Figure 1. Représentation schématique des cadres poreux construits à partir de molécules d'hydrogène. Les cadres doivent être stables même après l'élimination des molécules de solvant des pores. Crédit :Université d'Osaka
Au cours des deux dernières décennies, les matériaux poreux tels que les zéolites et les charpentes métallo-organiques ont attiré l'attention de la communauté scientifique en raison du large éventail d'applications dérivées de leur porosité. Récemment, une nouvelle classe de tous les matériaux organiques a émergé - les cadres organiques à liaison hydrogène (HOF). Ces matériaux cristallins reposent sur deux types d'interactions non covalentes - les interactions π-π qui forment l'empilement vertical, et les interactions de liaison hydrogène qui assurent l'ordre et la stabilité entre les unités moléculaires. La combinaison de ces interactions permet l'assemblage d'unités moléculaires spécialement conçues pour obtenir des structures cristallines ordonnées permettant le développement de matériaux aux propriétés chimiques et physiques accordables.
Une collaboration internationale entre l'Université d'Osaka, Japon, et l'Université de Castille, Espagne, développé des structures organiques à liaisons hydrogène (HOF) poreuses monocristallines stables qui sont thermiquement et chimiquement durables et ont une grande surface et des propriétés de fluorescence. Grâce à des molécules empilées de manière unidimensionnelle et à des liaisons hydrogène, ils ont fabriqué les cadres stables et rigides malgré ces cadres constitués d'acide carboxylique à liaison hydrogène faible. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans Angewandte Chemie Édition Internationale .
Ce matériau poreux s'est avéré avoir une large surface spécifique de 1288 m2 pour 1g et peut conserver sa charpente à des températures allant jusqu'à 305 °C dans l'atmosphère. En outre, les liaisons hydrogène de ce matériau ne sont pas clivées même lorsqu'elles sont immergées dans de l'alcool ou de l'acide chlorhydrique concentré et chauffées. Ce matériau poreux s'est avéré avoir des HOF assez stables par rapport aux matériaux conventionnels.
Il est difficile de former systématiquement des FOH tels que conçus, c'est pourquoi la mise en place d'une méthodologie pour la formation des FOH a été recherchée. Ce groupe avait découvert qu'un dérivé d'hexaazatriphénylène (HAT) avec 6 groupes carboxyphényle (CPHAT) formait des HOF avec une résistance élevée à la chaleur. Ils pensaient qu'un dérivé de HAT avec des groupes carboxyaryle était une brique moléculaire prometteuse pour la construction de HOF stables avec une grande surface spécifique. Utilisation d'un dérivé de HAT à groupements carboxybiphényle (CBPHAT), ils ont obtenu des HOF thermiquement et chimiquement stables avec une grande surface, démontrant l'efficacité des structures HAT en synthétisant et en cristallisant des dérivés HAT qui ont des mains plus longues pour saisir les atomes voisins.
Figure 2. Structures cristallines des HOF (structures organiques liées à l'hydrogène) composées de dérivés de la HAT (CPHAT et CBPHAT). Crédit :Université d'Osaka
L'auteur principal Ichiro Hisaki de l'Université d'Osaka a déclaré :"Dans cette étude, nous avons découvert que les dérivés de la HAT formaient des HOF rigides et stables grâce à (1) une liaison hydrogène entre les groupes carboxy, (2) mise en réseau tridimensionnel (3-D), (3) interpénétration du réseau, et (4) l'amarrage en forme de noyaux HAT torsadés." (Figure 3)
Cette étude contribuera au développement de HOF fonctionnels tels que les HOF montrant une absorption sélective de CO2, et permettra la conversion du CO2 en espèces chimiques utiles telles que l'alcool.
Figure 3. Interprétation hiérarchique d'un HOF rigide et stable (CPHAT-1a) à travers (1) une liaison hydrogène entre les groupes carboxy, (2) réseautage en trois dimensions (3D), (3) interpénétration du réseau, et (4) l'amarrage en forme de noyaux HAT torsadés.
