Chemisorption and reactivity of furan on Pd{111}

XPS, HREELS, ARUPS and Delta phi data show that furan chemisorbs non-dissociatively on Pd{111} at 175 K, the molecular plane being significantly tilted with respect to the surface normal. Bonding involves both the oxygen lone pair and significant a interaction with the substrate. The degree of decomposition that accompanies molecular desorption is a strong function of coverage: similar to 40% of the adsorbate desorbs molecularly from the saturated monolayer. Decomposition occurs via decarbonylation to yield COa and H-a followed by desorption rate limited loss of H-2 and CO. It seems probable that an adsorbed C3H3 species formed during this process undergoes subsequent stepwise dehydrogenation ultimately yielding H-2 and C-a.

Understanding the Optimal Adsorption Energies for Catalyst Screening in Heterogeneous Catalysis

The fundamental understanding of the activity in heterogeneous catalysis has long been the major subject in chemistry. This paper shows the development of a two-step model to understand this activity. Using the theory of chemical potential kinetics with Bronsted-Evans-Polanyi relations, the general adsorption energy window is determined from volcano curves, using which the best catalysts can be searched. Significant insights into the reasons for catalytic activity are obtained.

Novel ruthenium-terpyridyl complex for direct oxidation of amines to nitriles

High catalytic activity and selectivity has been demonstrated for the oxidation of both aliphatic and aromatic amines to nitriles under benign conditions with dioxygen or air using the Ru2Cl4(az-tpy)(2) complex. The conversion was found to be strongly influenced by the alkyl chain length of the reactant with shorter chain amines found to have lower conversions than those with longer chains. Importantly, by using the ruthenium terpyridine complex functionalized with azulenyl moiety at the 4 position of central pyridine core provided a much higher reactivity catalyst compared with a series of ruthenium terpyridine-based ligand complexes reported. Mechanistic studies using deuterated benzylamine demonstrated the importance of RuOH in this reaction.

The Role of Water and Adsorbed Hydroxyls on Ethanol Electrochemistry on Pd: New Mechanism, Active Centers and Energetics for Direct Ethanol Fuel Cell Running in Alkaline Medium

First principles calculations with molecular dynamics are
utilized to simulate a simplified electrical double layer formed in the
active electric potential region during the electrocatalytic oxidation of
ethanol on Pd electrodes running in an alkaline electrolyte. Our
simulations provide an atomic level insight into how ethanol oxidation
occurs in fuel cells: New mechanisms in the presence of the simplified
electrical double layer are found to be different from the traditional
ones; through concerted-like dehydrogenation paths, both acetaldehyde
and acetate are produced in such a way as to avoid a variety of
intermediates, which is consistent with the experimental data obtained
from in situ FTIR spectroscopy. Our work shows that adsorbed OH on
the Pd electrode rather than Pd atoms is the active center for the
reactions; the dissociation of the C−H bond is facilitated by the
adsorption of an OH− anion on the surface, resulting in the formation
of water. Our calculations demonstrate that water dissociation rather than H desorption is the main channel through which
electrical current is generated on the Pd electrode. The effects of the inner Helmholtz layer and the outer Helmholtz layer are
decoupled, with only the inner Helmholtz layer being found to have a significant impact on the mechanistics of the reaction. Our
results provide atomic level insight into the significance of the simplified electrical double layer in electrocatalysis, which may be
of general importance.

The origin of high activity but low CO2 selectivity on binary PtSn in the direct ethanol fuel cell

The most active binary PtSn catalyst for direct ethanol fuel cell applications has been studied at 20 ^oC and 60 ^oC, using variable temperature electrochemical in-situ FTIR. In comparison with Pt, binary PtSn inhibits ethanol dissociation to CO(a), but promotes partial oxidation to acetaldehyde and acetic acid. Increasing the temperature from 20 ^oC to 60 ^oC facilitates both ethanol dissociation to CO(a) and their further oxidation to CO₂, leading to an increased selectivity towards CO₂; however, acetaldehyde and acetic acid are still the main products. Potential-dependent phase diagrams for surface oxidants of OH(a) formation on Pt(111), Pt(211) and Sn modified Pt(111) and Pt(211) surfaces have been determined using density functional theory (DFT) calculations. It is shown that Sn promotes the formation of OH(a) with a lower onset potential on the Pt(111) surface, whereas an increase in the onset potential is found on modification of the (211) surface. In addition, Sn inhibits the Pt(211) step edge with respect to ethanol C-C bond breaking compared with that found on the pure Pt, which reduces the formation of CO(a). Sn was also found to facilitate ethanol dehydrogenation and partial oxidation to acetaldehyde and acetic acid which, combined with the more facile OH(a) formation on the Pt(111) surface, gives us a clear understanding of the experimentally determined results. This combined electrochemical in-situ FTIR and DFT study, provides, for the first time, an insight into the long-term puzzling features of the high activity but low CO₂ production found on binary PtSn ethanol fuel cell catalysts.

Expansion of pulse responses from temporal analysis of products (TAP) pulse responses for more accurate data analysis

TAP pulse responses are normally analysed using moments, which are integrals of the full TAP pulse response. However, in some cases the entire pulse response may not be recorded due to technical reasons, thereby compromising any data analysis due to moments generated from incomplete pulse responses. The current work discloses the development of a function which mathematically expands the tail of a TAP pulse response, so that the TAP data analysis can be accurately conducted. This newly developed analysis method has been applied to the oxidative dehydrogenation of ethane over Co–Cr–Sn–WOx/α-Al2O3 and Co–Cr–Sn–WOx/α-Al2O3 catalysts as a case study.

Palladium catalysed tandem cyclisation - Anion capture processes .2. Cyclisation onto alkynes or allenes with hydride capture.

A wide range of palladium catalysed regio- and stereo-specific 5-, 6- and 7-exo-dig mono-, bis- and tris-cyclisation processes of aryl and vinyl halides and allylic acetates are described. The mono- and bis-cyclisation processes terminate in hydride capture from piperidine-formic acid or sodium formate. Addition of TI2CO3 results in alkyne-allene isomerisation and leads, after cyclisation, to 1,3-dienes which give Diels-Alder adducts in good yield. Copyright (C) 1996 Elsevier Science Ltd

Identifying the trend of reactivity for sp2 materials: an electron delocalization model from first principles calculations

The reactivity of sp² carbon materials is studied using the adsorption and dissociation of O₂ on graphene and graphene oxide as model systems. The reactions on the basal plane, zigzag and armchair edges of graphene and graphene oxide with different oxygen-containing groups are calculated using first principles calculations. Two Brønsted-Evans- Polanyi relationships are identified and an electron delocalization model is suggested to understand the general trend of reactivity for sp² carbon materials.

Understanding Complete Oxidation of Methane on Spinel Oxides at Molecular Level

It is crucial to develop a catalyst made of earth-abundant elements highly active for a complete oxidation of methane at a relatively low temperature. NiCo₂O₄ consisting of earth-abundant elements which can completely oxidize methane in the temperature range of 350-550 °C. Being a cost-effective catalyst, NiCo₂O₄ exhibits activity higher than precious-metal-based catalysts. Here we report that the higher catalytic activity at the relatively low temperature results from the integration of nickel cations, cobalt cations and surface lattice oxygen atoms/oxygen vacancies at the atomic scale. In situ studies of complete oxidation of methane on NiCo₂O₄ and theoretical simulations show that methane dissociates to methyl on nickel cations and then couple with surface lattice oxygen atoms to form -CH₃O with a following dehydrogenation to -CH₂O; a following oxidative dehydrogenation forms CHO; CHO is transformed to product molecules through two different sub-pathways including dehydrogenation of OCHO and CO oxidation.

Methanol electro-oxidation on platinum modified tungsten carbides in direct methanol fuel cells: a DFT study

In exploration of low-cost electrocatalysts for direct methanol fuel cells (DMFCs), Pt modified tungsten carbide (WC) materials are found to be great potential candidates for decreasing Pt usage whilst exhibiting satisfactory reactivity. In this work, the mechanisms, onset potentials and activity for electrooxidation of methanol were studied on a series of Pt-modified WC catalysts where the bare W-terminated WC(0001) substrate was employed. In the surface energy calculations of a series of Pt-modified WC models, we found that the feasible structures are mono- and bi-layer Pt-modified WCs. The tri-layer Pt-modified WC model is not thermodynamically stable where the top layer Pt atoms tend to accumulate and form particles or clusters rather than being dispersed as a layer. We further calculated the mechanisms of methanol oxidation on the feasible models via methanol dehydrogenation to CO involving C-H and O-H bonds dissociating subsequently, and further CO oxidation with the C-O bond association. The onset potentials for the oxidation reactions over the Pt-modified WC catalysts were determined thermodynamically by water dissociation to surface OH* species. The activities of these Pt-modified WC catalysts were estimated from the calculated kinetic data. It has been found that the bi-layer Pt-modified WC catalysts may provide a good reactivity and an onset oxidation potential comparable to pure Pt and serve as promising electrocatalysts for DMFCs with a significant decrease in Pt usage.

Chemoenzymatic synthesis of enantiopure hydroxy sulfoxides derived from substituted arenes

Enantiopure β-hydroxy sulfoxides and catechol sulfoxides were obtained, by chemoenzymatic synthesis, involving dioxygenase-catalysed benzylic hydroxylation or arene cis-dihydroxylation and cis-diol dehydrogenase-catalysed dehydrogenation. Absolute configurations of chiral hydroxy sulfoxides were determined by X-ray crystallography, ECD spectroscopy and stereochemical correlation. The application of a new range of β-hydroxy sulfoxides as chiral ligands was examined.

Catalisadores ou precursores de espécies activas à base de molibdénio

Atendendo à produção de epóxidos em larga escala e à sua importância como intermediários versáteis, muita atenção tem sido dada à epoxidação de olefinas. Destaca-se a implementação do processo industrial de epoxidação de propileno em fase líquida com tBHP, usando complexos de molibdénio como catalisadores homogéneos (Halcon-ARCO). Neste trabalho foram investigados novos complexos à base de molibdénio como catalisadores (ou precursores) para epoxidação de olefinas em fase líquida. Foi objecto de estudo a identificação das espécies activas e a estabilidade dos catalisadores através da sua separação no final das reacções catalíticas, caracterização e reutilização. Escolheu-se como reacção modelo a epoxidação do ciscicloocteno com tBHP (em decano, tBHPdec), a 55 ºC. Estendeu-se o estudo dos desempenhos catalíticos a diferentes substratos, oxidantes, solventes e métodos de aquecimento. A maior actividade catalítica foi observada para os complexos [MoO2Cl2L2] (L=ligando dialquilamida), mais estáveis e fáceis de manusear que [MoO2Cl2] e complexos análogos com L {THF, MeCN} (Cap. 2). A partir destes complexos podem-se formar in situ espécies activas intermediárias do tipo [(MoO2ClL2)2(μ-O)]. O complexo [MoO2(Lzol)], Lzol= ligando oxazolina quiral (Cap. 3), é um catalisador estável e versátil, activo para a epoxidação de diversas olefinas (selectividades elevadas para epóxidos, mas enantioselectividades baixas), desidrogenação oxidativa de álcoois e sulfoxidação de sulfuretos. O catalisador foi também reciclado eficientemente, usando um líquido iónico (LI). O complexo iónico [MoO2Cl{HC(3,5-Me2pz)3}]BF4 (Cap.4) converteu-se nos complexos activos [{MoO2(HC(3,5-Me2pz)3)}2(μ-O)](BF4)2, [Mo2O3(O2)2(μ-O){HC(3,5-Me2pz)3}] e [MoO3{HC(3,5-Me2pz)3}]; quando dissolvido num LI, o catalisador foi reciclado com sucesso. A presença de água e o meio oxidante influenciaram a formação destas espécies. Os complexos [CpMo(CO)3Me] (Cap.5) e [CpMo(CO)2(η3- C3H5)] (Cap.6) originaram espécies activas similares (baseado nos testes catalíticos e nos espectros FT-IR ATR dos sólidos recuperados). Para [Cp'Mo(CO)2(η3-C3H5)], a influência do Cp' na actividade catalítica sugeriu a formação de espécies activas com este ligando. A partir dos complexos [Mo(CO)4L] formaram-se in situ catalisadores estáveis, que podem ser heterogéneos: para L=2-[3(5)-pirazolil]piridina formou-se [Mo4O12L4]; para L=[3- (2-piridil)-1-pirazolil]acetato de etilo formou-se [Mo8O24L4] (Cap.7). O uso de microondas (MO) como método de aquecimento em vez de um banho de óleo (BO) resultou no aumento da velocidade da reacção catalítica, devido ao aquecimento mais rápido da mistura reaccional (Caps. 5 e 7). A utilização da solução aquosa de tBHP em vez de tBHPdec era preferível, porque excluía o decano do sistema reaccional e mantinham-se elevados os rendimentos em epóxido (Caps. 2 e 6); optimizou-se o desempenho catalítico removendo a água das misturas reaccionais (Caps. 4 e 7). O melhor resultado para a epoxidação de limoneno foi observado para [CpMoCO3Me]: 88% de rendimento em epóxido (2 h, 55 ºC, método de aquecimento MO).

Novos métodos de síntese de 4-quinolonas e benzo[b]acridonas

As 4-quinolonas e as acridonas são duas importantes famílias de compostos heterocíclicos azotados naturais que apresentam uma variedade de importantes aplicações biológicas. As 4-quinolonas têm sido objecto de extensos estudos devido às suas potenciais aplicações como fortes agentes citotóxicos, antimitóticos e anti-plaquetários e como protectores cardiovasculares, mas o seu uso é principalmente como antibióticos de largo espectro. As acridonas são conhecidas por apresentarem importante actividade antiviral, antiparasitária, contra a leishmania e a malária, e anticancerígena. A variedade de importantes aplicações biológicas das 4-quinolonas e das acridonas e a contínua procura pela comunidade científica de novas substâncias com actividades biológicas atractivas destaca estes compostos como alvos interessantes para a preparação de novos derivados e/ou para o desenvolvimento de novos métodos de síntese destas duas famílias de compostos. No primeiro capítulo desta dissertação descreve-se a síntese dos compostos de partida que tiveram de ser previamente preparados para o desenvolvimento das novas rotas de síntese apresentadas nos capítulos seguintes. A 4-cloro-3- formilquinolina foi obtida através da reacção de Vilsmeier-Haack da 2’-aminoacetofenona enquanto que a 3-formilquinolin-4(1H)-ona foi facilmente preparada por hidrólise ácida da anterior. Foi necessário proteger o grupo amina da quinolin-4(1H)-ona para evitar reacções secundárias e foram descritas as reacções de protecção com o grupo metilo, etoxicarbonilo e ptoluenossulfonilo. Os 2,2-dióxidos de 1,3-di-hidrobenzo[c]tiofeno, necessários para o estudo das reacções de Diels-Alder, não se encontram disponíveis comercialmente e a sua síntese é também descrita. No segundo capítulo reporta-se uma nova e eficiente rota de síntese de (Z)- e (E)-3-estirilquinolin-4(1H)-onas a partir da reacção de Wittig da 4-cloro-3- formilquinolina e de 3-formilquinolin-4(1H)-onas com benzilidenotrifenilfosforanos. As (Z)-3-estirilquinolin-4(1H)-onas foram obtidas com elevada diastereoselectividade a partir da reacção das 3-formilquinolin- 4(1H)-onas N-protegidas enquanto que as (E)-3-estirilquinolin-4(1H)-onas foram preparadas através da reacção de Wittig da 4-cloro-3-formilquinolina seguida da hidrólise ácida das respectivas (Z)- e (E)-4-cloro-3-estirilquinolinas obtidas. Ambas as rotas sintéticas são eficientes, independentemente dos substituintes dos benzilidenotrifenilfosforanos. No terceiro capítulo, descreve-se um novo método de síntese de novas benzo[b]acridonas a partir da reacção de Diels-Alder de 3-formilquinolin-4(1H)- onas N-protegidas, que actuam como dienófilos, com dienos altamente reactivos, os orto-benzoquinodimetanos, preparados in situ através da extrusão térmica do dióxido de enxofre dos respectivos 2,2-dióxidos de 1,3-dihidrobenzo[ c]tiofeno. A reacção de cicloadição das 3-formilquinolin-4(1H)-onas N-protegidas com orto-benzoquinodimetanos origina as benzo[b]-1,6,6a,12atetra- hidroacridin-12(7H)-onas esperadas, que são o resultado da referida cicloadição seguida de desformilação in situ, e mostrou ser eficiente apenas quando o grupo amina está derivatizado com um grupo sacador de electrões. A desidrogenação destas benzo[b]-1,6,6a,12a-tetra-hidroacridin-12(7H)-onas em dimetilsulfóxido utilizando uma quantidade catalítica de iodo foi também descrita e originou como produto principal as benzo[b]acridin-12(7H)-onas N-desprotegidas. Todos os compostos novos sintetizados foram caracterizados por diversas técnicas analíticas, especialmente por estudos espectroscópicos de ressonância magnética nuclear (RMN), incluindo espectros de 1H e 13C, bidimensionais de correlação espectroscópica homonuclear e heteronuclear e de efeito nuclear de Overhauser (NOESY). Foram também efectuados, sempre que possível, espectros de massa (EM) e análises elementares ou espectros de massa de alta resolução (EMAR) para todos os compostos novos sintetizados. O tautomerismo da 3-formil- e 3-estirilquinolin-4(1H)-onas e as isomerizações (E) (Z) e rotacional das 3-estirilquinolin-4(1H)-onas e das 4-cloro-3-estirilquinolinas foram estudados através de ressonância magnética nuclear experimental (RMN 1H e 13C) e teórica [B3LYP/6-311++G(d,p)].

4-Quinolonas: novos métodos de síntese e transformação em acridonas

A presente dissertação é constituída por quatro capítulos, organizados em introdução geral, discussão do trabalho desenvolvido na síntese de quinolin-4(1H)-onas e acridonas, caracterização estrutural dos novos compostos sintetizados e parte experimental. No primeiro capítulo desta dissertação é apresentada uma breve revisão bibliográfica de quinolin-4(1H)-onas e acridonas, abrangendo a respectiva nomenclatura, ocorrência natural e métodos de síntese. O segundo capítulo engloba estudos da reactividade de (E)-2-estirilquinolin-4(1H)-onas e (E)-N-(2-acetilfenil)-3-arilacrilamidas como dienófilos com o-benzoquinodimetanos, gerados in situ a partir da extrusão quelotrópica do dióxido de enxofre de 2,2-dióxidos de 1,3-di-hidrobenzo[c]tiofenos. Estes estudos conduziram à obtenção de novas 2-(3-aril-1,2,3,4-tetra-hidronaftalen-2-il)-1-metilquinolin-4(1H)-onas e análogos não substituídos no átomo de azoto N1 da quinolin-4(1H)-ona. Em seguida foram estudadas as reações de desidrogenação e fotociclização dos compostos obtidos anteriormente, com vista à obtenção de novas 2-(3-arilnaftalen-2-il)-1-metilquinolin-4(1H)-onas, análogos não substituídos em N1 e de novas acridonas. No segundo capítulo também é abordada a síntese dos compostos precursores, as (E)-N-(2-acetilfenil)-3-arilacrilamidas, as (E)-2-estirilquinolin-4(1H)-onas e os 2,2-dióxidos de 1,3-di-hidrobenzo[c]tiofenos. No terceiro capitulo é discutida a caracterização estrutural das novas quinolin-4(1H)-onas e acridona sintetizadas, com estudos de espetroscopia de ressonância magnética nuclear 1D (1H e 13C) e 2D (homo- e heteronuclear). O quarto capítulo inclui toda a parte experimental, contendo os procedimentos optimizados para a síntese e purificação destes compostos, e a caracterização estrutural dos novos compostos sintetizados.

Analyse cinétique des rétinaldéhydes déshydrogénases recombinantes de type 3 et 4 de souris

Les Rétinal déshydrogénases (RALDHs) catalysent irréversiblement la déshydrogénation du Rétinal en Acide Rétinoïque (AR) qui est impliqué dans l’embryogenèse et la différenciation tissulaire. Pour comprendre le rôle dans la biosynthèse de l’AR des RALDHs type 3 et 4 de souris, nous avons déterminé leurs propriétés cinétiques ainsi que leur comportement en présence de différents inhibiteurs. Les tests enzymatiques sont effectués avec une préparation d’enzyme recombinante, tagguée avec 6 histidines, purifiée sur colonne Ni-NTA (Qiagen). L’activité enzymatique est évaluée en quantifiant la production d’AR par chromatographie liquide à haute performance (HPLC) en phase inversée. Les constantes cinétiques ont été déterminées pour les isomères du rétinal tout-trans, 9-cis et 13-cis. La RALDH4 catalyse les isomères 9-cis et 13-cis de rétinal, elle présente un faible KM (3μM) pour les deux isomères et a une efficacité catalytique élevée pour le 9-cis rétinal 3.4 fois supérieure au 13-cis rétinal. La RALDH3 est spécifique au tout-trans rétinal avec un KM de 4 μM et une efficacité élevée. β-Ionone, inhibiteur possible pour la RALDH4, inhibe l’activité avec le rétinal 9-cis et 13-cis, mais n’influence pas l’activité de la RALDH3. Le para-hydroxymercuribenzoïque (p-HMB) inhibe l’activité de deux isoenzymes. Le cation MgCl2 augmente par 3 fois l’oxydation du rétinal 13-cis par la RALDH4, diminue l’oxydation du 9-cis rétinal et influence faiblement la RALDH3. Ces données enrichissent les connaissances sur les caractéristiques cinétiques des RALDHs recombinantes de souris de types 3 et 4 et fournissent des éclaircissements sur la biogenèse de l’acide rétinoïque in vivo.