Síntese de estruturas metal-orgânicas à base de Zr funcionalizadas com triazólicos e tetrazólicos através da troca pós-sintética de ligantes

Estruturas metal-orgânicas (MOFs) são materiais porosos tridimensionais que são formados através de ligações de coordenação entre clusters metálicos e ligantes orgânicos multitópicos. Os MOFs têm recebido atenção significativa devido à sua porosidade permanente, baixa densidade e capacidade de associar componentes orgânicos e inorgânicos, o que possibilita diversas aplicações ^1,2. Além disso, a vasta gama de nós metálicos e ligantes orgânicos de escoras oferecem aos MOFs combinações estruturais teoricamente ilimitadas. Mesmo com estruturas de estrutura idênticas, as propriedades físicas e químicas dos MOFs podem ser modificadas através da funcionalização de ligantes com etiquetas químicas. Este processo de modificação oferece uma rota promissora para adequar as propriedades dos MOFs para aplicações específicas 3,4,5,6,7,8,9.

Tanto a pré-funcionalização dos ligantes antes da síntese do MOF quanto a modificação pós-sintética (MSP) dos MOFs têm sido empregadas para introduzir e/ou modificar grupos funcionais nos ligantes do^MOF10,11. Em particular, PSMs covalentes têm sido extensivamente estudados para introduzir novos grupos funcionais e gerar uma gama de MOFs com diversas funcionalidades^12,13,14. Por exemplo, o UiO-66-NH₂ pode ser convertido em UiO-66-AMs funcionalizados com amida com diferentes comprimentos de cadeia (variando da acetamida mais curta à n-hexilamida mais longa) através de reações de acilação com haletos de acila apropriados (como cloreto de acetila ou cloreto de n-hexanoila)^15,16. Essa abordagem demonstra a versatilidade de PSMs covalentes para introduzir grupos funcionais específicos em ligantes MOF, abrindo caminho para uma ampla gama de aplicações.

Além das PSMs covalentes, a pós-troca sintética de ligantes (PSE) é uma estratégia promissora para modificar MOFs (Figura 1). Como os MOFs são compostos por ligações de coordenação entre metais e ligantes (como carboxilatos), essas ligações de coordenação podem ser substituídas por ligantes externos de uma solução. A exposição de MOFs a uma solução contendo o ligante desejado com etiquetas químicas pode ser incorporada aos MOFs via PSE 17,18,19,20,21,22. Como o processo de PSE é acelerado pela existência de solventes coordenativos, o fenômeno também é chamado de troca de ligante assistida por solvente (SALE)^23,24. Esta abordagem oferece um método flexível e fácil para funcionalizar MOFs com uma ampla gama de ligantes externos, possibilitando um amplo espectro de aplicações 25,26,27,28,29.

Figura 1: Síntese dos ligantes H₂BDC funcionalizados com triazólico e tetrazólio e preparação do MOF UiO-66 funcionalizado com triazólico e tetrazólio através do PSE. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

O progresso do processo PSE pode ser controlado ajustando a razão do ligante, a temperatura de troca e o tempo. Notavelmente, o PSE à temperatura ambiente pode ser empregado para obter MOFs funcionalizados através da troca de ligantes de uma solução em sólidos MOF²⁰. A estratégia PSE é particularmente útil para introduzir grupos funcionais termicamente instáveis (como grupos azido) e grupos funcionais coordenativos (como grupos fenólicos) em estruturas de MOF¹⁸. Além disso, a estratégia PSE tem sido aplicada a vários MOFs com variações metálicas e de ligações de coordenação. Esta troca é um processo universal na química de MOFs^30,31,32. Neste estudo, apresentamos um protocolo detalhado para PSE para obter MOFs funcionalizados a partir de MOFs puros e não funcionalizados, e fornecemos uma estratégia de caracterização para confirmar o sucesso da funcionalização dos MOFs. Este método demonstra a versatilidade e conveniência do PSE para modificar MOFs com diversos grupos funcionais.

O ácido benzeno-1,4-dicarboxílico (H 2 BDC-Tetrazólio)³³ e o ácido benzeno-1,4-dicarboxílico contendo triazólicos (H₂BDC-Triazol)são sintetizados como ligantes-alvo e utilizados no PSE de MOFs UiO-66 para obter novos MOFs contendo triazóis, livres de coordenação. Tanto os triazóis quanto os tetrazóis possuem prótons N-H ácidos em seus anéis heterocíclicos e podem se coordenar com cátions metálicos, possibilitando seu uso na construção de MOFs^34,35. No entanto, existem estudos limitados sobre a incorporação de tetrazóis e triazóis livres de coordenação em MOFs e estruturas relacionadas. No caso de Zr-MOFs funcionalizados com triazóis, MOFs do tipo UiO-68 foram investigados quanto às propriedades fotofísicas através da síntese solvotérmica direta com funcionalidades de benzotriazol³⁶. Para Zr-MOFs funcionalizados com tetrazólio, a síntese direta mista foi empregada³³. Esses MOFs funcionalizados com heterociclos poderiam fornecer potenciais locais de coordenação em poros MOF para catálise, captação molecular seletiva por afinidade de ligação e aplicações relacionadas à energia, como condução de prótons em células a combustível.