Catalytic Processes Mediated by Metal−Organic Frameworks : Reactivity and Mechanistic Studies

The present thesis describes the development of heterogeneous catalytic methodologies using metal−organic frameworks (MOFs) as porous matrices for supporting transition metal catalysts. A wide spectrum of chemical reactions is covered. Following the introductory section (Chapter 1), the results are divided between one descriptive part (Chapter 2) and four experimental parts (Chapters 3–6). Chapter 2 provides a detailed account of MOFs and their role in heterogeneous catalysis. Specific synthesis methods and characterization techniques that may be unfamiliar to organic chemists are illustrated based on examples from this work. Pd-catalyzed heterogeneous C−C coupling and C−H functionalization reactions are studied in Chapter 3, with focus on their practical utility. A vast functional group tolerance is reported, allowing access to substrates of relevance for the pharmaceutical industry. Issues concerning the recyclability of MOF-supported catalysts, leaching and operation under continuous flow are discussed in detail. The following chapter explores puzzling questions regarding the nature of the catalytically active species and the pathways of deactivation for Pd@MOF catalysts. These questions are addressed through detailed mechanistic investigations which include in situ XRD and XAS data acquisition. For this purpose a custom reaction cell is also described in Chapter 4. The scope of Pd@MOF-catalyzed reactions is expanded in Chapter 5. A strategy for boosting the thermal and chemical robustness of MOF crystals is presented. Pd@MOF catalysts are coated with a protecting SiO2 layer, which improves their mechanical properties without impeding diffusion. The resulting nanocomposite is better suited to withstand the harsh conditions of aerobic oxidation reactions. In this chapter, the influence of the nanoparticles’ geometry over the catalyst’s selectivity is also investigated. While Chapters 3–5 dealt with Pd-catalyzed processes, Chapter 6 introduces hybrid materials based on first-row transition metals. Their reactivity is explored towards light-driven water splitting. The heterogenization process leads to stabilized active sites, facilitating the spectroscopic probing of intermediates in the catalytic cycle.

Optimization of a steel plant utilizing converted biomass

Inom nära framtid kan det vara ekonomiskt lönsamt att investera i träbaserad biomassa-användning inom stålproduktion. En förutsättning är att biomassans bränsle-egenskaper förbättras genom en sorts förkolning, närmare sagt långsam pyrolysering. Som biomassakälla duger skogsrester och dylikt. Nyttan med att använda biomassa är att man reducerar fossila CO2-utsläpp och på så vis minskar på den globala uppvärmningen; detta kräver dock att återplantering görs för att fånga de frigjorda CO2-utsläppen som härstammar från biomassans skörd, transport, processering och förbränning. En investering i en pyrolyseringsanläggning integrerad i ett stålverk kan vara lönsam ifall utsläppskatten är över 20 € per ton CO2 då biomassakostnaden är 40 € per ton torr substans. Detta är dock inte fallet i dagens läge och i Finland är dessa avgifter beroende av politiska beslut på Europeisk nivå. Det kunde dock vara av politiskt intresse att stödja biomassa-användningen inom stålindustrin eftersom detta skulle skapa nya arbetsplatser såväl inom själva stålindustrin som inom skogsindustrin och möjligen även inom kemi-industrin, beroende på hur de resulterande pyrolysprodukterna (träkol, gas och bio-oljor) utnyttjas. Med tanke på att närmare en femtedel av alla CO2-utsläpp härstammande från industrin kommer från stålindustrin så är det uppenbart att mera miljövänligare alternativ kommer att krävas i framtiden. Lähitulevaisuudessa voi olla taloudellisesti kannattavaa käyttää puuperäistä biomassaa teräksen valmistuksessa. Tämä vaatii kuitenkin sen, että biomassa läpikäy eräänlaisen hiillostuksen, eli pyrolyysin, ja tässä tapauksessa, hitaan pyrolyysin. Biomassalähteeksi kelpaavat esimerkiksi hakkuujätteet ja muu puujäte. Hyöty biomassankäytöstä syntyy siitä, kun se osittain korvaa perinteisesti käytettyjä fossiilisia polttoaineita, jolloin fossiiliset hiilidioksidipäästöt vähenevät ja tällöin myös vaikutus ilmaston lämpenemiseen vähenee. Edellytyksenä on tietysti se, että uusia puita ja kasveja istutetaan, jotta biomassan keräyksestä, kuljetuksesta, käsittelystä sekä poltosta vapautunut hiilidioksidi saadaan jälleen talteen. Arvion mukaan pyrolyysiyksikön integroiminen terästehtaaseen tulee taloudellisesti kannattavaksi, kun hiilidioksidivero nousee yli 20 € per tonni, kun biomassan hinnaksi on arvioitu 40 € per tonni kuiva-ainesta. Kyseinen hintataso ei ole tällä hetkellä voimassa ja Suomen tilanne tässä asiassa on vahvasti kytköksissä Euroopan tasolla tehtäviin päätöksiin. Aihe voisi kuitenkin olla poliittisella tasolla kiinnostava ja taloudellisen tuen arvoista, koska biomassan käyttö loisi lisää työpaikkoja niin terästeollisuudessa kuin puuteollisuudessakin ja mahdollisesti myös kemianteollisuudessa, riippuen siitä miten erinäisiä pyrolyysituotteita (puuhiili, kaasu ja bio-öljy) hyödynnettäisiin. Ottaen huomioon, että terästeollisuus maailmanlaajuisesti vastaa noin viidesosasta kaikista teollisuudesta peräisin olevista hiilidioksidipäästöistä on päivänselvää, että ympäristöystävällisemmille vaihtoehdoille on tarvetta tulevaisuudessa.

Population pharmacokinetics and pharmacodynamics of lumefantrine in young Ugandan children treated with artemether-lumefantrine for uncomplicated malaria

Background. The pharmacokinetics and pharmacodynamics of lumefantrine, a component of the most widely used treatment for malaria, artemether-lumefantrine, has not been adequately characterized in young children. Methods. Capillary whole-blood lumefantrine concentration and treatment outcomes were determined in 105 Ugandan children, ages 6 months to 2 years, who were treated for 249 episodes of Plasmodium falciparum malaria with artemether-lumefantrine. Results. Population pharmacokinetics for lumefantrine used a 2-compartment open model with first-order absorption. Age had a significant positive correlation with bioavailability in a model that included allometric scaling. Children not receiving trimethoprim-sulfamethoxazole with capillary whole blood concentrations <200 ng/mL had a 3-fold higher hazard of 28-day recurrent parasitemia, compared with those with concentrations >200 ng/mL (P =. 0007). However, for children receiving trimethoprim-sulfamethoxazole, the risk of recurrent parasitemia did not differ significantly on the basis of this threshold. Day 3 concentrations were a stronger predictor of 28-day recurrence than day 7 concentrations. Conclusions. We demonstrate that age, in addition to weight, is a determinant of lumefantrine exposure, and in the absence of trimethoprim-sulfamethoxazole, lumefantrine exposure is a determinant of recurrent parasitemia. Exposure levels in children aged 6 months to 2 years was generally lower than levels published for older children and adults. Further refinement of artemether-lumefantrine dosing to improve exposure in infants and very young children may be warranted. © 2016 The Author.