag) ZIF-6(GIS) ZIF-20(LTA)* ZIF-7(SOD)* ZIF-8(SOD)* ZIF-9(SOD)* ZIF-10(MER) Parámetros de la celda en (Å) a 17.984 17.738 9.995 9.740 9.67 9.68 18.963 18.970 15.423 15.395 16.804 16.549 32.500 32.154 14.231 14.275 14.736 14.715 22.913 22.94 21.68 21.45 b 17.984 17.738 15.397 15.260 24.16 24.11 18.963 18.970 15.404 15.307 16.776 16.549 32.500 32.154 14.309 14.275 14.780 14.715 22.910 22.944 21.71 21.45 c 18.0547 17.738 15.180 14.936 24.36 24.45 16.772 16.740 18.438 18.426 16.814 16.459 32.500 32.154 14.283 14.274 14.764 14.715 15.880 15.747 21.69 21.45 Ángulos de la celda (°) α 97.23 97.11 90.00 90.00 90.00 90.00 90.00 90.00 90.00 90.00 112.85 111.97 60.00 60.00 107.22 107.26 109.61 109.47 90.12 90.00 101.82 101.80 β 97.23 97.11 98.55 98.62 90.00 90.00 90.00 90.00 90.00 90.00 112.82 111.97 60.00 60.00 106.40 107.26 109.47 109.47 90.02 90.00 101.84 101.80 γ 138.55 138.80 90.00 90.00 90.00 90.00 90.00 90.00 90.00 90.00 103.42 104.58 60.00 60.00 107.15 107.26 109.36 109.47 119.95 120.00 126.45 126.22 Volumen de la celda en (Å3) Densidad Topológica (unidad de tetraedro/ nm3) 3611.7 3440.7 2310.2 2195.8 5691.6 5706.6 6031.4 6024.1 4380.5 4344.9 3594.3 3470.0 24273.6 23506.4 2427.1 2404.8 2474.7 2452.6 7223.9 7178.9 7312.7 7105.4 4.43 3.46 2.81 2.65 3.65 2.22 1.98 2.47 2.42 2.49 2.19 * se refiere a los ZIFs que fueron sintetizados con imidazoles sustituidos. 87 La segunda parte del estudio comprende la construcción de ZIFs hipotéticos a partir de las estructuras de zeolitas, así como la minimización de la energía red de los mismos. En la Figura A.5.1 de los anexos se muestran los ZIFs modelados. En la Figura 5.3 se observa que en un intervalo de energía de 6 kcal mol-1, se ubican desde el más estable de los ZIF obtenidos experimentalmente, el zni, hasta el menos estable de los ZIF hipotéticos (LTL). Además, a pesar de que las energías de las estructuras hipotéticas es, en general, mayor que las energías de las estructuras obtenidas experimentalmente, la diferencia entre ellos es pequeña, por lo que estos resultados sugieren la posibilidad de obtener éstos ZIFs modelados, por vía de síntesis química, incluso como imidazolatos no sustituidos. Entre los posibles candidatos a obtener se encuentran ATN y CAN, que presentan energías similares al ZIF-2 (BCT) y ZIF-10 (MER) reportadas previamente. De manera similar, las estructuras de poros grandes (alrededor de 20 Å) como la FAU y LTL, junto a AST, ACO, y AFI, pueden ser accesibles por síntesis con la utilización de imidazoles sustituidos, que cooperarían en la estabilización de dichos enrejados abiertos, como lo sugiere la pequeña diferencia energética de aproximadamente 1 kcal mol-1 entre los ZIF-7 y ZIF-8 con enrejados tipo sodalita. Este resultado se confirma con la reciente síntesis de un ZIF con enrejado ACO 268 , en el cual se emplearon como ligandos, el 5-metil- benzidimidazol y el imidazol puro. ZIFs modelados de los obtenidos experimentalmente con imidazol. Å ZIFs modelados de los obtenidos experimentalmente con derivados del imidazol. Ì ZIFs hipotéticos Figura 5.3. Variación de la energía de red de los ZIFs hipotéticos con la densidad topológica expresada como el número de tetraedros de Zn por celda unidad. 88 En la Figura 5.3, se puede apreciar también, que existe un comportamiento similar al de zeolitas puro sílice 269, con una correlación aproximadamente lineal según la cual en la medida que aumenta la densidad topológica del material, la energía de la red cristalina es menor. De manera análoga a las zeolitas, considerando todos los resultados aquí expuestos se predice la posible obtención de enrejados ZIFs con alta porosidad, con el empleo de agentes direccionadores de la estructura en combinación con la adecuada selección de imidazoles sustituidos. 5.3. Simulación computacional de los Z-POMOFs. A partir de la construcción de las estructuras y de los cálculos de minimizaciones de energía de las mismas se realiza el análisis de los resultados. En la Figura A.5.2 de anexos se muestran las estructuras de Z-POMOF minimizadas. Es importante notar que ninguno de los enrejados modelados de Z-POMOFs resultaron ser inestables, pero todos los modelos muestran una moderada reorientación del ligando orgánico, con coordinación monodentada y distancias ZnO que oscilan entre 2.041 y 2.085 Å. Se debe prestar atención a la relación existente entre la topología y la porosidad (dígase densidad topológica) con la energía total de red (Figura 5.4). Se aprecia una tendencia casi lineal entre las energías de red en función de la densidad topológica en los Z-POMOFs modelados. Este hecho es congruente con los resultados obtenidos en los silicatos 269 , donde las estructuras compactas derivadas de α-cuarzo, cristobalita y coesita de los Z-POMOFs se encuentran entre las más estables, sin embargo, a diferencia de los polimorfos de sílices, la topología de α-cuarzo no es la estructura más estable, por el contrario, es la estructura tipo cristobalita (o diamante) de Z-POMOF la más favorecida entre todas las estudiadas. Ciertamente, es útil destacar que entre los MOFs tipo zeolitas reportados, son los enrejados tipo cristobalita o diamante los que prevalecen entre las estructuras menos porosas; además, entre los MOFs con estructuras tetraédricas, el 70% de ellos poseen topología tipo cristobalita 267 . Además, es notable, que fue el enrejado tipo cristobalita, el primer reporte en la familia de los ZIFs con el Zn(azabenzimidazol)2 Co(imidazol)2 88 y de igual forma, Cd(Imazetapirrol)2 200 y 103 . No obstante, la mayoría de estos materiales metal-orgánicos se obtienen como enrejados interpenetrados, 89 Figura 5.4. Variación de la energía de red de los Z-POMOFs con la densidad topológica expresada como el número de ε-Keggin por celda unidad. Al analizar las energías relativas de los Z-POMOFs modelados (Figura 5.4), podemos apreciar que en un intervalo de ~7 kcal mol-1 se ubican todas las energías de la red, desde la menos estable, la tipo RHO hasta la más estable, la estructura tipo CRI, sin considerar en este sentido, el caso atípico de la RWY. Se debe ser cuidadoso y no hacer énfasis en los resultados cuantitativos absolutos, ya que ellos son un producto primario, y por tanto, consecuencia, de la selección de los campos de fuerza utilizados en la modelación. De manera similar a los silicatos, las estructuras con anillos de 3 miembros, no son favorecidas energéticamente, como se aprecia particularmente con la estructura tipo RWY. Sin embargo, esta tendencia es menos fuerte que en los silicatos, sugiriendo la probabilidad de una mayor variedad estructural de esta nueva familia de materiales. Si se analizan entonces, con detalle cada uno de los componentes de las energías de red desglosados en las energías de enlace, las energías angulares, las energías de torsión, las de van der Waals y la electrostática, se aprecia (Figura A.5.3 de anexos) que las mayores contribuciones a la estabilización de las estructuras son de las energías de ángulos, las de torsión y las energías electrostáticas. Esto se infiere a partir de la similitud de las tendencias de estas energías comparadas con la energía total de las estructuras, y también teniendo en cuenta que los intervalos para dichas energías son de 2, 3.5 y 5.5 kcal mol-1, respectivamente, para todas las estructuras, omitiendo el caso especial del RWY. Por el contrario, las contribuciones 90 de las energías de van der Waals y de enlaces, son muy pequeñas. Otro detalle a destacar, es que a diferencia de las zeolitas y sílices en general, en los Z-POMOFs modelados, las energías de torsión juegan un rol decisivo en la energía final del enrejado. Se han realizado varios intentos para dilucidar cuales son los fundamentos de la estabilidad en enrejados tetraédricos, enfocados principalmente a los materiales zeolíticos inorgánicos. Analizando los polimorfos de sílices, existe una gran flexibilidad en la formación de los anillos ya que el ángulo Si-O-Si puede variar significativamente, notándose que sólo los anillos de 3-miembros son los que aparecen particularmente tensionados, lo cual, se correlaciona perfectamente con la ausencia de zeolitas puro sílice con tales anillos de 3 miembros. En este caso la presencia del ligando orgánico, junto a la necesidad de maximizar el solapamiento orbitálico entre los centros metálicos del POM y los átomos de oxígeno en el ligando, reduce el intervalo de conexiones aceptables POM-ligando-POM. Es por ello, que se deduce que las topologías más probables son aquellas que permiten la formación de anillos donde el ángulo formado por cmPOM-BDC-POMcm (cmPOM indica centro de masa del POM) es lineal, lo cual resultará que los anillos más simétricos (y por ende, los enrejados) serán más favorecidos sobre aquellos con anillos distorsionados. Como consecuencia de ello, consideramos entonces como medida de la distorsión de los anillos las distancias Zn-Zn entre POMs en las estructuras optimizadas (Figura 5.5). Se observa con claridad que las estructuras más estables son aquellas donde la distribución de dichas distancias es más estrecha. Además, este hecho explica por qué la red tipo cristobalita es más favorecida que el α-cuarzo, y en general en los MOFs. Alentadoramente, sin embargo, algunas de las estructuras de Z-POMOFs son energéticamente más estables y muestran pequeñas distorsiones, como las de tipo BCT y SOD. Al ampliar el análisis geométrico, se encuentra que un grupo de estructuras de Z-POMOFs de menor energía contienen todas anillos de 4 miembros, que son perfectamente planos, seguido por otro grupo de estructuras donde los anillos de 4 miembros muestran cierta distorsión, por compartir los vértices con otro anillo de 4 miembros, y entonces, un tercer grupo donde los anillos de 4 son efectivamente planos, pero que comparten aristas con otro anillo de 4 miembros a un ángulo menor, que el “óptimo” ángulo tetraédrico. Tales observaciones nos permiten sugerir que un simple análisis geométrico de los enrejados patrones pudiera ser suficiente para una búsqueda inicial de otros enrejados conocidos o hipotéticos, como objeto de síntesis. 91 Figura 5.5. Distancias Zn-Zn medidas entre los POMs (las distancias internas Zn-Zn en el εKeggin no se tienen en cuenta). Las estructuras están ordenadas de la más a la menos estable. Los cuadrados representan promedio de las distancias Zn-Zn en cada estructura. Al considerar todas las estructuras, es evidente que son las estructuras más densas, las más estables termodinámicamente y consecuentemente, las más probables a formarse en un proceso de síntesis solvotermal. Pero, es también esperanzador que un número de enrejados tipo zeolitas, como la BCT, SOD y ATO están muy cerca energéticamente de dichas estructuras densas, sugiriendo que éstas también pueden ser objeto de síntesis. 5.4. Síntesis y caracterización químico-física del Z-POMOF1. Teniendo en cuenta que para la simulación se escogen: el ε-Zn, debido a la posición de entronque tetraédrica del zinc, junto al hecho de que puede formar conectividades POM-M-LM-POM 214, y el ácido tereftálico, por ser un ligando aniónico, rígido y bifuncional que forma enrejados robustos en condiciones solvotermales; se diseñan entonces los métodos de síntesis química de Z-POMOFs. Se consideran que la unidad de ε-Zn, solo puede formarse in situ en condiciones hidrotermales, y que existen dos métodos para ello; y la importancia del pH en la formación y estabilidad de estas especies reducidas de 8-electrones. Adicionalmente se toma en cuenta el papel decisivo que juegan las moléculas plantillas o agentes direccionadores de las estructuras 92 en las síntesis de zeolitas. Con la combinación adecuada de dichas variables se realizaron numerosas síntesis, obteniéndose a 180ºC cristales hexagonales rojos muy oscuros, identificados como Z-POMOF1. El valor del pH inicial (cerca de 5) es crucial, porque asegura la presencia de los cationes de TBA+ que actúan no solo como especies plantilla, sino también como contraiones y potencialmente como agentes direccionadores de la estructura.. Se realizaron varios intentos para sustituir el TBA+ con cationes más pequeños en el gel de síntesis, específicamente NH4+, tetrametilamonio (TMA+), y tetraetilamonio(TEA+), que no resultaron, sugiriendo la acción del catión TBA+ como agente direccionador de la estructura. Este hecho se reafirma además, con la síntesis del Z-POMOF1, pero sustituyendo el TBA+ por TEA+, obteniéndose cristales azules oscuros de especies reducidas de 4 electrones de {PMo12O40} en lugar del material deseado. Este fenómeno también ocurre cuando el pH del gel de síntesis, es menor que 5. El espectro de infrarrojo de Z-POMOF1 (Figura A.5.4 de anexos) muestra la presencia de la bandas de vibraciones de valencia de COO del carboxilato νCOOsim simétrica y νCOOasim asimétrica en 1362 y 1573cm-1 respectivamente, resultando un ∆ν = 211 cm-1, lo que indica coordinación monodentada de los grupos carboxilato en el POM. Aparecen además las bandas de vibraciones de valencia y de deformación de los grupos metilo y metileno del catión TBA+ en 1482, 1464 y1383cm-1, y en la zonas de bajas frecuencias, en 938, 890, 815, 786, 745 y 709 cm-1, se pueden asignar las vibraciones de los enlaces Mo-O. Al ser el Z-POMOF1 ligeramente soluble en dimetilsulfóxido (DMSO) producto de la disociación del enlace Zn-O(C) entre el POM del ε-Zn y el ligando de BDC, es posible hacer un estudio de resonancia magnética nuclear en solución. Los espectros de RMN de 31P y 1H de la solución saturada de Z-POMOF1 se presentan en la Figura A.5.5 de anexos. El espectro de RMN de 31 P muestra un solo pico a 2.59 ppm, y este se mantiene sin cambios durante una semana, indicando que el POM ε-Zn es estable en solución, en contraste con el POM ε-La en solución, que no es estable 212. En el espectro RMN protónico son fácilmente identificables las señales provenientes del ligando (4 protones aromáticos) y de los cationes de TBA+ (CH3 y CH2), y la integración de las mismas confirma la relación TBA+/BDC de 3/2 en el producto final. 93 5.5. Estructura cristalina del ZPOMOF1. A partir de los resultados obtenidos por difracción de monocristales se obtiene la estructura cristalina del Z-POMOF1 y cuyos datos fundamentales se recopilan en la Tabla 5.2. Tabla 5.2. Datos cristalográficos de Z-POMOF1. C64H124Mo12N3O50P 3179.5 Monoclinico C2/c 15.0956(11) 27.0921(19) 25.7271(18) 106.834(2) 10070.8(12) 8 2.096 2.476 14675/490 0.0580 1.090 R1a = 0.0624 wR2b = 0.1303 b 2 wR = _Σw(Fo 2 - Fc2)2/Σw(Fo 2 )2. Fórmula molecular Peso molecular (g) Sistema Cristalino Grupo espacial a/Å b/Å c/Å β/deg V/Å3 Z δcalc /g cm-3 µ/mm-1 datos/parametros Rint GOF R (>2σ(I)) a R1= Σ|Fo| - |Fc|/Σ|Fc|. La estructura hipotética del Z-POMOF tipo cristobalita es muy similar a la estructura de una sola red del Z-POMOF1 (Figura 5.6.a, b, c), determinada anteriormente en los cálculos teóricos (Figura 5.6.d). La unidad de construcción inorgánica del ε-PMo12O40 entroncado en posiciones tetraédricas por cuatro iones de Zn(II) (Figura 5.1.a y Figura 5.6.a), mantiene su geometría en la estructura del Z-POMOF1. Al igual que en las estructuras de los derivados de ε-La y ε-Zn 212-214, 260 el ión Keggin es un POM reducido de 8 electrones, que contiene 8 iones Mo(V) y 4 iones Mo(VI), hecho confirmado por las distancias de enlaces Mo(V)- Mo(V) cercanos a 2.61 Å (Tabla A.5.1 de anexos). Los cuatro iones de Zn están enlazados al POM εPMo12O40 vía tres enlaces Zn-O(Mo) con átomos de oxígeno como puentes y completan su coordinación tetraédrica con un enlace Zn-O(C) del ligando de BDC en el modo monodentado, como se confirmó anteriormente con el análisis de infrarrojo. La combinación de la conectividad tetraédrica de los POMs, unido a la bifuncionalidad del ligando orgánico, resultan en un MOF tridimensional semejante a la estructura de un enrejado tipo cristobalita (o diamante). 94 La unidad tipo adamantano del Z-POMOF1 se muestra en la Figura 5.6.b y en la 5.7.a se presenta una sola red de coordinación vista a lo largo del eje b. El Z-POMOF1 es una estructura tres veces interpenetrada de redes tipo cristobalita como se observa en la Figura 5.7.b. Los canales están presentes a lo largo del eje cristalográfico a (Figura 5.6 c). Los cationes de TBA+ están ubicados en los canales, cercanos a las unidades de POMs, tres contraiones de TBA+ por unidad de POM. La presencia de TBA+ fue confirmada por análisis elemental y estudios de RMN de protones, como se mencionó anteriormente. La carga de las unidades de ε-Keggin depende del número de ligandos oxopuenteados protonados y se ha demostrado que varía desde 0 a 5 en derivados de 8-electrones reducidos de ε-PMo12 212-214, 260 . En el Z-POMOF1 se requiere la presencia de 4 protones para la neutralidad de la carga, los cuales están ubicados en 4 átomos de oxígenos puente (Tabla A.5.1 de anexos). La fórmula química del Z-POMOF1 es [TBA]3[PMoV8MoVI4O36(OH)4Zn4(BDC)2].2H2O y la fórmula de la unidad de construcción inorgánica es {PMoV8MoVI4O36(OH)4Zn4}+. Los volúmenes accesibles por disolventes en Z-POMOF1, son calculados usando PLATON 270 , y se comparan con y sin cationes de TBA+. El volumen accesible por el disolvente se reduce de un 60 % del volumen total de la celda unidad (6042 Å3, que representa alrededor de 150 moléculas de agua, asumiendo un volumen de 40 Å3 para una molécula de agua coordinada por puente de hidrógeno) a un 5,6 % cuando están presentes los cationes de TBA+. El volumen accesible pudiera haber sido mayor si no hubiera interpenetración de las tres redes simples. Está bien argumentado en la literatura que la interpenetración es una consecuencia de cavidades grandes 271 . La interpenetración triple es un hecho común en estructuras tipo cristobalita (o tipo diamante) 145 . Los iones de TBA+ actúan como agentes “plantillas”, pero también como compensadores de carga. Si no estuvieran presentes los iones de TBA+, entonces se necesitarían tres protones adicionales (u otros cationes extraenrejado) para compensar la carga, sin embargo, hasta el momento no se han descrito estructuras con derivados reducidos de 8 electrones de ε-PMo12O40 con siete puentes protonados de oxígenos, lo cual confirma la necesidad de la presencia de tetrabutilamonio como contraiones en la estructura. 95 (a) (c) (b) (d) Figura 5.6. (a) Representación del modo de coordinación del ε-Zn en el Z-POMOF1 y su estructura esquemática, (b) Unidad tipo adamantano del Z-POMOF1. Vista de una red simple. (c) Estructura tridimensional del Z-POMOF1 y (d) Modelo tipo cristobalita del Z-POMOF. ε-Zn representado por conjunto de poliedros azules (Mo), grises oscuros (Zn) y rosados (P), O: esferas rojas y carbonos como varas en gris claro (a) (b) Figura 5.7. Representación esquemática de (a) de una red vista a través del eje b en el Z-POMOF1 y (b) de las tres redes interpenetradas, cada una con color diferente. Los tetraedros representan unidades de ε-Keggin. 96 Con el objetivo de demostrar y cuantificar el papel de la interpenetración en la estabilidad del Z-POMOF1, se realizaron cálculos con modelos como estructura interpenetrada y como una red simple. Para modelar la estructura interpenetrada se construyó el análogo de sílice de la misma y con ella se preparó el Z-POMOF de igual manera que se construyeron los MOFs hipotéticos descritos en el epígrafe 5.3. De este modo, es factible la comparación inmediata de las energías. Las estructuras de ambos modelos, la triple interpenetrada (Figura 5.8) y la red simple (Figura 5.6 d) están en correspondencia con la estructura del Z-POMOF1, indicando la robustez de las redes simples que pudieran ser sintetizadas sin interpenetración. Sin embargo, la optimización de esos modelos reconstruidos difiere del material sintetizado por 5.6, 8.2 y 2.0 % en las direcciones de a, b y c de la celda, respectivamente. La ausencia de agua y los cationes de TBA+ en estos modelos probablemente sean la causa principal de la mayoría de esas diferencias, como se ha observado en otros estudios de modelación de materiales zeolíticos 272. Figura 5.8. Vista completa de las tres redes interpenetradas de la estructura del ZPOMOF1. Teniendo en cuenta la relativa estabilidad de los enrejados simples e interpenetrados indicado en la Figura 5.4, es de resaltar, que la energía de la estructura interpenetrada de Z-POMOF1 es considerablemente menor (~8 kcal/mol) que nuestro modelo de Z-POMOF1 y su red simple. 97 La simulación nos provee de una estimación directa de la energía de las interacciones red-red (~7 kcal/mol), indicando una estabilización adicional lograda por la formación de una estructura más densa e interpenetrada. Al realizar un estudio termogravimétrico (Figura 5.9. insertada) del Z-POMOF1 se observa que se mantiene la estructura cristalina hasta 180ºC, como se corrobora con la termodifracción (Figura 5.9). En la curva de ATG no se aprecia pérdida de masa entre 25 y 180ºC. Entre 180 ºC y 380 ºC se observa solo un pequeño cambio atribuible a la deshidratación parcial del material. Se observa una pérdida de dos pasos entre 380 ºC y 700 ºC, (con una pérdida total de 32% y calculado 31%) correspondiente con el colapso del enrejado y después de sus componentes, permitiendo la formación de los óxidos: MoO3, ZnO y P2O5. Este comportamiento térmico es sorprendentemente diferente al de los POMOFs basados en εLa213, los cuales colapsan cerca de 50°C, confirmando así que los POMs de ε-Zn son una unidad de construcción estable para otras síntesis de enrejados porosos y tridimensionales. Figura 5.9. Termodifractograma de rayos X del Z-POMOF1 en aire y el insertado curva termogravimétrica del Z-POMOF1 en aire. En cambio al analizar la curva termogravimétrica del Z-POMOF1 en atmósfera de helio (Figura 5.10), los cambios son más finamente perceptibles, ya que justo hasta 180°C hay una 98 variación de masa del 9 %, que correspondería a la pérdida de las dos moléculas de agua y de una molécula de TBA+ (el valor calculado es de 8.75 %), y después hasta 380°C se detecta una pérdida de masas de un 25 %, que representa la salida de los otros dos iones de TBA+ y los dos fragmentos del ácido tereftálico, que teóricamente representan un 25.57 %. Este comportamiento del Z-POMOF1 en atmósfera inerte sugiere que la pérdida de un 9 % de masa, deberá generar una microporosidad en el enrejado, que pudiera ser permanente ya que los cambios de la curva de DSC desde temperatura ambiente a 180oC son muy pequeños, por lo que esta pérdida de masas no debería involucrar un cambio estructural. Figura 5.10 Curva termogravimétrica del Z-POMOF1 en atmósfera de helio. 5.6. Propiedades electrocatalíticas del Z-POMOF1. El sólido Z-POMOF1 se embebió directamente en carbón vítreo o en capas delgadas de alcohol polivinílico, demostrándose así que los tres métodos utilizados para la fabricación de los electrodos son factibles para el montaje de Z-POMOF1 en estado sólido, ya que se obtiene perfecta reproducibilidad de las curvas de voltametría cíclica (VC), durante ciclos prolongados de potenciales, verificando así la durabilidad de los electrodos. Estos resultados confirman la importante diferencia entre el comportamiento del Z-POMOF1 y el ε-LaCl: la alta solubilidad del ε-LaCl en agua implica la corta vida de los electrodos, mientras que el enrejado insoluble de Z-POMOF1 permite la fabricación de electrodos duraderos, que además, pueden ser usados en diferentes electrolitos de soluciones de sulfatos, 99 donde el ε-La es inestable. En resumen, la actividad electroquímica del bloque de construcción ε-Zn en el enrejado de Z-POMOF1 se mantiene, permitiendo con ello la fabricación de electrodos de larga vida. Los detalles de la caracterización electroquímica se muestran en el anexo A.5.7. Los electrodos modificados de Z-POMOF1, atendiendo a su comportamiento electroquímico, son buenos candidatos para aplicaciones en electroanálisis y electrocatálisis. Para realizar el estudio de la actividad electrocatalítica se ha escogido la reducción del bromato, por ser una de las principales reacciones de oxidación – reducción estudiadas con POMs273. El monitoreo o la remoción de estas especies es de gran interés, ya que este ión se encuentra generalmente en aguas potables, como subproducto de la desinfección con ozono, y es usado frecuentemente como aditivo en los alimentos 274 , sin embargo, se reporta que puede actuar como agente carcinógeno 275. La Figura 5.11 ilustra la habilidad del electrodo de Z-POMOF1-PVA en la reducción del bromato. El comienzo del proceso catalítico es alrededor de 0.130 V contra el electrodo de referencia (SCE) y continua en la segunda onda del ε-Zn (Figura 5.11.a). En el intervalo de potencial explorado los electrodos modificados de carbono vítreo solo con PVA no muestran actividad alguna frente al bromato, por lo que la actividad mostrada del Z-POMOF1 inmovilizado en estos electrodos, se debe a la presencia del Z-POMOF1 por sí mismo. Figura 5.11. (a) Curvas de VC de Z-POMOF1-PVAE a pH = 2 (1 M LiCl/HCl) en ausencia y con la adición gradual de concentraciones de bromato. (b) Variación de la intensidad del pico de corriente para la reducción electrocatalítica del bromato en función de la concentración (tercera onda). 100 Con el aumento de la concentración de bromato, la corriente catódica de la segunda onda de reducción se incrementa con el decrecimiento gradual de la correspondiente corriente anódica. Esta reacción ha sido descrita en la literatura, con otros POMs, como un proceso de 6electrones, obteniéndose bromuro 276 . El potencial de inicio observado se compara favorablemente con los valores reportados. Como es de esperar, el potencial de inicio se corre a la dirección positiva cuando el pH del electrolito disminuye. En la Figura 5.11.b se muestra la variación de la corriente en función de la concentración del bromato; en la misma se aprecia la correlación lineal en el intervalo de concentraciones de 0.2 a 40 mmol de bromato, abriendo la posibilidad de detección, cuantificación y transformación de esta especie química con electrodos modificados de Z-POMOF1. Es útil destacar que los electrodos modificados de ZPOMOF1-PVAE muestran alta actividad electrocatalítica, incluso a pH = 2, en contraste con otros electrodos reportados277. Con estos resultados promisorios, se vislumbra la inmovilización de Z-POMOF1 en diversos substratos, como nanotubos de carbonos. Otros procesos electrocataliticos pueden ser explorados, como por ejemplo, la reducción del clorato, yodato, peróxido de hidrógeno y NOx. 5.7 Conclusiones del capítulo V Se demuestra que el diseño de MOF con estructuras tipo zeolitas es factible y constituye una herramienta poderosa en el desarrollo de nuevos enrejados metal – orgánicos. La modelación de nuevos ZIFs evidencia que estructuras de mayor porosidad pueden ser obtenidas mediante la apropiada combinación de sustituyentes en los imidazoles y moléculas direccionadoras de las estructuras o plantillas en el gel de síntesis. Con este trabajo se muestra una nueva familia de enrejados metal-orgánicos, con la síntesis de un novedoso enrejado metal-orgánico tridimensional basado en polioxometalatos con estructuras tipo zeolita (Z-POMOFs). El estudio propone la posible existencia de una rica familia de Z-POMOFs, sobre la base de varias estructuras con estabilidad similar a la del material sintetizado, Z-POMOF1. Además, hemos identificado algunos rasgos geométricos que pueden ser útiles para prediseñar topologías para la síntesis potencial de los mismos. Nuestro material, Z-POMOF1, además de ser una estructura tri-interpenetrada tipo cristobalita, contiene cationes de tetrabutilamonio como compensadores de carga, como moléculas plantilla, y también, en el rol extendido de agente direccionador de la estructura. 101 Se demuestra que la estrategia del uso de moléculas plantillas puede ser fructífera, incluso, como en este caso, usando cationes compensadores de carga, o a través de la sustitución en el ligando, y nos proporciona rutas viables a topologías menos estables pero más abiertas. Los electrodos basados en Z-POMOF1 muestran remarcable electroactividad en la reducción del bromato, con la incorporación del POM en un enrejado tridimensional; teniendo un mejor desempeño comparado con el POM en forma libre. 102 CONCLUSIONES 1.- El uso de la modelación molecular permite diseñar MOFs con poros de tamaño graduable. Se muestra la influencia de la orientación de las moléculas de disolventes en las intensidades de los máximos en los patrones difracción modelados, hecho que constituye una herramienta útil en la interpretación de los datos experimentales cuando no se dispone de monocristales. 2.- Se obtienen por síntesis química enrejados metal-orgánicos de tereftalato de manganeso con poros de mayor tamaño, con la FPYR y la FPIP como disolventes. Los MOFs basados en Mn y BDC muestran flexibilidad inducida por la molécula huésped. Estos materiales muestran robustez termoestructural, con coeficientes de expansión térmica colosal del orden 10 -4 K-1. 3.- Los cálculos de primeros principios de funcionales de la densidad, realizados en los MOFs bimetálicos con estructuras tipo M0.5M´0.5(BDC)(H2O)2, han demostrado, que la presencia simultánea de dos metales expuestos en el enrejado de estos MOFs puede generar inhomogenidades en el campo eléctrico, en las cavidades y superficies de los mismos, lo cual resulta en materiales con potenciales aplicaciones en procesos de adsorción y separación molecular. 4.- Con el empleo de la síntesis solvotermal, se obtienen los MOFs bimetálicos: Mn0.5Co0.5(BDC)(H2O)2, Mn0.5Mg0.5(BDC)(H2O)2, Mg0.5Co0.5(BDC)(H2O)2, Mn0.5Cd0.5(BDC)(H2O)2 y Mn0.5Zn0.5(BDC)(H2O)2. Estos sólidos al desolvatarse, son estables durante un intervalo de temperaturas muy amplio (más de 150ºC), lo que indica potenciales aplicaciones en procesos de adsorción. El uso de similares condiciones de síntesis solvotermales, pero utilizando acetato de Zn, resulta en otros enrejados bidimensionales del tipo [M2M´(BDC)3(DMF)3].4DMF. De igual forma, al emplear DEF o FPIP, en la síntesis de MOFs bimetálícos de Mn y Co, se obtienen materiales con estructuras tipo MOF-73, que poseen prometedoras propiedades adsortivas. 5.- Con el estudio de los MOFs Mn0.5Co0.5(BDC)(H2O)2 y Mn0.5Cd0.5(BDC)(H2O)2 por Cromatografía de Gases Inversa, se demuestra la capacidad de éstos MOFs para la separación 103 de hidrocarburos aromáticos. Las diferencias observadas en la separación se deben principalmente a las inhomogeneidades creadas por los metales, en los campos electrostáticos en poros y superficies de los MOFs. 6.- El diseño de MOF con estructuras tipo zeolitas es viable y se presenta como una herramienta poderosa en la búsqueda de nuevos enrejados metal – orgánicos. La construcción y modelación de enrejados zeolíticos basados en imidazolatos (ZIFs) y polioxometalatos (ZPOMOFs) proporcionan relevantes detalles a considerar en la síntesis química de MOFs con porosidad extensa. La estabilidad estructural de ambas familias de MOFs crece con el aumento de la densidad topológica, análogamente a las zeolitas. 7.- Se obtuvo por primera vez un enrejado zeolítico tridimensional basado en polioxometalatos (Z-POMOF1) que abre el camino para la síntesis de una nueva familia de MOFs con estructuras tipo zeolita (Z-POMOFs). El Z-POMOF1 posee una estructura tri-interpenetrada tipo cristobalita, que contiene cationes de tetrabutilamonio como compensadores de carga, moléculas relleno, y también, en el rol extendido de agente direccionador de la estructura. 8.- Los electrodos modificados basados en Z-POMOF1 muestran remarcable electroactividad en la reducción del bromato, siendo la primear aplicación para un POMOF. La incorporación del POM en un enrejado tridimensional e insoluble resulta en un mejor desempeño comparado con el POM en forma libre. 104 RECOMENDACIONES. 1.- Desarrollar métodos de crecimiento para obtener monocristales de los MOFs basados en Mn y ácido tereftálico, así como los MOFs heterometálicos. Esto conducirá a obtener las estructuras cristalinas que permitirán profundizar en el estudio de propiedades químico-físicas a nivel atómico de los nuevos materiales. 2.- Estudiar la adsorción de moléculas orgánicas volátiles y otros contaminantes en los MOFs bimetálicos preparados. Igualmente continuar el estudio de separación molecular con estos MOFs. 3.- Desarrollar un trabajo de síntesis para la obtención de otros Z-POMOFs. 4.- Continuar desarrollando metodologías y herramientas computacionales para la preparación de nuevos MOFs y el entendimiento de las propiedades químico – física de los ya existentes. 105 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. 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CrystEngComm, 2009, 11, 2272–2276. 3. “Nanopore control by solvent–template molecules in flexible metal organic frameworks” L. M. Rodríguez Albelo, D. W. Lewis, M. Green, A. R. Ruiz Salvador, Rev Cubana de Quimica, Vol. XIX, No 1, 2007 (ISSN 0258-5595) K037, Comunicacion corta. 4. “Coexistence of solvent induced flexibility and thermal structural robustness in MnBDC metal – organic frameworks”, L.M. Rodriguez-Albelo, D.W. Lewis, M. Green, M. Basterrechea, A. Gomez, A.R., W. van Beek, A.R. Ruiz-Salvador, enviado. 5. “Mixed metal metal-organic frameworks as novel materials for chromatographic separation of aromatic hydrocarbons”, G. Autie-Castro, L. M. Rodriguez-Albelo, D. W. Lewis, J. Santamaría-González, E. Rodríguez-Castellón, A. Jiménez-López, Mario J. Bastrrechea-Rey, A. R. Ruiz-Salvadorb, M. Autie-Pérez, enviado. 6. “Inhomogenities of the electrostatic potential in mixed-metal MOF: a computational study”, L.M. Rodriguez-Albelo, D.W. Lewis, A.R. Ruiz-Salvador, enviado. Trabajos en eventos científicos relacionados con la tesis 1. Nanopore control by solvent–template molecules in flexible metal organic frameworks. L. M. Rodríguez Albelo, D. W. Lewis, M. Green, A. R. Ruiz Salvador*.XXVII Congreso Latinoamericano de Química. 16-20 de octubre de 2006. La Habana Cuba, póster 2. Competencia entre el agua y la dimetilformamida en la cristalización de enrejados nanoporosos metal – orgánicos. L. Marleny Rodriguez-Albelo, D. W. Lewis, R. GrauCrespo, M. J.Basterrechea-Rey, A. R. Ruiz- Salvador. QUITEL 33, La Habana 17 21 de Septiembre 2007, póster 3. Construcción y modelación de enrejados nanoporosos extendidos de tipo zeolítico. A. R. Ruiz-Salvador, D. W. Lewis, A. Gómez, C. Mellot-Draznieks, R. G. Bell, M. Rodríguez-Albelo, M. J. Basterrechea-Rey, QUITEL 33, La Habana 17 - 21 de Septiembre 2007, presentación oral. 4. Interconversión de enrejados metalorgánicos de MnBDC. L. M. Rodríguez Albelo, D. W. Lewis, M. Green, M. Basterrechea, A. R. Ruiz Salvador. II Jornada Científica IMRE Mayo 2007. póster 5. Robustez termo-estructural en enrejados metal-orgánicos (MOFs) de flexibilidad solvotermal, L. M. Rodríguez-Albelo, D. W. Lewis, M. Green, M. J. BasterrecheaRey, A. R. Ruiz-Salvador, III Jornada Científica IMRE, 2008, póster. 6. “Towards to understanding the role of the metal – ligand bond strength in the stability of metal – organic frameworks (MOF)” A. R. Ruiz-Salvador , A. Gomez, L. M. Rodriguez-Albelo, M. Basterrechea-Rey, D. W. Lewis. ICTP, Trieste, Italia, Enero 2009. Presentación en póster. 7. “Diseño de sólidos nanoporos cristalinos con enrejados zeolíticos” D. W. Lewis, Caroline Mellot-Draznieks, A. Gómez, L. M. Rodriguez-Albelo y A. R. RuizSalvador, VII Congreso Internacional de Química e Ingeniería Química y I Congreso Iberoamericano de Química. Bioquímica e Ingeniería Química, La Habana, Cuba, Octubre 2009. Presentación Oral. 8. “Enrejados metal orgánicos (MOF) de carboxilatos de metales mixtos”. L. M. Rodriguez-Albelo, D. W. Lewis, A. Gómez, M. Basterrechea y A. R. Ruiz-Salvador. VII Congreso Internacional de Química e Ingeniería Química y I Congreso Iberoamericano de Química. Bioquímica e Ingeniería Química, La Habana, Cuba, Octubre 2009. Presentación en póster. 9. “Enrejados metal – orgánicos zeolíticos basados en polioxometalatos (Z-POMOF)”. L. M. Rodríguez Albelo, A. R. Ruiz-Salvador, A. Sampieri, D. W. Lewis ,A. Gómez, P. Mialane, C. Mellot-Draznieks, A. Dolbecq. Conferencia Internacional de Ciencia de Materiales en la Era Nano. La Habana, Cuba, Noviembre 2009. Presentación en póster. 10. “Structural diversity and flexibility in MnBDC MOFs”. L. M. Rodríguez-Albelo, D. W. Lewis, A. Gómez, M. Green, M. Basterrechea y A. R. Ruiz-Salvador. Reunión de proyecto de la red Alfa “Nanogastor” La Habana, Cuba, Febrero 2009. Presentación oral 11. “Diseño computacional y síntesis del primer del enrejado metal –orgánico zeolítico basado en polioxometalatos (Z-POMOF1)”, L. M. Rodríguez Albelo, A. R. RuizSalvador, A. Sampieri, D. L. Lewis, A. Gómez, B. Nohr, P. Mialane, J. Marrot, F. Sécheresse, C. Mellot-Draznieks, A. Dolbecq, III Jornada Científica IMRE, 2009, (presentación oral) 12. “Estudio del comportamiento energético de los imidazolatos zeolíticos (ZIFs) en comparación con sus análogos de zeolita”, D. W. Lewis, A. R. Ruiz Salvador, A. Gómez, L. M. Rodríguez Albelo, F. X. Coudert, B. Slater, A. K. Cheetham, C. Mellot-Draznieks, III Jornada Científica IMRE, 2009, (presentación oral) Anexos de capítulo III. Enrejados metal-orgánicos de tereftalatos de manganeso (Mn-BDC): coexistencia de la flexibilidad inducida por el disolvente y robustez térmica estructural. Anexo A.3.1. Figura A.3.1. Patrón de difracción de rayos X de polvos de Mn(BDC)(H2O)2 obtenido por el método de síntesis de un solo paso en DMF. Anexo A.3.2. Figura A.3.2. Patrón de DRX de polvos de Mn3(BDC)3(DEF)2 obtenido por el método de síntesis de esta tesis. Anexo A.3.3. Figura A.3.3. Correlación lineal del parámetro de celda b, en función de la talla de los disolventes o moléculas plantillas en cada caso. Anexos del Capítulo IV. Enrejados Metal-Orgánicos Bimetálicos del Ácido Tereftálico. Anexo A.4.1. Tabla. A.4.1. Composición relativa resultante de mediciones de fluorescencia de rayos X, de los metales en los MOFs con los pares de metales MnCo, MgCo, MnCd, MnMg y MnZn. MOF con los pares de metales Cantidad relativa de los átomos metálicos (%) M:M´ 46.38 : 53.62 44.14 : 55.86 50.01 : 49.99 48.47 : 51.53 42.59 : 57.41 Mn-Co Mn-Mg Mg-Co Mn-Cd Mn-Zn 59.04 : 40.96 66.75 : 33.25 50.95 : 49.05 50.84 : 49.16 39.21 : 60.79 42.28 : 57.72 42.08 : 57.92 49.35 : 50.65 46.44 : 53.56 49.59 : 50.41 Anexo A.4.2. Tabla A.4.2. Valores de los hkl, 2θ, d e intensidad para los patrones ajustados por LeBail de los MOFs con los pares de metales MnCo, MgCo, MnCd, MnMg y MnZn. MnCo d (Å) h k l 2 θ (°) 2 1 -1 4 -3 0 -2 0 -4 -3 3 -6 5 6 6 0 1 1 0 1 0 0 2 0 1 1 0 1 0 2 0 0 1 0 1 2 2 0 2 2 2 2 2 2 1 9.61 14.274 18.297 19.288 22.012 24.521 24.875 27.059 28.766 29.767 33.521 35.127 39.996 41.484 43.572 9.1956 6.1996 4.8447 4.5978 4.0346 3.6271 3.5764 3.2925 3.1008 2.9988 2.6710 2.5525 2.2523 2.1749 2.0754 h k l 2 θ (°) MgCo d (Å) 2 1 -1 1 0 -2 -1 -5 -3 4 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 2 2 2 1 2 2 9.626 14.389 18.410 19.398 24.552 24.950 27.896 28.895 29.910 33.805 9.1803 6.1504 4.8150 4.5721 3.6227 3.5657 3.1956 3.0873 2.9848 2.6492 Intensidad relativa 100 52.1 30.5 26.3 20.1 20.2 8.6 9.2 40.2 34.4 31.6 7.1 14.6 16.7 24.6 Intensidad relativa 75.7 71.8 35.4 25.0 16.9 30.5 17.4 71.3 97.6 100 1 -4 1 6 3 -6 2 3 2 3 2 2 0 1 0 2 40.163 41.769 43.736 44.137 45.172 h k l 2 θ (°) 2 1 -1 4 0 -4 6 -3 5 3 -4 -3 6 6 -6 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 2 1 0 2 2 0 0 1 0 2 2 0 2 1 2 1 3 2 1 2 9.405 14.237 18.139 18.875 24.311 27.986 28.476 29.208 31.732 33.426 34.167 39.504 41.229 43.256 44.013 h k l 2 θ (°) 2 1 -1 4 -2 -4 6 -3 2 4 -5 -3 1 -1 -6 0 1 1 0 0 0 0 1 2 2 1 1 3 3 2 0 0 1 0 2 2 0 2 1 0 2 3 0 1 2 9.642 14.334 18.313 19.354 24.795 28.689 29.208 29.72 32.102 33.583 34.537 40.095 41.577 43.235 44.927 h k l 2 θ (°) 2 1 -1 1 -3 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 2 9.560 14.288 18.265 19.289 21.936 24.400 2.2433 2.1607 2.0680 2.0501 2.0055 MnCd d (Å) 9.3952 6.2156 4.8865 4.6976 3.6581 3.1854 3.1317 3.0549 2.8174 2.6784 2.6220 2.2792 2.1877 2.0898 2.0556 MnMg d (Å) 9.1647 6.1737 4.8403 4.5823 3.5877 3.1090 3.0549 3.0034 2.7858 2.6663 2.5947 2.2470 2.1702 2.0907 2.0159 MnZn d (Å) 9.2439 6.1938 4.8531 4.5975 4.0485 3.6449 42.6 54.6 37.6 20.1 16.6 Intensidad relativa 100 47.9 48.1 42.0 12.2 38.2 26.1 55.8 48.4 49.4 11.4 12.2 18.3 21.6 12.9 Intensidad relativa 58.2 84.9 37.6 30.4 23.0 65.8 16.0 100 19.2 55.5 17.3 23.0 45.3 28.5 21.8 Intensidad relativa 32.4879 34.8631 32.7294 30.2737 37.3993 15.6602 2 -2 -4 -5 -3 4 1 -5 3 -3 0 0 1 1 2 3 1 3 3 2 2 1 2 0 0 3 0 1 24.727 28.578 28.620 29.628 33.424 41.462 43.283 43.811 44.933 3.5974 3.1208 3.1163 3.0125 2.6786 2.176 2.0885 2.0646 2.0156 22.2222 33.4138 18.7600 100 78.0998 43.4380 34.0177 18.9211 14.9355 Anexo A.4.3. (a) (b) Figura A.4.3 Espectro de infrarrojo de los MOFs con los pares de metales (a) CoCd y (b) MnZn. Anexo A.4.4 Tabla A.4.4. Valores de los hkl, d, 2θ e intensidad para los patrones ajustados por LeBail de los MOFs con los pares de metales MgZn, CoZn y y MnZn. MgZn d (Å) h k l 2 θ (°) 0 0 -2 -3 -3 -1 0 1 -4 -2 0 1 1 0 1 1 2 1 0 2 2 1 2 2 2 4 3 4 2 3 10.148 10.653 17.032 19.15 21.355 22.095 24.286 24.486 24.729 25.745 h k l 2 θ (°) d (Å) 1 0 0 0 0 2 6.346 10.265 13.9160 8.6100 8.7090 8.2974 5.2013 4.6307 4.1572 4.0196 3.6617 3.6324 3.5971 3.4574 Intensidad relativa 5.3 6.2 1.2 2.5 1.4 1.3 65.0 53.0 100 2.9 CoZn Intensidad relativa 34.3 85.2 3 0 -1 0 1 0 1 1 3 0 -1 -1 -1 -2 1 0 1 1 2 2 2 1 2 2 1 2 2 1 2 2 2 0 0 1 0 2 2 4 3 3 10.754 10.844 13.968 16.255 18.959 20.011 21.016 21.363 21.605 21.891 22.356 24.491 26.096 h k l 2 θ (°) 1 0 0 1 2 3 -3 1 1 0 -2 -1 -1 4 -2 0 0 1 1 1 0 0 2 2 2 0 2 1 0 2 0 2 1 2 1 0 2 0 1 2 4 2 4 0 3 6.099 10.136 10.652 15.95 17.015 18.366 19.063 19.777 20.745 21.397 21.48 21.672 22.121 24.571 25.759 8.2195 8.1520 6.3348 5.4483 4.6769 4.4332 4.2236 4.1557 4.1097 4.0567 3.9734 3.6316 3.4118 MnZn d (Å) 14.4796 8.7199 8.2982 5.5519 5.2066 4.8265 4.6516 4.4853 4.2781 4.1491 4.1332 4.0972 4.0149 3.6199 3.4556 100 21.7 12.8 12.5 25.0 29.7 30.5 14.1 52.5 13.8 31.3 15.5 27.7 Intensidad relativa 6.3 77.7 100 10.7 5.8 7.3 11.1 7.8 16.0 15.1 15.3 10.1 15.1 11.0 7.9 Anexo A.4.5 Tabla A.4.5. Valores de los hkl, d, 2θ e intensidad para los patrones ajustados por LeBail de los MOFs con el par MnCo y los disolventes DEF y FPIP. h k l MnCo(BDC)(DEF) 2 θ (°) d (Å) -1 -2 1 -3 1 -1 -5 -5 1 -4 -7 1 0 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 2 1 3 2 3 2 3 3 4 2 9.716 10.302 13.189 17.558 18.683 19.342 19.817 20.442 24.843 26.587 27.61 9.0952 8.5792 6.7073 5.0468 4.7455 4.5851 4.4762 4.3408 3.5809 3.3499 3.2280 Intensidad relativa 100.0 38.3 5.8 7.7 41.2 61.1 9.7 16.8 6.0 12.1 6.1 4 6 4 -7 -5 0 0 1 3 0 2 1 2 28.126 29.27 30.196 30.878 3.1700 3.0486 2.9572 2.8935 h k l MnCo(BDC)(FPIP) 2 θ (°) d (Å) 1 2 -1 0 -2 2 -5 0 -4 -1 -4 3 1 -3 -6 1 0 1 2 2 2 1 2 2 3 2 3 3 3 2 0 0 2 1 1 0 3 2 2 2 5 0 2 4 6 9.322 10.428 12.813 16.869 17.126 18.706 19.745 20.48 21.323 25.513 28.17 28.218 29.298 30.142 32.153 9.4794 8.4761 6.9033 5.2513 5.1730 4.7397 4.4924 4.3330 4.1635 3.4884 3.1652 3.1598 3.0457 2.9624 2.7816 9.4 28.3 10.5 10.1 Intensidad relativa 100.0 37.5 6.8 6.8 16.5 86.9 20.1 18.7 10.2 6.1 10.1 5.7 17.3 9.6 12.0 Anexo A.4.6 Figura A.4.6. Volúmenes de retención de benceno, tolueno y xileno, en función de la temperatura de adsorción para los sólidos Mn0.5Co0.5(BDC)(H2O)2 y Mn0.5Cd0.5(BDC)(H2O)2 5 A.5: Anexos Capítulo V. Enrejados Metal-Orgánicos Zeolíticos. Anexo A.5.1. Figura A.5.1. Estructura cristalina de los ZIFs hipotéticos minimizados. N: azul, C: gris, H: blanco y Zn: tetraedros naranja. El código de tres letras se refiere a la nomenclatura de materiales zeolíticos de la base de datos IZA {IZA, #119}. 1 Anexo A.5.2. Figura A.5.2. Estructura cristalina de los Z-POMOFs simulados. En cada recuadro se muestra la red de la zeolita o mineral patrón representado por un diagrama de varas (izquierda) y a la derecha el correspondiente Z-POMOF en representación de poliedros con el ión de ε-Keggin en azul y el 1,4BDC en varas naranjas. El código de tres letras se refiere a la nomenclatura de materiales zeolíticos de la base de datos IZA {IZA, #119}. 2 Anexo A.5.3. Figura A.5.3. Variaciones de las energías desglosadas de los Z-POMOFs con la densidad topológica expresada como el número de ε-Keggin por celda unidad. 3 Anexo A.5.4. Figura A.5.4. Espectro de infrarrojo del Z-POMOF1 en pastilla de KBr. Anexo A.5.5. Figura A.5.5. Espectros de RMN de (a) 31P y (b) 1H de la solución saturada en DMSO del Z-POMOF1. 4 Anexo A.5.6. Tabla A.5.1. Distancias Mo-O y Mo-Mo (Å) y cálculos de la Sumatoria de Enlaces de Valencia. Mo1 O11 O2 O4 O16 O8 O6 Mo3 Distance 1.6660 (0.0028) 1.9513 (0.0029) 1.9627 (0.0028) 2.0096 (0.0029) 2.0519 (0.0031) 2.5148 (0.0024) 2.6090 (0.0005) Σ = 5.29 Mo2 O21 O5 O3 O18 O20 O9 Mo6 Distance 1.6668 (0.0033) 1.9456 (0.0028) 1.9705 (0.0029) 2.0070 (0.0031) 2.0498 (0.0027) 2.5327 (0.0027) 2.6058 (0.0005) Σ = 5.28 Mo3 O22 O4 O2 O14 O20 O9 Mo1 Distance 1.6586 (0.0030) 1.9505 (0.0031) 1.9610 (0.0029) 2.0027 (0.0029) 2.0527 (0.0029) 2.5578 (0.0027) 2.6090 (0.0005) Σ = 5.30 Mo4 O13 O16 O19 O1 O1 O6 Mo4 Distance 1.6830 (0.0030) 1.8194 (0.0028) 1.8203 (0.0030) 2.0142 (0.0027) 2.0168 (0.0026) 2.5905 (0.0025) 3.1855 (0.0007) Σ = 6.01 Mo5 O17 O14 O18 O10 O10 O9 Mo5 Distance 1.6886 (0.0031) 1.8136 (0.0027) 1.8234 (0.0031) 2.0013 (0.0029) 2.0318 (0.0032) 2.5840 (0.0027) 3.1791 (0.0009) Σ = 5.99 Mo6 O15 O3 O5 O19 O8 O6 Mo2 Distance 1.6682 (0.0031) 1.9557 (0.0026) 1.9633 (0.0029) 2.0105 (0.0029) 2.0452 (0.0029) 2.5526 (0.0025) 2.6058 (0.0005) Σ = 5.26 O8 Mo6 Mo1 Distance 2.0452 (0.0029) 2.0519 (0.0030) Σ = 1.36 O20 Mo2 Mo3 Distance 2.0498 (0.0027) 2.0527 (0.0029) Σ = 1.35 5 Anexo A.5.7. Propiedades electroquímicas del Z-POMOF1. Se realizaron estudios de voltametría cíclica al Z-POMOF1 en electrolitos acuosos. Los experimentos se llevaron a cabo en estado sólido atrapando el Z-POMOF1 en pasta de carbon (CPE) {Keita, 2007 #316} o en alcohol polivinílico (PVA). En la Figura A.5.6 se muestran las curvas representativas de voltametrías cíclicas (CV) registradas a 200 mVs-1 con el Z-POMOF1 y como comparación la del εLaCl inmobilizado en pasta de carbono (CPE), en m pH=2. El dominio de potencial explorado es restringido a las ondas del proceso reversible de los centros Mo(IV) y Mo(V). Son conocidas las tres parejas redox del ε-La para polioxometalatos con estructuras tipo Keggin o Wells-Dawson {Pope, 1983 #317} , con tres procesos bielectrónicos consecutivos a pH 2. El sistema de ondas del ε-La y del ε-Zn@ZPOMOF1 muestran diferentes características electroquímicas referentes a la ubicación de los picos de potencial y la morfología de los mismos. La tercera pareja de ondas del ε-Zn@Z-POMOF1 se desdobla en dos ondas pequeñas a diferencia de la tercera pareja de ondas de ε-La que es única; este desdoblamiento está asociado con las propiedades ácido-base de las especies reducidas del ε-Zn en el Z-POMOF1. Entonces, los procesos inducidos en las ondas, que se muestran más favorables con el εLa, son del tipo Electroquímico-Químico-Electroquímico (EQE) o Electroquímico-ElectroquímicoQuímico, a pH 2. Los potenciales de los picos reducidos se observan en la Tabla A.5.2. 7 J / µΑ cm -2 5 2 0 -2 ε - Zn ε - La -5 -7 -0.2 0.0 0.2 0.4 E / V vs. S C E Figura A.5.6. Curvas de Voltametría Cíclica de ε-Zn@Z-POMOF1 and ε-La en electrodos modificados de pasta de carbono sumergidos en un pH = 2(1 M LiCl/HCl), con una velocidad de 200 mVs-1(El electrodo de referencia fue un electrodo saturado de Calomel = SCE). Tabla A.5.2. Potenciales de los picos de oxidación-reducción (Epc y Epa) medidos en las curvas de VC de ε -Zn y ε -La mostrados en la Figura A.5.6. Complejo Epc1 V Epa1 V Epc2 V Epa2 V Epc3 V Epa3 V Epc4 V ε - Zn@Z0.172 0.191 0.005 0.048 -0.130 -0.173 -0.221 POMOF1 0.193 0.254 0.013 0.050 -0.205 -0.156 ε - La Los centros de Mo(V) del Z-POMOF1 son también electroactivos, y están asociados con la onda ancha de oxidación multielectrónica irreversible (Figura A.5.6) en concordancia con observaciones previas de Voltametría Ciclica para ε-LaCl{Keita, 2007 #318} y numerosos polioxometalatos de Mo(V) {Dolbecq, 2009 #319}. Después de la oxidación de los centros de Mo(V), se observa una curva de VC clásica. En la Figura A.5.7.a se muestran estas curvas de VC, para diferentes potenciales registrados. La variación de la intensidad de la corriente del pico como función de la velocidad del registro se aprecia en la Figura A.5.7.b, específicamente para el tercer pico de reducción, esta linealidad indica un proceso de control de superficie. 6 Figura A.5.7. (a) Curvas de Voltametría Cíclica como función de la velocidad de registro (de adentro hacia fuera 10, 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140,160, 180 y 200 mV s-1, respectivamente) y (b) variaciones de la intensidad de la corriente de Z-POMOF1-CPE en pH 2(1M LiCl/HCl) y dependencia de los picos de corriente anódica y catódica de la tercera onda en función de la velocidad de registro, R = 0.998. (El electrodo de referencia fue un electrodo saturado de Calomel = SCE). El sólido Z-POMOF1 se embebió directamente en carbón vítreo o en capas delgadas de PVA, demostrándose así que los tres métodos utilizados son factibles para el montaje de Z-POMOF1 en estado sólido, ya que se obtiene perfecta reproducibilidad de las curvas de VC, durante ciclos prolongados de potenciales, verificando la durabilidad de los electrodos. Estos resultados confirman la importante diferencia entre el comportamiento del Z-POMOF1 y el εLaCl: la alta solubilidad del ε-LaCl en agua implica la corta vida de los electrodos, mientras que el enrejado insoluble de Z-POMOF1 permite la fabricación de electrodos duraderos, que además, pueden ser usados en diferentes electrolitos de soluciones de sulfatos, donde el ε-La es inestable. En resumen, la actividad electroquímica del bloque de construcción ε-Zn en el enrejado de Z-POMOF1 se mantiene, permitiendo con ello la fabricación de electrodos de larga vida. 7