Matériaux hybrides

2.3.2.2.2.1 Greffage post synthèse

Ce processus implique la réaction de groupements organosilanes de type SiR(OR’)3 avec les silanols à la surface des murs. Il est également possible d’utiliser des chlorosilanes R_nSiCl_3-n ou des silazanes H_nN(SiR₃)_2-n. En principe, ce type de fonctionnalisation peut se faire avec une grande variété de groupements R (figure 2. 7). Dans les conditions réactionnelles généralement employées, cette méthode présente l’avantage de garder intact la mésostructuration du matériau de départ. Elle s’accompagne d’une diminution du volume poreux puisque les groupements R occupent une partie de l’espace. Le désavantage de cette approche réside dans la possibilité que l’organosilane réagisse préférentiellement à l’entrée des pores, ralentissant la diffusion des autres molécules vers le milieu. Ceci peut

entraîner une distribution inhomogène des fonctions et dans les cas extrêmes où la fonction est très encombrante, à un blocage des pores.

Figure 2. 7 : greffage post synthétique de fonctions organo/métallo/siliciques sur une phase mésoporeuse silicique à l’aide d’un groupement (R’O)3SiR (R et R’, fonctions organiques), d’après la référence [83].

Cette méthode est de loin la plus documentée. Il est en effet possible de greffer ainsi toutes sortes de groupements pour générer de nouveaux catalyseurs. Les revues de Tagushi et al [88], de DeVos et al [162] ou de Wight et al [170] en mentionnent un grand nombre. Nous n’en citerons ici que quelques uns qui nous ont paru significatifs.

Les petites molécules contenant des fonctions R simples comme une courte chaîne alkyle terminée par des groupements halogénés, thiols, acide carboxylique, amines, vinyle, nitrile, phosphines etc. sont souvent disponibles commercialement. Par exemple les fonctions thiol peuvent être oxydées en acides sulfoniques via une oxydation douce avec H2O2 et ainsi générer un acide de Brönsted supporté [171, 172]. A partir de molécules contenant un pont dissulfure, il est aussi possible de générer deux fonctions acides séparées par une distance spécifique après clivage du pont et oxydation des thiols [173]. Les propriétés catalytiques

du matériau ainsi obtenu montrent un effet positif coopératif entre deux acides proches dans la synthèse du bisphénol-A.

Le développement des catalyseurs basiques est également possible, notamment à partir de fonctions amines greffées. Une revue fait le tour de la question pour les études réalisées jusqu’en 2000 [174], citons également un travail plus récent portant sur l’étude de la distribution de fonctions aminopropyl sur une silice MCM-41 et son influence sur des réactions classiques de formation de liaisons carbone – carbone par condensation aldolique et addition de Michael [175].

Il est également aisé de greffer des complexes métalliques sur les surfaces. Ceci a été réalisé par exemple dans le cas d’un complexe de platine – phosphine greffé sur MCM-41 en vue d’utiliser le matériau comme catalyseur d’hydroformylation dans le CO2

supercritique avec SnCl₂⋅2H₂O comme co-catalyseur [176]. Pour le substrat 1-hexène, le rendement par site a été bien meilleur que le même complexe greffé sur silice amorphe. A noter aussi que ce système catalytique a favorisé la régiosélectivité vers l’heptanal linéaire. Le greffage de molécules simples peut aussi servir à créer une première modification de la surface et alors constituer un point de départ pour l’introduction de fonctions plus élaborées. C’est le cas par exemple pour une silice MCM-41 supportant un complexe de palladium(II), synthétisé via l’addition de dichlorobis(benzonitrile)palladium(II) sur une structure préalablement traitée avec le 3-aminopropyltriméthoxysilane. Un catalyseur actif dans la réduction de nitroaromatiques et d’hydrodéshalogénation du bromonaphtalène a été ainsi obtenu [177, 178]. Ce protocole par échange de ligands a aussi été employé pour greffer des complexes de ruthénium de type RuHCl(CO)(PPh₃)₃ sur des silices modifiées avec la même amine [179]. Pour l’hydrogénation de plusieurs oléfines, même encombrées, le catalyseur solide a montré de meilleures performances que son analogue homogène. Notons aussi qu’une silice mésoporeuse modifiée avec des fonctions propyl-diphénylphosphines permet de greffer simplement le complexe de rhodium RhCl(PPh3)3. Ce matériau a pu être utilisé jusqu’à 15 fois pour l’hydrogénation du cyclohexène [180].

2.3.2.2.1.2 Co-condensation ou synthèse directe

Une alternative à la méthode de greffage post-synthétique est la préparation de phases organosiliciques par co-condensation. Dans cette méthodologie, des molécules de

tétraalcoxysilane (Si(OR’)₄ avec R’ = Me ou Et), précurseurs de silice pure, sont co-condensées avec des trialcoxy-organosilanes (R’O)₃SiR en présence d’agents structurants. Le matériau qui en résulte contient des groupements organiques ancrés de manière covalente aux murs [88]. En utilisant les agents connus pour structurer les matériaux purement siliciques (MCM ou SBA), les fonctions organiques se projettent à l’intérieur des pores. La figure 2. 8 illustre schématiquement la méthodologie de synthèse.

Figure 2. 8 : méthode par co-condensation (synthèse directe) de fonctionnalisation organique ou organométallique des silices mésoporeuses (R = groupe fonctionnel), d’après la référence [83].

Puisqu’ici les fonctions R sont des composantes directes du réseau silicique, le blocage des pores par des groupements encombrants devrait être un problème mineur. De plus, ceux-ci

méthode de greffage post synthétique. Cependant, la synthèse directe présente quelques désavantages. La mésostructuration et plus particulièrement l’ordre à longue distance est moins bien défini lorsque l’on augmente la concentration en précurseurs organosiliciques, et peut conduire à des matériaux totalement désordonnés. De ce fait, une limite supérieure de 40% molaire environ est généralement constatée. De plus, la proportion de fonctions effectivement incorporées dans le réseau silicique est fréquemment plus faible que celle attendue lors du mélange des réactifs. Ces observations peuvent trouver une explication dans le fait qu’à haute concentration en précurseurs organosiliciques, l’homocondensation est favorisée au détriment des réactions de réticulation avec les précurseurs de silice pure. Cette homocondensation intervient à d’autant plus faible concentration que la différence de vitesse d’hydrolyse et de condensation entre précurseurs de nature différente est grande. Ceci est un problème récurrent dans ce type de synthèse et c’est la raison pour laquelle une distribution parfaitement homogène ne peut être garantie. Une concentration trop élevée a aussi un effet négatif sur les propriétés de porosité du matériau final (diamètre, volume poreux et surface spécifique plus faibles). Enfin, des précautions particulières doivent bien entendu être prises pour retirer l’agent structurant. La présence de fonctions thermiquement sensibles interdit la calcination et des méthodes extractives sont généralement utilisées. Les travaux initiateurs de cette méthodologie [181-183] ont permis à un grand nombre de matériaux diversement fonctionnalisés de voir le jour. Les fonctions organiques incorporées comptent entre autres des groupements alkyle [184], thiol [184], amine [185, 186], nitrile/isocyanate [182, 187], vinyle [185, 187], aromatique [181, 185, 187], alcoxy [185] ou organophosphine [187, 188]. Les matériaux ainsi modifiés présentent des propriétés intéressantes en catalyse acide/base et en adsorption. Ils peuvent également servir de structures de base pour ancrer ultérieurement des fonctions plus élaborées [170]. Les fonctions amines ainsi co-condensées ont fait l’objet de travaux dans des réactions catalysées par des bases faibles, comme par exemple les condensations de Knoevenagel d’aldéhydes ou de cétones sur le cyanoacétate d’éthyle [189, 190]. Comparés aux mêmes matériaux obtenus par greffage post synthétique, les nouveaux solides hybrides ont une teneur plus élevée en fonctions amines et leurs performances catalytiques sont meilleures. Les fonctions thiols ainsi co-condensées peuvent servir à obtenir des groupements sulfoniques. En utilisant des oxydants appropriés tels que HNO3 ou H2O2, il est aisé de générer les fonctions acides [191, 192]. Margolese et al ont produit des structures de type

SBA-15 et ont également montré que l’oxydation des thiols peut se faire par addition de H₂O₂ directement dans le gel de synthèse du matériau [193]. Les réactions étudiées portent entre autres sur l’estérification d’acides gras [194]. Notons enfin que des fonctions acide carboxylique peuvent également être générées à partir de groupements nitriles hydrolysés par H2SO4 [195].

La fonctionnalisation par synthèse directe peut tout aussi bien servir à ancrer des groupements plus encombrants. A partir d’un matériau obtenu en condensant une fonction 3-chloropropylsilane, il a été possible de substituer le chlore pour ancrer des molécules chélatantes de type cyclame (1,4,8,11-tétraazacyclotétradécane) afin de complexer du cuivre ou du cobalt [196]. La co-condensation directe d’un ligand chiral (3-triméthoxysilylpropyl)[3-(2-pyridyl)-1-pyrazolyl]acétamide a aussi été rapportée [197]. Ce matériau a permis la complexation d’un oxyde de molybdène MoO(O2)2 conduisant à un catalyseur actif dans l’époxydation du cyclooctène par le tBuOOH.

2.3.2.2.2.3 Organosilicates mésoporeux périodiques

La synthèse de matériaux hybrides organique – inorganiques par hydrolyse et condensation de précurseurs de type (R’O)₃Si–Z–Si(OR’)₃ (silsesquioxanes) est connue en chimie des sol-gels [198, 199]. Les unités organiques sont incorporées à même le réseau tridimensionnel silicique au travers de deux liaisons covalentes (condition nécessaire mais pas suffisante) et sont de ce fait distribuées de manière très homogène au sein des matériaux. Ceux-ci sont obtenus sous la forme d’aéro- ou de xérogels et peuvent avoir des surfaces spécifiques très élevées (jusqu’à 1800 m²/g) et une grande stabilité thermique, mais le système poreux est très désordonné et la distribution de taille est très large [83].

L’extension du concept d’agent structurant à la synthèse de matériaux à partir de précurseurs silsesquioxanes donne lieu à la création d’une nouvelle classe de matériaux hybrides mésostructurés où les fonctions organiques font partie intégrante du mur poreux (figure 2. 9). Ils sont dénommés organosilicates mésoporeux périodiques (PMOS pour Periodic Mesoporous OrganoSilicas). Les premiers travaux sur ce type de solides ont été rapportés en 1999 par trois groupes travaillant indépendamment les uns des autres [200-202].

Figure 2. 9 : représentation schématique de la voie de synthèse pour l’obtention d’organosilicates mésoporeux périodiques (R = pont organique), d’après la référence [83].

A l’heure actuelle, la recherche sur cette classe de matériaux est très active car les applications techniques attendues sont nombreuses (adsorption, chromatographie, nanoélectronique parmi d’autres). La catalyse en fait partie, mais assez peu de travaux sont actuellement publiés sur ce sujet spécifique, dans lequel s’inscrit pleinement ce projet. Dans cette section, nous allons décrire les différentes familles de matériaux qui sont documentés à l’heure actuelle.

2.3.2.2.2.3.1 Matériaux PMOS structurés par des agents ioniques Les agents structurants les plus utilisés sont des tensioactifs présentant une longue chaîne alkyle et une tête ammonium quaternaire ou pyridinium. Inagaki et al ont préparé leurs gels

de synthèse en utilisant un précurseur à pont éthane (R = –CH₂CH₂–) en conditions basiques et en présence d’un tensioactif en C₁₈ [201] (PMOS à pont éthane). Ils ont pu obtenir des périodicités 2D et 3D hexagonales, des surfaces spécifiques allant de 750 à 1150 m²/g et des tailles de pores entre 2,7 et 3,1 mn. Asefa et al ont, quant à eux, utilisé un précurseur à pont éthylène (R = –CH=CH–) en milieu basique et en présence d’un tensioactif en C16 (PMOS à pont éthylène) [200]. Le matériau obtenu possède une symétrie 2D hexagonale, une surface spécifique de 650 m²/g et une taille de pore de 3,9 nm. En utilisant des conditions identiques, Melde et al ont produit un matériau à très haute surface spécifique, mais dont l’ordre à longue distance est sensiblement plus faible [202]. Des images de microscopie électronique à transmission suggèrent plutôt la formation de pores en forme de trous de vers avec des diamètres de 2,2 à 2,4 nm.

Ces travaux initiateurs ont été étendus par exemple à des PMOS à pont éthane avec une symétrie cubique Pm n (isostructurale à la SBA-1), préparés à partir d’un gabarit en C3 ₁₆ [203, 204]. Cependant, il a été constaté qu’il n’était pas possible de produire des matériaux ordonnés en utilisant des chaînes alkyles plus longues que 2 carbones pour le précurseur. Ceci est attribué au fait que le pont organique doit garder une certaine rigidité [83]. Cet inconvénient apparent a été levé par la mise au point de matériaux PMOS à pont benzène (R = –C₆H₄–) ou thiophène (R = –C₄H₂S–) [205]. Avec ces méthodes, il a même été possible de faire usage des interactions π entre les noyaux aromatiques et de synthétiser des matériaux mésoporeux présentant une micro-cristallinité à l’intérieur des murs [206].

2.3.2.2.2.3.2 Matériaux PMOS structurés par des agents non ioniques L’emploi de co-polymères triblocs a permis d’élargir les diamètres de pores des matériaux PMOS, jusque là confinés à environ 5 nm de diamètre avec les tensioactifs ioniques. Le premier protocole qui a été rapporté a fait usage du co-polymère à blocs P123 en milieu acide et d’un précurseur à pont éthane pour obtenir un matériau à symétrie 2D hexagonale avec des propriétés structurales proches de celles de la SBA-15 (930 m²/g et un diamètre de 6,5 nm) [207]. L’ordre à longue distance a été amélioré pour ces matériaux en utilisant des sels comme NaCl dans le gel de synthèse, qui ont une action spécifique à l’interface entre le tensioactif et la surface organo-silicique en formation [208]. D’autres publications ont

concentration en acide, sur les morphologies et propriétés poreuses du matériau final, et ceci, contrairement à leurs homologues purement inorganiques [209-211].

A l’image des synthèses en milieu basique utilisant un structurant ionique, il est possible d’incorporer des fonctionnalités organiques plus complexes qu’un simple pont éthane. Ainsi, des précurseurs à pont rigide comme le benzène ont été utilisés, mais il n’a pas été observé de micro-cristallinité à l’intérieur des murs [212]. Des matériaux PMOS à pont éthylène [213] et thiophène [214] ont aussi été préparés.

Enfin, signalons qu’une nouvelle classe d’agents structurants fait l’objet d’une attention particulière : les tensioactifs Brij, constitués de chaînes alkyle et de têtes composées d’unités éthylène-glycol. Ils permettent d’obtenir des matériaux dont la taille des pores est comparable aux synthèses avec tensioactif ionique, mais avec une condensation plus rapide et un degré plus poussé donnant des épaisseurs de murs supérieures, propriétés qui sont associées à l’utilisation d’un tensioactif non ionique. De plus, ces molécules sont souvent moins chères et toxiques que leurs contreparties ioniques. Depuis les travaux initiaux de Burleigh et al [215], l’utilisation de ces tensioactifs prend de l’ampleur parmi les méthodes de synthèse de PMOS [83].

2.3.2.2.2.3.3 Matériaux PMOS à précurseurs siliciques multiples Le concept de création de matériaux hybrides mésostructurés à partir de précurseurs organosiliciques ne s’arrête pas à des molécules bis-silylés (RO)₃Si–Z–Si(OR)₃. Il est en effet possible de l’étendre à des molécules tri- voire multi-silylées [216]. Il est également possible de synthétiser un matériau à partir de deux précurseurs bis-silylés différents, ce qui aboutit à un matériau bi-fonctionnel [217]. Enfin, la nécessité de rigidité des ponts organiques limitant grandement la nature des précurseurs utilisables, des préparations de matériaux à la croisée des méthodologies de synthèse directe et organosiliciques ont été publiées. Ceci est effectué par exemple en mélangeant des précurseurs mono-silylés porteurs des fonctions encombrantes et/ou souples avec des précurseurs bis-silylés (fonctions courtes et rigides) dans le gel de synthèse [218]. Cependant ces méthodes n’aboutissent en général pas à des matériaux mésoporeux hautement ordonnés.

Ce désavantage peut être contourné par l’utilisation d’agents de couplage ou de réticulation, pour reprendre le vocabulaire de la polymérisation. Dans ce cas, il s’agit de

mélanger un précurseur de silice pure comme le tétra(m)éthoxysilane avec les précurseurs organosiliciques. Nous avons déjà mentionné que les vitesses d’hydrolyse et de condensation sont différentes entre le réactif Si(OR)4 et les fonctions –Si(OR)3 des précurseurs bis ou multi-silylés. Malgré cela, ces matériaux peuvent posséder une structure hautement ordonnée, de grandes surfaces spécifiques et de bonnes stabilités thermiques à condition que la proportion d’organiques reste relativement basse. Il est donc nécessaire d’utiliser un excès de précurseur Si(OR)4, et la silice qui en résulte va constituer en quelque sorte la colonne vertébrale du matériau final.

Les premiers travaux ont été publiés par le groupe de Garcia en 2001 pour l’incorporation de molécules dérivées du 4,4'-bipyridyle, un groupe photosensible, en utilisant le CTAB comme agent structurant et le TEOS comme agent réticulant [219, 220]. Une structure hexagonale (surface spécifique de 930 m²/g et diamètre de pores de 3,8 nm) est obtenue et est maintenue jusqu’à une teneur molaire de 15%. Le groupe de Corriu a co-condensé des dérivés de cyclame en utilisant des copolymères tri-blocs comme gabarit [221-223]. Bien que le degré d’ordre à longue distance soit faible, les fonctions cyclames ont tout de même pu complexer des ions de cuivre et de cobalt. Un autre exemple de matériau capable de complexer les métaux lourds tels que le mercure a été préparé à partir du précurseur tris[3-(triméthoxysilyl)propyl]isocyanurate [224].

Des fonctions organiques chirales ont également été immobilisées par co-condensation avec le TEOS. Par exemple, des molécules dérivées de binaphtyle et de cyclohexadiyle ont pu être incorporées dans les murs à hauteur de 15% en masse [225]. L’activité optique des précurseurs a été maintenue et le matériau a pu adsorber sélectivement certains énantiomères de composés chiraux, les auteurs ne précisant pas le degré de sélectivité. Enfin quelques publications font mention de la co-condensation de TEOS avec des complexes de métaux de transition. Ces travaux qui se comparent directement à notre étude font l’objet d’une présentation détaillée dans la section 2.4 de ce chapitre.

2.3.2.2.2.3.4 Applications catalytiques des PMOS

Les études faisant état d’applications catalytiques sont encore peu nombreuses. En dehors des travaux d’incorporation de complexes métalliques, des fonctions acides sulfoniques ont

benzène co-condensés avec des précurseurs contenant des thiols [218, 226]. Ce type de support est intrinsèquement plus hydrophobe que des silices mésoporeuses purement inorganiques auxquelles ils se comparent. Nous pouvons donc nous attendre à ce que les réactions impliquant des molécules hydrophobes soient favorisées. En général, les performances catalytiques égalent ou outrepassent celles des matériaux de type MCM-41 ou des zéolites fonctionnalisés avec les mêmes molécules.

Des précurseurs à pont éthane co-condensés avec des précurseurs de titane ont donné des matériaux hydrophobes, qui démontrent de bonnes performances catalytiques en époxydation des alcènes [227]. Les mêmes matériaux sont également efficaces pour l’ammoximation des cétones avec H2O2 et NH3 [228].

2.4 Matériaux hybrides mésostructurés