Hybrid materials based on polyethylene and MCM-41 microparticles functionalized with silanes: catalytic aspects of in situ polymerization, crystalline features and mechanical properties

New nanocomposites based on polyethylene have been prepared by in situ polymerization of ethylene in presence of mesoporous MCM-41. The polymerization reactions were performed using a zirconocene catalyst either under homogenous conditions or supported onto mesoporous MCM-41 particles, which are synthesized and decorated post-synthesis with two silanes before polymerization in order to promote an enhanced interfacial adhesion. The existence of polyethylene chains able to crystallize within the mesoporous channels in the resulting nanocomposites is figured out from the small endothermic process, located at around 80 C, on heating calorimetric experiments, in addition to the main melting endotherm. These results indicate that polyethylene macrochains can grow up during polymerization either outside or inside the MCM-41 channels, these keeping their regular hexagonal arrangements. Mechanical response is observed to be dependent on the content in mesoporous MCM-41 and on the crystalline features of polyethylene. Accordingly, stiffness increases and deformability decreases in the nanocomposites as much as MCM-41 content is enlarged and polyethylene amount within channels is raised. Ultimate mechanical performance improves with MCM-41 incorporation without varying the final processing temperature.

New HDPE/MCM41 nanocomposites with improved mechanical performance: synthesis and characterizatio

Ordered mesoporous silicas with a channel structure of well-defined geometries and dimensions at nanometer scale are excellent candidates to host intercalation reactions. In recent years, our research group has shown that mesoporous silicas of the M41S class combined with metallocene complexes give rise to excellent supported catalysts for ethylene polymerisation. Due to the support characteristics, the reaction is allowed to occur in the channels and in this way hybrid organic-inorganic materials can be prepared within a large range of nanofiller concentration. These HDPE/MCM-41 nanocomposites exhibit an improved mechanical performance and an easier degradability due to the additional role of MCM-41 as a promoter for PE degradation.

Design de compostos oxometálicos e estudo das suas propriedades catalíticas em reações de oxidação

A presente dissertação tem como objetivo principal contribuir para um maior conhecimento e compreensão das propriedades catalíticas de sistemas baseados em metais de transição com estado de oxidação elevado. O trabalho desenvolvido englobou a síntese e a caracterização de novos compostos de molibdénio, tendo como ponto de partida a síntese de cis-dioxocomplexos do tipo MoO2Cl2Ln (n = 1 ou 2, conforme ligandos bidentados ou monodentados, respetivamente) a partir dos precursores MoO2Cl2, MoO3 e Na2MoO4 com ligandos como dimetilformamida (DMF), tris(benzimidazolil)metano (HC(bim)3). Os compostos MoO2Cl2(DMF)2 (Capítulo2) e [MoO2Cl(HC(bim)3]Y (Y = Cl, BF4 e PF6) (Capítulo 3) foram testados como precursores catalíticos na epoxidação de olefinas, em fase heterogénea. O primeiro foi imobilizado no suporte MCM-41 enquanto os últimos foram heterogeneizados com recurso a líquidos iónicos - [BMIM]Y e [BMPy]Y (BIM = 1-n-butil-3-metilimidazólio, BMPy = 1-n-butil-3-metilpiridina; Y = BF4 ou PF6), como estratégia alternativa à heterogeneização dos catalisadores homogéneos. Por outro lado, aprofundou-se também a epoxidação de olefinas em fase homogénea e, para isso, sintetizaram-se os compostos Mo(CO)3(HC(pz)3) (HC(pz)3 = tris(1-pirazoli)metano), Mo(CO)3(HC(3,5-Me2pz)3 (HC(3,5-Me2pz)3 = tris(3,5-dimetil-1-pirazolil)metano) (Capítulo 4) e Mo(CO)4(BPM) (BPM = bis(pirazolil)metano) (Capítulo 5) a partir do material de partida Mo(CO)6. A descarbonilação oxidativa destes compostos, com TBHP, originaram estruturas cristalinas do tipo dioxo--oxo, [{MoO2(HC(pz)3)}2(2-O)][Mo6O19] e [{MoO2(HC(3,5-Me2pz)3)}2(2-O)][Mo6O19], e oxodiperoxo, MoO(O2)2(BPM), respetivamente. Obtiveram-se os mesmos produtos in situ durante as respetivas reações catalíticas. Todos os compostos foram utilizados como catalisadores ou pré-catalisadores na epoxidação de olefinas, com bons resultados. Por fim e, tendo em conta o crescente interesse em materiais híbridos orgânicos-inorgânicos baseados em óxidos de molibdénio, sintetizou-se o composto MoO2Cl2(pypzEA) (pypzEA = etil[(3-piridin-2-il)-1H-pirazol-1-il]acetato) o qual, ao reagir com água, originou o material híbrido [Mo2O6(HpypzA)] (HpypzA = [3-(piridin-2-il)-1H-pirazol-1-il]acetato) (Capítulo 6). A estrutura deste último composto foi resolvida por difração de monocristal e de raio-X de pós, em conjunto com a informação proveniente de técnicas como FT-IR, RMN 13C CP/MAS e análise elementar. Este material híbrido apresenta um bom desempenho catalítico quando o TBHP é usado como oxidante e continua estável e a comportar-se como um catalisador heterogéneo mesmo após sofrer testes de reciclagem e de filtração. Ainda durante este estudo constatou-se que a reação oxidativa do material de partida, MoO2Cl2(pypzEA), com TBHP, originou o oxo(diperoxo)complexo MoO(O2)2(pypzEA) e o complexo octamérico [Mo8O24(pypzEA)4] obtido previamente pela descarbonilação oxidativa do Mo(CO)4(pypzEA). Todos os catalisadores ou precursores de espécies ativas foram analisados por técnicas de caracterização comuns (AE, FT-IR, Raman, ATR, 1H RMN) bem como por técnicas de caracterização do estado sólido (EXAFS, DRX de pós e de cristal único, 13C e 29Si RMN CP MAS). Os compostos com propriedades catalíticas e pré-catalíticas promissoras foram estudados nas reações catalíticas de epoxidação de diversas olefinas, nomeadamente, cis-cicloocteno, 1-octeno, trans-2-octeno, -pineno, (R)-(+)-limoneno, estireno, norborneno, entre outras.

A new post-metallocene-ti catalyst with maltolate bidentade ligand: an investigation in heterogeneous polymerization reactions in different mesoporous supports

A new titanium catalyst easily synthesized from ethylmaltol bidentate chelator ligand was studied in homogeneous and heterogeneous ethylene polymerization. The dichlorobis(3-hydroxy-2-ethyl-4-pyrone)titanium(IV) complex was characterized by 1H and 13C NMR (nuclear magnetic resonance), UV-Vis and elemental analysis. Theoretical study by density functional theory (DFT) showed that the complex chlorines exhibit cis configuration, which is important for the activity in olefin polymerization. The complex was supported by two methods, direct impregnation or methylaluminoxane (MAO) pre-treatment, in five mesoporous supports: MCM-41 (micro and nano), SBA-15 and also the corresponding modified Al species. All the catalytic systems were active in ethylene polymerization and the catalytic activity was strongly influenced by the method of immobilization of the catalyst and the type of support.