Synthesis, characterization and reactivity of new cobalt, palladium and nickel complexes bearing α-diimines and P, O ligands

This work describes the synthesis and characterization of a series of new α-diimine and P,O, β-keto and acetamide phosphines ligands, and their complexation to Ni(II), Co(II),Co(III) and Pd(II) to obtain a series of new compounds aiming to study their structural characteristics and to test their catalytic activity. All the compounds synthesized were characterized by the usual spectroscopic and spectrometric techniques: Elemental Analysis, MALDI-TOF-MS spectrometry, IR, UV-vis, 1H, 13C and 31P NMR spectroscopies. Some of the paramagnetic compounds were also characterized by EPR. For the majority of the compounds it was possible to solve their solid state structure by single crystal X-ray diffraction. Tests for olefin polymerization were performed in order to determine the catalytic activity of the Co(II) complexes. Chapter I presents a brief introduction to homogenous catalysis, highlighting the reactions catalyzed by the type of compounds described in this thesis, namely olefin polymerization and oligomerization and reactions catalyzed by the complexes bearing α-diimines and P,O type ligands. Chapter II is dedicated to the description of the synthesis of new α-diimines cobalt (II) complexes, of general formula [CoX2(α-diimine)], where X = Cl or I and the α-diimines are bis(aryl)acenaphthenequinonediimine) (Ar-BIAN) and 1,4-diaryl-2,3-dimethyl-1,4-diaza-1,3-butadiene (Ar-DAB). Structures solved by single crystal X-ray diffraction were obtained for all the described complexes. For some of the compounds, X-band EPR measurements were performed on polycrystalline samples, showing a high-spin Co(II) (S = 3/2) ion, in a distorted axial environment. EPR single crystal experiments on two of the compounds allowed us to determine the g tensor orientation in the molecular structure. In Chapter III we continue with the synthesis and characterization of more cobalt (II)complexes bearing α-diimines of general formula [CoX2(α-diimine)], with X = Cl or I and α-diimines are bis(aryl)acenaphthenequinonediimine) (Ar-BIAN) and 1,4-diaryl-2,3-dimethyl- 1,4-diaza-1,3-butadiene (Ar-DAB). The structures of three of the new compounds synthesized were determined by single crystal X-ray diffraction. A NMR paramagnetic characterization of all the compounds described is presented. Ethylene polymerization tests were done to determine the catalytic activity of several of the Co(II) complexes described in Chapter II and III and their results are shown. In Chapter IV a new rigid bidentate ligand, bis(1-naphthylimino)acenaphthene, and its complexes with Zn(II) and Pd(II), were synthesized. Both the ligand and its complexes show syn and anti isomers. Structures of the ligand and the anti isomer of the Pd(II) complex were solved by single crystal X-ray diffraction. All the compounds were characterized by elemental analysis, MALDI-TOF-MS spectrometry, and by IR, UV-vis, 1H, 13C, 1H-1H COSY, 1H-13C HSQC, 1H-13C HSQC-TOCSY and 1H-1H NOESY NMR when necessary. DFT studies showed that both conformers of [PdCl2(BIAN)] are isoenergetics and can be obtain experimentally. However, we can predict that the isomerization process is not available in square-planar complex, but is possible for the free ligand. The molecular geometry is very similar in both isomers, and only different orientations for naphthyl groups can be expected. Chapter V describes the synthesis of new P, O type ligands, β-keto phosphine, R2PCH2C(O)Ph, and acetamide phosphine R2PNHC(O)Me, as well as a series of new cobalt(III) complexes namely [(η5-C5H5)CoI2{Ph2PCH2C(O)Ph}], and [(η5- C5H5)CoI2{Ph2PNHC(O)Me}]. Treating these Co(III) compounds with an excess of Et3N, resulted in complexes η2-phosphinoenolate [(η5-C5H5)CoI{Ph2PCH…C(…O)Ph}] and η2- acetamide phosphine [(η5-C5H5)CoI{Ph2PN…C(…O)Me}]. Nickel (II) complexes were also obtained: cis-[Ni(Ph2PN…C(…O)Me)2] and cis-[Ni((i-Pr)2PN…C(…O)Me)2]. Their geometry and isomerism were discussed. Seven structures of the compounds described in this chapter were determined by single crystal X-ray diffraction. The general conclusions of this work can be found in Chapter VI.

Catalytic hydrogenation of carbon dioxide to form methanol and methane

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Nanostructured Films Based on Carbon Nanotubes and Cobalt for the Electrocatalytic Reduction of H(2)O(2)

This paper presents the fabrication of a nanothick Co-modified film electrochemically synthesized on layer-by-layer (LbL) structures made with dendrimer polyamidoamine/carbon nanotubes (PAMAM/CNT), and its electrocatalytic properties toward H(2)O(2) reduction. Scanning electron microscopy indicated the formation of a homogeneous, 14 nm thick Co film. The porous nature of the PAMAM/CNT LbL film allowed the electrolyte access to the bottom of the electrode, generating a homogenous Co electrodeposit. In addition, the nanostructure based on Co-modified PAMAM/CNT LbL exhibited high electrocatalytic activity for H(2)O(2) reduction when compared to the Co-free PAMAM/CNT LbL film, which demonstrates the suitability of the system studied for biosensing. (C) 2011 The Electrochemical Society. [DOI: 10.1149/1.3602200] All rights reserved.

omega-Transaminases as efficient biocatalysts to obtain novel chiral selenium-amine ligands for Pd-catalysis

omega-Transaminases have been evaluated as biocatalysts in the reductive amination of organoselenium acetophenones to the corresponding amines, and in the kinetic resolution of racemic organoselenium amines. Kinetic resolution proved to be more efficient than the asymmetric reductive amination. By using these methodologies we were able to obtain both amine enantiomers in high enantiomeric excess (up to 99%). Derivatives of the obtained optically pure o-selenium 1-phenylethyl amine were evaluated as ligands in the palladium-catalyzed asymmetric alkylation, giving the alkylated product in up to 99% ee.

Consecutive biocatalysis-palladium catalysis II: Synthesis of conduritol-alkyne conjugates

The palladium-catalyzed cross-coupling reaction of potassium alkynyltrifluoroborates with a chemoenzymatically derived deoxyconduritol is described. Six new compounds were synthesized in moderate to good yields. The alkynyl cross-coupling reaction can be effected using 10 mol% of Pd(PPh(3))(4) as Catalyst in toluene-H(2)O in the presence Of Cs(2)CO(3) as the inorganic base. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Synthesis of unnatural cyclitols via a combined enzymatic-palladium catalysis approach

The Suzuki-Miyaura cross-coupling reaction of a hydroxylated vinyl bromide obtained by a chemoenzymatic approach with a diverse range of potassium organotrifluoroborates has been accomplished catalyzed by Pd(PPh(3))(4) in satisfactory yields. A variety of functional groups are tolerated in the nucleophilic partner. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Further evidence for the reliance of catalysis by rabbit muscle pyruvate kinase upon isomerization of the ternary complex between enzyme and products

Isothermal calorimetry has been used to examine the effect of thermodynamic non-ideality on the kinetics of catalysis by rabbit muscle pyruvate kinase as the result of molecular crowding by inert cosolutes. The investigation, designed to detect substrate-mediated isomerization of pyruvate kinase, has revealed a 15% enhancement of maximal velocity by supplementation of reaction mixtures with 0.1 M proline, glycine or sorbitol. This effect of thermodynamic non-ideality implicates the existence of a substrate-induced conformational change that is governed by a minor volume decrease and a very small isomerization constant; and hence, substantiates earlier inferences that the rate-determining step in pyruvate kinase kinetics is isomerization of the ternary enzyme product complex rather than the release of products. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Vanadium complexes: recent progress in oxidation catalysis

Oxidovanadium complexes and, to a less extent, some non-oxido ones, are widely used as catalysts or catalyst precursors for various oxidative catalytic reactions by H2O2, (BuOOH)-Bu-t or O-2 under mild conditions. Oxidation reactions (oxidation of alkanes and alcohols, epoxidation of alkenes and allylic alcohols, oxidative bromination, sulfoxidation and oxidative Strecker reactions) of organic compounds are the most relevant ones and are reviewed considering the recent advances in the last five years (2010-2014). The main types of both homogeneous and supported vanadium catalysts and the most efficient catalytic systems in the different reactions are presented and compared. The proposed mechanisms of various catalytic oxidation processes are also outlined. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.

Estudo do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos alimentares usados

O instável mas tendencialmente crescente preço dos combustíveis associado a preocupações ambientais cada vez mais enraizadas nas sociedades, têm vindo a despoletar uma maior atenção à procura de combustíveis alternativos. Por outro lado, várias projecções indicam um aumento muito acentuado do consumo energético global no curto prazo, fruto do aumento da população e do nível de industrialização das sociedades. Neste contexto, o biodiesel (ésteres de ácidos gordos) obtido através da transesterificação de triglicerídeos de origem vegetal ou animal, surge como a alternativa “verde” mais viável para utilização em equipamentos de combustão. A reacção de transesterificação é catalisada, por norma com recurso a catalisadores homogéneos alcalinos (NaOH ou KOH). Este tipo de processo, o único actualmente com expressão a nível industrial, apresenta algumas desvantagens que, para além de aumentarem o custo do produto final, contribuem para reduzir a benignidade do mesmo: a impossibilidade de reutilização do catalisador, o aumento do número e complexidade das etapas de separação e a produção de efluentes resultantes das referidas etapas. Com o intuito de minimizar ou eliminar estes problemas, vários catalisadores heterogéneos têm vindo a ser estudados para esta reacção. Apesar de muitos apresentarem resultados promissores, a grande maioria não tem viabilidade para aplicação industrial seja devido ao seu próprio custo, seja devido aos pré-tratamentos necessários à sua utilização. Entre estes catalisadores, o óxido de cálcio é talvez o que apresenta resultados mais promissores. O crescente número de estudos envolvendo este catalisador em detrimento de outros, é por si mesmo prova do potencial do CaO. A realização deste trabalho pretendia atingir os seguintes objectivos principais: • Avaliar a elegibilidade do óxido de cálcio enquanto catalisador da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Avaliar qual a sua influência nas características dos produtos finais; • Avaliar as diferenças de performance entre o óxido de cálcio activado em atmosfera inerte (N2) e em ar, enquanto catalisadores da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Optimizar as condições da reacção com recurso às ferramentas matemáticas disponibilizadas pelo planeamento factorial, através da variação de quatro factores chave de influência: temperatura, tempo, relação metanol / óleo e massa de catalisador utilizado. O CaO utlizado foi obtido a partir de carbonato de cálcio calcinado numa mufla a 750 °C durante 3 h. Foi posteriormente activado a 900 °C durante 2h, em atmosferas diferentes: azoto (CaO-N2) e ar (CaO-Ar). Avaliaram-se algumas propriedades dos catalisadores assim preparados, força básica, concentração de centros activos e áreas específicas, tendo-se obtido uma força básica situada entre 12 e 14 para ambos os catalisadores, uma concentração de centros activos de 0,0698 mmol/g e 0,0629 mmol/g e áreas específicas de 10 m2/g e 11 m2/g respectivamente para o CaO-N2 e CaO-Ar. Efectuou-se a transesterificação, com catálise homogénea, da mistura de óleos usados utilizada neste trabalho com o objectivo de determinar os limites para o teor de FAME’s (abreviatura do Inglês de Fatty Acid Methyl Esters’) que se poderiam obter. Foi este o parâmetro avaliado em cada uma das amostras obtidas por catálise heterogénea. Os planos factoriais realizados tiveram como objectivo maximizar a sua quantidade recorrendo à relação ideal entre tempo de reacção, temperatura, massa de catalisador e quantidade de metanol. Verificou-se que o valor máximo de FAME’s obtidos a partir deste óleo estava situado ligeiramente acima dos 95 % (m/m). Realizaram-se três planos factoriais com cada um dos catalisadores de CaO até à obtenção das condições óptimas para a reacção. Não se verificou influência significativa da relação entre a quantidade de metanol e a massa de óleo na gama de valores estudada, pelo que se fixou o valor deste factor em 35 ml de metanol / 85g de óleo (relação molar aproximada de 8:1). Verificou-se a elegibilidade do CaO enquanto catalisador para a reacção estudada, não se tendo observado diferenças significativas entre a performance do CaO-N2 e do CaO-Ar. Identificaram-se as condições óptimas para a reacção como sendo os valores de 59 °C para a temperatura, 3h para o tempo e 1,4 % de massa de catalisador relativamente à massa de óleo. Nas referidas condições, obtiveram-se produtos com um teor de FAME’s de 95,7 % na catálise com CaO-N2 e 95,3 % na catálise com CaO-Ar. Alguns autores de estudos consultados no desenvolvimento do presente trabalho, referiam como principal problema da utilização do CaO, a lixiviação de cálcio para os produtos obtidos. Este facto foi confirmado no presente trabalho e na tentativa de o contornar, tentou-se promover a carbonatação do cálcio com a passagem de ar comprimido através dos produtos e subsequente filtração. Após a realização deste tratamento, não mais se observaram alterações nas suas propriedades (aparecimento de turvação ou precipitados), no entanto, nos produtos obtidos nas condições óptimas, a concentração de cálcio determinada foi de 527 mg/kg no produto da reacção catalisada com CaO-N2 e 475 mg/kg com CaO-A. O óxido de cálcio apresentou-se como um excelente catalisador na transesterificação da mistura de óleos alimentares usados utilizada no presente trabalho, apresentando uma performance ao nível da obtida por catálise homogénea básica. Não se observaram diferenças significativas de performance entre o CaO-N2 e o CaO-Ar, sendo possível obter nas mesmas condições reaccionais produtos com teores de FAME’s superiores a 95 % utilizando qualquer um deles como catalisador. O elevado teor de cálcio lixiviado observado nos produtos, apresenta-se como o principal obstáculo à aplicação a nível industrial do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos.

Kinetic, Structural, and EPR Studies Reveal That Aldehyde Oxidoreductase from Desulfovibrio gigas Does Not Need a Sulfido Ligand for Catalysis and Give Evidence for a Direct Mo-C Interaction in a Biological System

J. Am. Chem. Soc., 2009, 131 (23), pp 7990–7998 DOI: 10.1021/ja809448r

Benefits of membrane electrodes in the electrochemistry of metalloproteins: mediated catalysis of Paracoccus pantotrophus cytochrome c peroxidase by horse cytochrome c: a case study

J Biol Inorg Chem. 2008 Jun;13(5):779-87. doi: 10.1007/s00775-008-0365-8

Mediated catalysis of Paracoccus pantotrophus cytochrome c peroxidase by P. pantotrophus pseudoazurin: kinetics of intermolecular electron transfer

J Biol Inorg Chem (2007) 12:691–698 DOI 10.1007/s00775-007-0219-9