Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) sind hochporöse Materialien, welche aus Metallionen oder –clustern und sogenannten organischen Linkern bestehen. Aufgrund ihres modularen Aufbaus lassen sich gewünschte Eigenschaften der Materialien relativ leicht konstruieren und somit für Anwendungen hoch spezialisierte Materialien generieren. Neben klassischen Anwendungen poröser Materialen wie Gasspeicherung, Gastrennung und Katalyse kommen sie auch für speziellere Anwendungsgebiete in Sensoren oder als Wirkstoffträger für Medikamente in Frage. Insbesondere das flexible Verhalten einiger MOFs unter physikalischen oder chemischen Stimuli schafft dabei interessante Möglichkeiten. Flexible MOFs verändern zum Beispiel unter Einwirkung von Druck oder Gasen ihre Kristallstruktur, sodass bei Adsorptionsprozessen variables Verhalten auftreten kann. Einer der MOFs, welcher derartiges Verhalten aufweist ist DUT-13 (Dresden University of Technology Material Nummer 13). Dieser MOF hat eine offenporige (op) Phase, welche bei der Adsorption von Gasen wie Stickstoff, Methan und CO2 zu einer geschlossenen (cp) Phase kontrahiert. Eine weitere Drucksteigerung beim Adsorptionsprozess öffnet das Porensystem wieder. Diese Art der Flexibilität wird als breathing bezeichnet. Ein anderer MOF der diese Art von Flexibilität aufweist, ist DUT-49. Im Gegensatz zu DUT 13 zeigt dieser MOF allerdings zusätzlich das kontraintuitive Phänomen der negativen Gasadsorption (NGA). Bei dieser wird während des Adsorptionsprozesses in einem bestimmten Druckbereich bei der Phasentransformation von der op zur cp Phase Gas desorbiert, da in der op Phase zu diesem Zeitpunkt bereits mehr Gas adsorbiert ist, als in die cp Phase hineinpasst. Wichtig für das Auftreten dieses Phänomens ist also die Metastabilität der teilweise beladenen op Phase. Diese kann durch Faktoren wie Kristallitgröße, Temperatur, Adsorptiv, Metall im MOF und Porengröße beeinflusst werden. Da das Phänomen bisher nur in DUT-49 und isoretikulären Strukturen (Strukturen gleicher Netzwerktopologie) aufgetreten ist, soll das Phänomen im Rahmen dieser Arbeit auf andere Netzwerktopologien übertragen werden. Da der Flexibilitätsmechanismus in DUT-49 auf dem Verbiegen des Linkers beruht und dessen Eigenschaften somit großen Einfluss auf die Phasentransformation haben, wurde mit der näheren Untersuchung eines MOFs mit sehr ähnlichem Linker, DUT-13, begonnen. In dieser Arbeit wird die bisher unbekannte cp Phase von DUT-13 und der zugrundeliegende Flexibilitätsmechanismus des Netzwerkes aufgeklärt. Außerdem wird der Einfluss der Temperatur auf das Adsorptionsverhalten von DUT-13 geprüft. Zusätzlich wird durch die Synthese einer isoretikulären Serie von DUT-13-analogen MOFs der Einfluss der Porengröße auf die Flexibilität des Netzwerkes untersucht. So wird unter Anderem der hochflexible neue MOF DUT-190 hergestellt, welcher über den gesamten Temperaturbereich von Siedepunkt bis zum kritischen Punkt bei der Methanadsorption flexibles Verhalten zeigt. Außerdem wird an diesem neuen MOF der Einfluss des Metalls auf die Flexibilität untersucht, indem ein postsynthetischer Metallaustausch durchgeführt wird. Da die synthetisierten Linker der isoretikulären Reihe zu hohe Flexibilität in den MOFs induziert haben, wurden außerdem Linker hergestellt, welche die beiden äußeren Phenylringe am Linker durch eine Ethyleneinheit verbrücken. Auf Basis der so entstandenen Linker wurden weitere neue MOFs synthetisiert, welche das seltene Motiv von Siebenringen in MOFs einführen. Einer der so erhaltenen MOFs, DUT-193, weist dabei eine bisher unbekannte neue Netzwerktopologie auf. DUT 193 zeigt zudem hohe Porosität und rigides Verhalten. Um das Verständnis für die Anforderungen an den Linker zur Erzeugung von NGA zu erweitern, wurden abschließend einige Tests zum postsynthetischen Linkeraustausch an DUT-13 und DUT-49 durchgeführt, um den rigideren DUT-49-Linker in DUT-13 einzubauen und umgekehrt.:Danksagung I Inhaltsverzeichnis III Abkürzungsverzeichnis VI Theoretischer Teil 1 1 Motivation 1 2 Stand der Forschung 3 2.1 Was sind Metallorganische Gerüstverbindungen? 3 2.2 Isoretikuläre Chemie und Netzwerktopologien 4 2.3 MOF-Synthese und Aktivierung 8 2.3.1 Konventionelle Synthesen 8 2.3.2 Postsynthetischer Linkeraustausch 9 2.3.3 Postsynthetischer Metallaustausch 10 2.3.4 Aktivierung von MOFs 11 2.4 Röntgendiffraktometrie 12 2.5 Adsorption 16 2.6 Strukturelle Flexibilität in MOFs 22 Experimenteller Teil 28 3 Generelle Angaben 28 3.1 Chemikalien 28 3.2 Methoden 30 3.2.1 Methoden zur Charakterisierung der organischen Verbindungen 30 3.2.2 Methoden zur Handhabung und Charakterisierung synthetisierter MOFs 31 4 Synthesen.. 37 4.1 Linkersynthesen 37 4.1.1 Synthese des Linkers H4ndtb (Naphthalen-2,6-diamin-tetrabenzoesäure) 37 4.1.2 Synthese des Linkers H4benztb (Benzidintetrabenzoesäure) 38 4.1.3 Route 1 zur Synthese des Linkers H4benztpb (Benzidin-tetra-(p-phenylbenzoesäure)) 39 4.1.4 Route 2 zur Synthese des Linkers H4benztpb 40 4.1.5 Synthese des Linkers H4tpdatb (p-Terphenyldiamin-tetrabenzoesäure) 42 4.1.6 Synthese des Linkers H4BBCDC (9,9'-([1,1'-Biphenyl]-4,4'-diyl)bis(9H-carbazole-3,6-dicarbonsäure)) 44 4.1.7 Synthese der Linker H4TBBDDADC (5,5'-(3,3',5,5'-Tetramethyl-[1,1'-biphenyl]-4,4'-diyl)bis(10,11-dihydro-5H-dibenzo[b,f]azepin-2,8-dicarbonsäure)) und H4BBDDADC (5,5'-([1,1'-Biphenyl]-4,4'-diyl)bis(10,11-dihydro-5H-dibenzo[b,f]azepin-2,8-dicarbonsäure)) 45 4.1.8 Synthesen weiterer Linker und Linkervorstufen 51 4.2 MOF-Synthesen 53 4.2.1 Basierend auf H4ndtb 53 4.2.2 Basierend auf H4benztb 54 4.2.3 Basierend auf H4tpdatb 54 4.2.4 Basierend auf H4benztpb 55 4.2.5 Basierend auf H4BBCDC 56 4.2.6 Basierend auf den Azepinlinkern H2DDADC, H4TBBDDADC und H4BBDDADC 56 5 Ergebnisse und Diskussion 58 5.1 DUT-13 (Zn4O(benztb)3/2) 58 5.1.1 Charakterisierung von DUT-13cp und dem Mechanismus der Phasentransformation 58 5.1.2 Methanadsorption bei unterschiedlichen Temperaturen 60 5.2 H4tpdatb basierte MOFs DUT-180 und DUT-190 61 5.2.1 DUT-180 (Zn2(tpdatb)(H2O)2) 62 5.2.2 DUT-190 (Zn4O(tpdatb)3/2) 64 5.2.3 Metallaustausch an DUT-190(Zn) 70 5.3 H4ndtb und H4benztpb basierte MOFs (DUT-181 und DUT-191 bzw. DUT-182 und DUT-192) 76 5.3.1 DUT-181 und DUT-191 basierend auf Zink und H4ndtb 77 5.3.2 DUT-182 und DUT-192 basierend auf Zink und H4benztpb 78 5.4 Azepinlinker basierte MOFs DUT-183, DUT-184, DUT-193 und DUT-194 81 5.4.1 DUT-193 (Zn4O(TBBDDADC)3/2) 84 5.4.2 DUT-184 (Zn2(BBDDADC)(NMP)2) 87 5.4.3 DUT-194 89 5.4.4 DUT-183 (Zn4O(DDADC)3) 90 5.5 DUT-13 und DUT-49 mit gemischten Linkern 91 6 Zusammenfassung und Ausblick 97 Literaturverzeichnis 101 Anhang 106 Kristallstrukturdaten 106 Abbildungen der Analytik zum Experimentalteil 108 NMR-Spektren: 111 ATR-IR-Spektren: 131 Ergänzende Abbildungen zur Auswertung 135

Au cours de ces dernières années, la microfluidique est devenue une technologie attrayante pour la synthèse en écoulement continu de dispersions colloïdales de nanocristaux. Ce procédé permet un contrôle optimal des paramètres de synthèse, offre une très bonne reproductibilité, et la possibilité de transposition à grande échelle. Dans une première partie, nous avons développé des synthèses microfluidiques et écologiques de cristaux ZIF 8, adaptables à une grande échelle de production, avec un écoulement monophasique ou biphasique (eau/alcane). La technologie microfluidique permet la synthèse rapide (10 min) de cristaux ZIF-8 avec une large variation de taille de particules (de 300 à 900 nm) simplement en faisant varier les paramètres expérimentaux (débit, température, ...). Les cristaux de ZIF-8 obtenus sont de forme géométrique dodécaèdrique rhombique, de structure cristalline sodalite et leur surface spécifique est d’environ 1700 m2/g. Puis, les propriétés catalytiques des particules ZIF-8 ont été évaluées. Des 3-cyanocoumarines et des cyanoesters α,β-insaturés ont été synthétisés avec des rendements variant de 89 à 95% via la réaction de Knoevenagel utilisant les particules ZIF-8 comme catalyseur hétérogène. Les particules de ZIF-8 peuvent être recyclées au minimum cinq fois. Dans la seconde partie de ce mémoire, nous avons synthétisé des QDs CdS dopé Mn2+ et Cu+ recouverts d’une coquille ZnS en microréacteur tubulaire avec un écoulement monophasique ou biphasique (eau/alcane). Différents paramètres expérimentaux (temps de séjour, température, pH, rapport molaire des précurseurs, concentration et nature des précurseurs, …) ont été évalués afin d’optimiser les propriétés optiques. Les QDs CdS dopé Mn2+ présentent uniquement l’émission de fluorescence liée à la transition 4T1→6A1 et leur rendement quantique de fluorescence est voisin de 10%. L’introduction d’une coquille ZnS en écoulement monophasique permet d’améliorer les propriétés optiques et de réduire les défauts des surfaces des QDs 6%Mn:CdS/ZnS (émission à 590 nm et rendement quantique de 20 %). L’introduction d’une coquille ZnS à la périphérie des QDs Cu:CdS ne permet pas d’améliorer de manière significative le rendement quantique de fluorescence. Dans la dernière partie, la synthèse en microréacteur avec écoulement monophasique ou biphasique (eau/alcane) de QDs ZnS dopé Mn2+ a été développée. Les QDs obtenus possèdent un rendement quantique de 13% s’ils sont préparés en écoulement monophasique / In recent years, microfluidics has become an attractive technology for the continuous flow synthesis of colloidal nanocrystals. This technology allows a good control of the synthesis parameters, a good reproducibility and the possibility of the application on a large scale. In a first part, we have developed continuous and ecological syntheses of the ZIF-8 crystals for the large scale, either with a monophasic or a biphasic flow (water/alkane). The microfluidic technology allows the fast synthesis (10 min) of ZIF-8 crystals over a wide size range (from ca. 300 to 900 nm) simply by varying the experimental parameters (flow rates, temperature,…). ZIF-8 crystals with the stable rhombic dodecahedron shape, of sodalite structure and with a high specific surface area (ca. 1700 m2.g-1) were obtained. Next, the catalytic properties of ZIF-8 crystals were evaluated. These particles were demonstrated to be an efficient heterogeneous catalyst for the Knoevenagel synthesis of α,β-unsaturated cyanoesters and of 3-cyanocoumarins using 2-hydroxy aromatic aldehydes and ethyl cyanoacetate as starting materials (yields ranging from 89 to 95%). The ZIF-8 particles can be recycled at least five times with negligible changes in catalytic performances. In the second part, we synthesized the Mn2+ or Cu+-doped CdS QDs coated with a ZnS shell in a tubular microreactor using a monophasic or a biphasic flow (water/alkane). Various experimental parameters (time, temperature, pH, molar ratio, concentration and nature of the starting materials) were evaluated to optimize the optical properties of the dots. The obtained Mn2+ doped CdS QDs exhibited a photoluminescence emission related to the 4T1 → 6A1 transition with quantum yields higher than 10%. The introduction of a ZnS shell with the monophasic flow allows to improve the optical properties and to reduce the surface defects of the 6% Mn:CdS/ZnS QDs (strong emission at 590 nm and quantum yields of ca. 20%). The introduction of a ZnS shell on the surface of Cu doped CdS QDs does not significantly improve the quantum yields. Finally, the synthesis of Mn2+-doped ZnS QDs with monophasic or biphasic flow (water/alkane) was developed. The dots have a photoluminescence quantum yield of 13% if they are prepared in a monophasic water flow

Ziel der durchgeführten Arbeiten war die Etablierung neuer Synthesestrategien zur Gewinnung chiraler metall-organischer Gerüstverbindungen (engl: Metal-Organic Frameworks, MOFs). Hierfür wurden drei verschiedene Ansätze verfolgt. Zunächst sollte die Einbringung einer chiralen Dicarbonsäure mit einem 2,2´-Spirobiindan-Gerüst in ein MOF-Netzwerk untersucht werden. Im Rahmen einer Kooperation wurden neue mit chiralen Oxazolidinonen substituierte 4,4´,4´´-Benzol-1,3,5-triyl-tribenzoesäuren H3ChirBTB-n (n = 1, 2) entwickelt, die ebenfalls zur Synthese neuer chiraler MOFs dienten. Die Modifizierung bekannter nicht-chiraler metall-organischer Gerüstverbindungen mit koordinativ ungesättigten Metallatomen durch Anbindung chiraler Amine stellte die dritte Synthesestrategie dar. Im Rahmen der letztgenannten Syntheseroute wurde für MIL-101 (MIL = Matérial Institut Lavoisier) eine sehr hohe katalytische Aktivität in der Cyanosilylierung von Benzaldehyd nachgewiesen. Die Umsetzung mit chiralen Aminen führte jedoch nicht zu einem enantioselektiven Katalysator. Im Gegensatz dazu konnten die ersten beiden Synthesewege zur Gewinnung neuer chiraler metall-organischer Gerüstverbindungen erfolgreich beschritten werden. Durch solvothermale Reaktion von (S)-2,2´-Spirobiindan-5,5´-dicarbonsäure ((S)-H2Spiro-BIDC) mit Zinknitrat in N,N-Dimethylformamid (DMF) wurde eine neue chirale metall-organische Gerüstverbindung namens DUT-7 (DUT = Dresden University of Technology) der Zusammensetzung Zn4O((S)-Spiro-BIDC)3 dargestellt. Neben einer unerwarteten, zweifach interpenetrierten Netzwerkstruktur mit hexagonalen Kanälen weist DUT-7 eine für MOFs bislang noch nicht beobachtete temperaturinduzierte, reversible Strukturänderung auf. Die zweite neue Strategie zur Gewinnung chiraler MOFs beinhaltete die Umsetzung der chiralen Tricarbonsäuren H3ChirBTB-n, die entweder (S)-4-iso-Propyl- (n = 1) oder (S)-4-Benzyl-1,3-Oxazolidin-2-on-Substituenten (n = 2) tragen. Die beiden gewonnenen Verbindungen Zn3(ChirBTB-1)2 und Zn3(ChirBTB-2)2 weisen trotz gleicher Zusammensetzung völlig unterschiedliche Kristallstrukturen auf. Beide Materialien wurden erfolgreich in der Mukaiyama-Aldol-Reaktion von Benz- bzw. 1-Naphthaldehyd mit 1-Methoxy-2-methyl-1-(trimethylsiloxy)propen eingesetzt, wobei ihre katalytische Aktivität mit verschiedenen Referenzkatalysatoren verglichen wurde. Die erzielten Enantiomerenüberschüsse (ee) liegen zwischen 6 und 16%. Auf der Suche nach neuen, für die Einbringung der ChirBTB-n-Liganden geeigneten MOF-Strukturen wurde auch die Umsetzung der reinen, nicht chiralen 4,4´,4´´-Benzol-1,3,5-triyl-tribenzoesäure (H3BTB) untersucht. Die Reaktion mit Nickelnitrat führte zur Bildung einer neuen hochporösen Verbindung namens DUT-9 mit der Zusammensetzung Ni5O2(BTB)2(DEF,DMF)4(H2O)4. DUT-9 weist neben den auf dem Gebiet der MOF-Forschung bislang unbekannten Ni5O2-Clustern eine noch nicht beschriebene dreidimensionale (3,6)-Netzwerktopologie auf. Das neue Material zeigt zudem exzellente Speicherkapazitäten für Wasserstoff, Methan und Kohlenstoffdioxid. / The present work aims on the search for new synthesis strategies towards chiral Metal-Organic Frameworks (MOFs). Three different approaches were pursued. Initially, the integration of a chiral dicarboxylic acid with a 2,2´-spirobiindane backbone into a MOF network was investigated. Within a cooperation, new 4,4´,4´´-benzene-1,3,5-triyl-tribenzoic acids H3ChirBTB-n (n = 1,2) with chiral oxazolidinone substituents were developed which were also used for the assembly of chiral MOFs. The third synthesis strategy involved the tethering of chiral amines to coordinatively unsaturated metal atoms of known non-chiral Metal-Organic Frameworks. Within the last-mentioned approach, the very high catalytic activity of MIL-101 (MIL = Matérial Institut Lavoisier) towards the cyanosilylation of benzaldehyde was demonstrated. Treatment with chiral amines did not lead to an enantioselective catalyst. In contrast, the first two synthesis strategies could be performed successfully. A new MOF named DUT-7 (DUT = Dresden University of Technology) with composition Zn4O((S)-Spiro-BIDC)3 was obtained by solvothermal reaction of (S)-2,2´-spirobiindane-5,5´-dicarboxylic acid ((S)-H2Spiro-BIDC) with zinc nitrate in N,N-dimethylformamide (DMF). Besides an unexpected, two-fold interpenetrated framework structure with hexagonal channels, DUT-7 shows a temperature induced, reversible structure transformation not yet observed. The other new strategy to obtain chiral Metal-Organic Frameworks involved the conversion of the chiral tricarboxylic acids H3ChirBTB-n bearing either a (S)-4-iso-propyl- (n = 1) or a (S)-4-benzyl-1,3-oxazolidin-2-one substituent (n = 2). Though having the same framework composition, the new compounds Zn3(ChirBTB-1)2 and Zn3(ChirBTB-2)2 exhibit completely different crystal structures. Both materials were tested in the Mukaiyama aldol reaction between benzaldehyde or 1-naphthaldehyde, respectively, and 1-methoxy-2-methyl-1-(trimethylsiloxy)propene and their catalytic activity was compared to different reference catalysts. Enantiomeric excess values (ee) between 6 and 16% were obtained. In search of new MOF structures being suitable for the integration of the ChirBTB-n linkers, the conversion of the pure, non chiral 4,4´,4´´-benzene-1,3,5-triyltribenzoic acid (H3BTB) was investigated. The reaction with nickel nitrate lead to the formation of a new, highly porous compound Ni5O2(BTB)2(DEF,DMF)4(H2O)4 named DUT-9. Besides Ni5O2 clusters which are a novelty in MOF chemistry, DUT-9 exhibits a three dimensional (3,6)-network topology not yet described. In addition, the new material shows excellent storage capacities for hydrogen, methane and carbon dioxide.

Die Entwicklung und Synthese im Bereich neuartiger poröser Systeme, im speziellen Metallorganische Gerüstverbindungen (engl.: Metall-organic Frameworks; MOFs), wird weltweit in vielen Forschergruppen intensiv bearbeitet. Aufgrund der Möglichkeit, dass sich die Materialeigenschaften individuell designen lassen und letztendlich spezifische Eigenschaften für eine ausgewählte Anwendung bereitgestellt werden können, stellen MOFs für einen weiten Forscherkreis eine interessante Materialienklasse dar. Im Rahmen dieser Arbeit stand die Synthese von neuartigen MOFs im Vordergrund, welche geeignete Eigenschaften für eine effiziente Speicherung von Gasen im Nieder- als auch im Hochdruckbereich besitzen. Dabei wurde zum einen Augenmerk auf die Synthese mesoporöser MOF-Systeme gelegt. Hier lag die größte Herausforderung darin, die erhaltenen hochporösen Materialien in einer stabilen gastfreien Form zu erhalten. Ein weiterer Schwerpunkt war die Untersuchung von flexiblen MOF-Verbindungen und deren Eigenschaften in Abhängigkeit der Synthesebedingungen und der adsorbierten Spezies. Auf Basis der Copolymerisation verschiedener multifunktioneller Linkermoleküle konnten zwei mesoporöse Verbindungen und dazugehörige Isomorphe synthetisiert werden (DUT-6, DUT-23; DUT = Dresden University of Technology). Mit diesen Verbindungen konnte über die Kombination von unterschiedlich funktionellen Linkermolekülen eine erhöhte Netzwerkstabilität und damit einhergehend erhöhte Porosität erhalten werden. Sämtliche Verbindungen zeigen ausgezeichnetes adsorp-tives Verhalten und können aufgrund ihrer verschiedenen Eigenschaften in Bereichen der Hochdruckadsorption, Katalyse oder enantioselektiven Trennung Einsatz finden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das flexible Verhalten der „pillar-layer“ Verbindungen DUT-8(M) (M = Ni, Co, Zn, Cu) näher untersucht. Diese isomorphe Reihe zeichnet sich durch ihre hohe Netzwerkflexibilität in Abhängigkeit der integrierten Gastmoleküle sowie dem vorliegendem Metall-Dimer aus. DUT-8(M) zeigt unterschiedliche Adsorptionseigenschaften und unterschiedliches Stabilitäts- sowie Flexibilitätsverhalten.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Hybrid coordination networks such as metal-organic networks, also known as MOF (Metal Organic Framework), have attracted great attention from the scientific community due to their wide diversity and wide range of applications, however, the investigation of applications of these structures still forms a large area of research, with great exploration potential, either through experimental or theoretical chemistry. The present work aims at the use of computational chemistry methods with focus on semiempirical methods for the study of MOFs, so we will initially address results regarding the evaluation of the prediction capacity of solid phase structures of MOFs containing lanthanide as a metallic center. Performed using the semi-empirical methods Sparkle/AM1, Sparkle/PM3, Sparkle/PM6, Sparkle/PM7, Sparkle/RM1 and RM1. The results obtained from the calculation of optimization of the structures suggest that the Sparkle/PM3 and Sparkle/RM1 methods provide more accurate results, with less variability and great agreement with the experimental data, both structural and luminescent. The health application study initially evaluated the structure of the drug doxorubicin and MOF ZnDBC ([Zn(BDC)(H2O)2]n), and then evaluated the drug’s anchoring potential, in order to obtain results that justify the MOF to be chosen as a candidate for application as a drug carrier. This analysis resulted in obtaining a viable anchorage between the MOF lamellae. A simulation of the effects of temperature variation on the structure of the MOF EuBTC ([Eu2(MELL)(H2O)6]) and its effect on the luminescent properties was performed to obtain data that could validate your application with gunshot residues marker, aiming at its use in public safety. This analysis explored the potential of structural description of Sparkle/PM3 as well as the obtaining of luminescent properties, which led to the conclusion that the increase in temperature resulted in an increase in the emission quantum yield caused by the loss of water molecules contained in the first sphere of the coordinating polyhedron. For the application of MOFs in energy, an investigation was carried out regarding the degree of adsorption of the hydrogen gas and methane in the IRMOF-8 and in this one after the doping of its aromatic rings with aluminum atoms, in order to elucidate the effect that the realization of this Doping brings the storage capacity of these gases, for use in gas storage cylinders used in motor vehicles. And it was verified a slight reduction in the storage capacity of the methane gas, since for the hydrogen gas no significant changes were verified. Finally, a study was carried out to evaluate the capture capacity of carbon dioxide and hydrogen sulfide gases in IRMOF-8 and in this doped with aluminum, so the same structure of the previous study was used. It was found that doping gave a considerable increase in the degree of adsorption, being more effective for the carbon dioxide, whose interactions had energy of magnitude of a chemical adsorption. / As redes metalorgânicas também conhecidas como MOF (do inglês Metal Organic Framework) têm atraído grande atenção da comunidade científica devido a sua ampla diversidade e vasta gama de aplicações. Entretanto, a investigação de aplicações destas estruturas ainda configura uma grande área de pesquisa, com potencial de exploração, seja por meio de um viés experimental ou teórico. O presente trabalho tem como objetivo o uso de métodos de química computacional com foco em métodos semiempíricos para o estudo das MOFs. Assim, inicialmente abordaremos resultados referentes à avaliação da capacidade de predição das estruturas em fase sólida de MOFs contendo íons lantanídeos como centro metálico. Este estudo foi realizado através do uso dos métodos semiempíricos Sparkle/AM1, Sparkle/PM3, Sparkle/PM6, Sparkle/PM7, Sparkle/RM1 e o RM1. Os resultados obtidos a partir do cálculo de otimização das estruturas sugerem que o método Sparkle/PM3 e o Sparkle/RM1 proporcionam resultados mais exatos, com menor variabilidade e grande concordância com os dados experimentais, tanto estruturais como luminescentes. Foi avaliado o potencial de ancoragem da doxorrubicina na MOF ZnDBC ([Zn(BDC)(H2O)2]n). Esta análise mostrou viabilidade de ancoragem entre as lamelas da MOF. Além disso, foi realizada uma simulação dos efeitos da variação da temperatura sobre as propriedades luminescentes da MOF EuBTC ([Eu2(MELL)(H2O)6). Com isso, buscou-se validar a aplicação desta MOF como marcador de resíduos de disparo de arma de fogo. Esta análise explorou o potencial de descrição estrutural do Sparkle/PM3, bem como obtenção de propriedades luminescentes. A elevação da temperatura resultou no aumento do rendimento quântico de emissão, causado pela perda de moléculas de água contidas na primeira esfera do poliedro de coordenação. Para aplicação de MOFs na área de energia, foi realizada uma investigação referente ao grau de adsorção de gás hidrogênio e metano na IRMOF-8. Foi realizada a inclusão de átomos de alumínio nos anéis aromáticos, visando elucidar qual o efeito provocado sobre a capacidade de armazenamento desses gases. A dopagem levou a uma leve redução na capacidade de armazenamento do gás metano. Já para o gás hidrogênio não foram verificadas alterações significativas. Por fim, foi feito um estudo de avaliação da capacidade de captura dos gases dióxido de carbono e sulfeto de hidrogênio na IRMOF-8, tanto pura quanto dopada com alumínio. Notou-se que a dopagem proporcionou um considerável aumento no grau de adsorção, sendo mais efetivo para o dióxido de carbono, cujas interações tiveram energia de magnitude de uma adsorção química. / São Cristóvão, SE

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-06-15T11:52:02Z No. of bitstreams: 1 carlavieirasoares.pdf: 4663634 bytes, checksum: 2b83afaaaca5d4ad67efb3c7313d7bb2 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-07-13T14:09:33Z (GMT) No. of bitstreams: 1 carlavieirasoares.pdf: 4663634 bytes, checksum: 2b83afaaaca5d4ad67efb3c7313d7bb2 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-13T14:09:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 carlavieirasoares.pdf: 4663634 bytes, checksum: 2b83afaaaca5d4ad67efb3c7313d7bb2 (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Cálculos de primeiros princípios baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) foram utilizados para investigar a adsorção de moléculas (CO2, CO, H2, CH4, N2, H2S, C4H4S, C2H4O2, C2H4O e H2O) na cavidade porosa da MOF formada por Zircônio e Tereftalato. A estrutura alvo deste trabalho denominada MIL-140A foi primeiramente validada, mostrando boa concordância com os dados espectroscópicos (Infravermelho e RMN), difratograma de raios X e parâmetros estruturais entre o modelo simulado e a estrutura experimental. Com os cálculos de estrutura eletrônica foi possível prever os sítios preferenciais para a adsorção, avaliar a força das interações adsorvente/adsorbato e determinar a ordem de seletividade para as moléculas na MIL-140A. O uso do funcional PBE aliado à correção DFT-D2 foi uma ferramenta valiosa para descrever a interação nesses sistemas. Devido ao fato das interações serem relativamente fracas, a contribuição da energia de ponto zero (EZPE) e da energia térmica (Evib(T)) são pequenas se comparadas com a contribuição das interações de dispersão. Assim, as energias vibracionais foram negligenciadas e H pôde ser aproximada para ΔEDFT. O bom acordo encontrado entre ΔEDFT e a entalpia de adsorção experimental para as moléculas (CO2, CO, CH4 e N2) comprova essa hipótese. A estabilidade da MIL-140A foi explorada mediante o cálculo da barreira de energia associada à reação de dissociação da molécula de água. O valor muito alto encontrado para a dissociação da molécula de água confirma que essa MOF se mantém estável. Os resultados demonstram que a MIL-140A pode ser um adsorvente ideal para a remoção de CO2 a partir de uma série de gases, por exemplo, gás natural, gás de síntese, biogás e gás de combustão. Além disso, a MIL-140A também pode ser utilizada na remoção do sulfeto de hidrogênio e tiofeno dos combustíveis, atuar como uma plataforma para reações envolvendo o ácido acético e reciclar o acetaldeído ejetado das indústrias. / First principle calculations based on Density Functional Theory (DFT) were used to investigate the adsorption of molecules (CO2, CO, H2, CH4, N2, H2S, C4H4S, C2H4O2, C2H4O and H2O) in a porous cavity of Zirconium terephthalate MOF. The MIL-140A was first validated by a very good agreement between the simulation and the experimental spectroscopic (Infra-red and NMR), X-ray diffraction and structural parameters of the selected MOF. The calculations of electronic structure further predicted the preferential adsorption sites, the strength of the host/guest interactions and determine the selectivity for molecules in MIL-140A. The use of the PBE XC functional integrating the DFT-D2 correction was valuable to accurately describe the interaction of those systems. Due relative weak interactions it is expected that the contribution of the zero point energies (ΔEZPE) and thermal energy contributions (ΔETE) are very small in comparison to the dispersion interactions contributions. Thus, the vibrational energies can be neglected and thus ΔH can be approximated to ΔEDFT. A very good agreement between ΔEDFT and the experimental adsorption enthalpy determined for the molecules (CO2, CO, CH4 e N2) confirms this assumption. The water stability of the MIL-140A was explored through the activation barrier associated to the dissociative chemisorption of water. Its high value confirms the very good water stability of this MOF. These results demonstrate that the MIL-140A could act as an ideal adsorvent for the removal of CO2 from a series of gases (e.g. natural gas, syngas, biogas and flue gas). Furthermore the MIL-140A can be able to remove hydrogen sulfide and thiophene from the fuels, act as a platform for reactions with acid acetic and recycle the acetaldehyde ejected from the factories.

La conception de matériaux capables de piéger sélectivement le CO2 revêt un enjeu majeur dans le développement de procédé de capture post-combustion pour de nombreux secteurs industriels. Nos travaux visent l'élaboration de nouveaux polymères de coordination de type MOF (“Metal-Organic Framework”) préparés par auto-assemblage de briques moléculaires polycarboxyliques avec des métaux de transition qui constituent les noeuds du réseau tridimensionnel. Ces matériaux hybrides microporeux présentent des propriétés d’adsorption du CO2 importantes. Notre approche a consisté à synthétiser des polymères de coordination dans le but d'accroître la capacité et la sélectivité d'adsorption du CO2 vis-à-vis d'autres gaz comme CO, CH4, N2 et O2 grâce à des interactions physiques impliquant le moment quadripolaire élevé du CO2 et le potentiel électrostatique existant dans les pores du matériau. Dans ce mémoire sont décrites les synthèses des différentes briques moléculaires organiques constituées de polyamines et de polyazamacrocycles Nfonctionnalisées par des terminaisons benzocarboxylate. Des matériaux homo- et hétéro- bimétalliques présentant des structures cristallines originales ont été obtenus à partir de briques moléculaires triazamacrocycliques N-fonctionnalisées par des terminaisons acides carboxyliques et différents cations métalliques (Zn2+, Co2+, Cd2+ et Ni2+). Les études de ces polymères de coordination poreux ont révélé leur capacité d’adsorption importante du CO2 avec une sélectivité remarquable dans les conditions normales de température et de pression. / The design of material able for CO2 capture is a major issue to achieve post-combustion capture process for many industries. Our work aims to develop new coordination polymer MOF (“Metal-Organic Framework”) prepared by self-assembling polycarboxylic linkers and transition metals. These microporous hybrids materials show important CO2 adsorption properties and are promising in the field of gas separation. The main topic of our work is to synthesise MOFs with high adsorption capacity and selectivity for CO2 over other gases (CO, CH4, N2 and O2). The gas-solid interactions are due to physical phenomena involving the high quadrupolar moment of CO2 and the electrostatic potential lying in the pore of the material. In this manuscript, the synthesis of various organic linkers incorporating N-functionalised polyamines and polyazamacrocycles with benzocarboxylate functions is described. Homo- and hetero- bimetallic materials with original tridimensional structure were obtained from a N-functionalised triazamacrocyclic linker and different metal cations (Zn2+, Co2+, Cd2+ and Ni2+). Studies of porous coordination polymers have shown high CO2 adsorption capacity with a remarkable selectivity in the ambient temperature and pressure conditions.

Cette thèse concerne la mise en forme et la structuration de polymères de coordination poreux (PCP, ou MOFs pour Metal-Organic Frameworks) au sein de membranes d'alumine macroporeuses (Øpores ˜ 200 nm), dont le rôle est double. Obtenus sous forme de cristaux, les MOFs sont fragiles. La membrane constitue d'une part une coque protectrice pour le polymère de coordination impliqué dans le matériau composite. D'autre part, elle fait office de matrice, permettant la fabrication de nanostructures unidimensionnelles (1D), obtenues après élimination sélective de la dite matrice. La fonctionnalisation préalable de la membrane, ainsi que les paramètres opératoires (concentration en réactifs, nombre de cycle de filtration, étape de lavage intermédiaire...) ont été largement étudiés, ce qui a permis d'élaborer avec succès plusieurs composites PCP/membrane. Ainsi, des composites incluant des PCP tels que HKUST-1, ZIF-8, et un matériau à transition de spin Fe(pz)[Ni(CN)4] ont été préparés. Pour le polymère de coordination ZIF-8, des nanofibres 1D ont été isolées avec succès après dissolution de la membrane. Tous les composites et les nano-objets résultants ont été amplement caractérisés en termes de morphologie (MEB, MET, AFM), de composition chimique (Raman, DRX, IR), et de propriétés (magnétiques ou d'adsorption/désorption de gaz). / This thesis aimed at the construction of porous coordination polymer (PCP, or MOFs Metal-Organic Frameworks for) within macroporous alumina membranes (Øpores ˜ 200 nm), whose role is twofold. Obtained as crystals, MOFs are fragile. The membrane firstly provides a protective shell for the coordination polymer embedded in the composite material. Moreover, the membrane acts as a matrix, enabling the elaboration of one-dimensional nanostructures (1D), obtained after selective elimination of the matrix. The functionalization of the membrane, and the experimental parameters (reagents concentration, number of cycles, intermediate washing-step...) have been widely studied. They allowed accessing various PCP/membrane composites. Composites involving HKUST-1, ZIF-8 and Fe(pz)[Ni(CN)4] spin transition MOFs have been prepared. For the coordination polymer ZIF-8, 1D nanofibers have been successfully isolated after dissolution of the membrane. These composites and the resulting nano-objects have been extensively characterized in terms of morphology (SEM, TEM, AFM), chemical composition (Raman, XRD, IR), and properties (magnetic or gas adsorption / desorption).

Ziel der durchgeführten Arbeiten war die Etablierung neuer Synthesestrategien zur Gewinnung chiraler metall-organischer Gerüstverbindungen (engl: Metal-Organic Frameworks, MOFs). Hierfür wurden drei verschiedene Ansätze verfolgt. Zunächst sollte die Einbringung einer chiralen Dicarbonsäure mit einem 2,2´-Spirobiindan-Gerüst in ein MOF-Netzwerk untersucht werden. Im Rahmen einer Kooperation wurden neue mit chiralen Oxazolidinonen substituierte 4,4´,4´´-Benzol-1,3,5-triyl-tribenzoesäuren H3ChirBTB-n (n = 1, 2) entwickelt, die ebenfalls zur Synthese neuer chiraler MOFs dienten. Die Modifizierung bekannter nicht-chiraler metall-organischer Gerüstverbindungen mit koordinativ ungesättigten Metallatomen durch Anbindung chiraler Amine stellte die dritte Synthesestrategie dar. Im Rahmen der letztgenannten Syntheseroute wurde für MIL-101 (MIL = Matérial Institut Lavoisier) eine sehr hohe katalytische Aktivität in der Cyanosilylierung von Benzaldehyd nachgewiesen. Die Umsetzung mit chiralen Aminen führte jedoch nicht zu einem enantioselektiven Katalysator. Im Gegensatz dazu konnten die ersten beiden Synthesewege zur Gewinnung neuer chiraler metall-organischer Gerüstverbindungen erfolgreich beschritten werden. Durch solvothermale Reaktion von (S)-2,2´-Spirobiindan-5,5´-dicarbonsäure ((S)-H2Spiro-BIDC) mit Zinknitrat in N,N-Dimethylformamid (DMF) wurde eine neue chirale metall-organische Gerüstverbindung namens DUT-7 (DUT = Dresden University of Technology) der Zusammensetzung Zn4O((S)-Spiro-BIDC)3 dargestellt. Neben einer unerwarteten, zweifach interpenetrierten Netzwerkstruktur mit hexagonalen Kanälen weist DUT-7 eine für MOFs bislang noch nicht beobachtete temperaturinduzierte, reversible Strukturänderung auf. Die zweite neue Strategie zur Gewinnung chiraler MOFs beinhaltete die Umsetzung der chiralen Tricarbonsäuren H3ChirBTB-n, die entweder (S)-4-iso-Propyl- (n = 1) oder (S)-4-Benzyl-1,3-Oxazolidin-2-on-Substituenten (n = 2) tragen. Die beiden gewonnenen Verbindungen Zn3(ChirBTB-1)2 und Zn3(ChirBTB-2)2 weisen trotz gleicher Zusammensetzung völlig unterschiedliche Kristallstrukturen auf. Beide Materialien wurden erfolgreich in der Mukaiyama-Aldol-Reaktion von Benz- bzw. 1-Naphthaldehyd mit 1-Methoxy-2-methyl-1-(trimethylsiloxy)propen eingesetzt, wobei ihre katalytische Aktivität mit verschiedenen Referenzkatalysatoren verglichen wurde. Die erzielten Enantiomerenüberschüsse (ee) liegen zwischen 6 und 16%. Auf der Suche nach neuen, für die Einbringung der ChirBTB-n-Liganden geeigneten MOF-Strukturen wurde auch die Umsetzung der reinen, nicht chiralen 4,4´,4´´-Benzol-1,3,5-triyl-tribenzoesäure (H3BTB) untersucht. Die Reaktion mit Nickelnitrat führte zur Bildung einer neuen hochporösen Verbindung namens DUT-9 mit der Zusammensetzung Ni5O2(BTB)2(DEF,DMF)4(H2O)4. DUT-9 weist neben den auf dem Gebiet der MOF-Forschung bislang unbekannten Ni5O2-Clustern eine noch nicht beschriebene dreidimensionale (3,6)-Netzwerktopologie auf. Das neue Material zeigt zudem exzellente Speicherkapazitäten für Wasserstoff, Methan und Kohlenstoffdioxid. / The present work aims on the search for new synthesis strategies towards chiral Metal-Organic Frameworks (MOFs). Three different approaches were pursued. Initially, the integration of a chiral dicarboxylic acid with a 2,2´-spirobiindane backbone into a MOF network was investigated. Within a cooperation, new 4,4´,4´´-benzene-1,3,5-triyl-tribenzoic acids H3ChirBTB-n (n = 1,2) with chiral oxazolidinone substituents were developed which were also used for the assembly of chiral MOFs. The third synthesis strategy involved the tethering of chiral amines to coordinatively unsaturated metal atoms of known non-chiral Metal-Organic Frameworks. Within the last-mentioned approach, the very high catalytic activity of MIL-101 (MIL = Matérial Institut Lavoisier) towards the cyanosilylation of benzaldehyde was demonstrated. Treatment with chiral amines did not lead to an enantioselective catalyst. In contrast, the first two synthesis strategies could be performed successfully. A new MOF named DUT-7 (DUT = Dresden University of Technology) with composition Zn4O((S)-Spiro-BIDC)3 was obtained by solvothermal reaction of (S)-2,2´-spirobiindane-5,5´-dicarboxylic acid ((S)-H2Spiro-BIDC) with zinc nitrate in N,N-dimethylformamide (DMF). Besides an unexpected, two-fold interpenetrated framework structure with hexagonal channels, DUT-7 shows a temperature induced, reversible structure transformation not yet observed. The other new strategy to obtain chiral Metal-Organic Frameworks involved the conversion of the chiral tricarboxylic acids H3ChirBTB-n bearing either a (S)-4-iso-propyl- (n = 1) or a (S)-4-benzyl-1,3-oxazolidin-2-one substituent (n = 2). Though having the same framework composition, the new compounds Zn3(ChirBTB-1)2 and Zn3(ChirBTB-2)2 exhibit completely different crystal structures. Both materials were tested in the Mukaiyama aldol reaction between benzaldehyde or 1-naphthaldehyde, respectively, and 1-methoxy-2-methyl-1-(trimethylsiloxy)propene and their catalytic activity was compared to different reference catalysts. Enantiomeric excess values (ee) between 6 and 16% were obtained. In search of new MOF structures being suitable for the integration of the ChirBTB-n linkers, the conversion of the pure, non chiral 4,4´,4´´-benzene-1,3,5-triyltribenzoic acid (H3BTB) was investigated. The reaction with nickel nitrate lead to the formation of a new, highly porous compound Ni5O2(BTB)2(DEF,DMF)4(H2O)4 named DUT-9. Besides Ni5O2 clusters which are a novelty in MOF chemistry, DUT-9 exhibits a three dimensional (3,6)-network topology not yet described. In addition, the new material shows excellent storage capacities for hydrogen, methane and carbon dioxide.

Die Entwicklung und Synthese im Bereich neuartiger poröser Systeme, im speziellen Metallorganische Gerüstverbindungen (engl.: Metall-organic Frameworks; MOFs), wird weltweit in vielen Forschergruppen intensiv bearbeitet. Aufgrund der Möglichkeit, dass sich die Materialeigenschaften individuell designen lassen und letztendlich spezifische Eigenschaften für eine ausgewählte Anwendung bereitgestellt werden können, stellen MOFs für einen weiten Forscherkreis eine interessante Materialienklasse dar. Im Rahmen dieser Arbeit stand die Synthese von neuartigen MOFs im Vordergrund, welche geeignete Eigenschaften für eine effiziente Speicherung von Gasen im Nieder- als auch im Hochdruckbereich besitzen. Dabei wurde zum einen Augenmerk auf die Synthese mesoporöser MOF-Systeme gelegt. Hier lag die größte Herausforderung darin, die erhaltenen hochporösen Materialien in einer stabilen gastfreien Form zu erhalten. Ein weiterer Schwerpunkt war die Untersuchung von flexiblen MOF-Verbindungen und deren Eigenschaften in Abhängigkeit der Synthesebedingungen und der adsorbierten Spezies. Auf Basis der Copolymerisation verschiedener multifunktioneller Linkermoleküle konnten zwei mesoporöse Verbindungen und dazugehörige Isomorphe synthetisiert werden (DUT-6, DUT-23; DUT = Dresden University of Technology). Mit diesen Verbindungen konnte über die Kombination von unterschiedlich funktionellen Linkermolekülen eine erhöhte Netzwerkstabilität und damit einhergehend erhöhte Porosität erhalten werden. Sämtliche Verbindungen zeigen ausgezeichnetes adsorp-tives Verhalten und können aufgrund ihrer verschiedenen Eigenschaften in Bereichen der Hochdruckadsorption, Katalyse oder enantioselektiven Trennung Einsatz finden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das flexible Verhalten der „pillar-layer“ Verbindungen DUT-8(M) (M = Ni, Co, Zn, Cu) näher untersucht. Diese isomorphe Reihe zeichnet sich durch ihre hohe Netzwerkflexibilität in Abhängigkeit der integrierten Gastmoleküle sowie dem vorliegendem Metall-Dimer aus. DUT-8(M) zeigt unterschiedliche Adsorptionseigenschaften und unterschiedliches Stabilitäts- sowie Flexibilitätsverhalten.