Mecanismes de reacció de sistemes catalítics amb èmfasi en carbens de Fischer i quantificació de l'aromaticitat en petites molècules inorgàniques cícliques i planes.

El tema principal del treball és sobre l'estudi teòric de l'estructura i reactivitat en carbens de Fischer de la forma (CO)5Cr=C(X)R (X= OH, NH2, OMe, NMe2 i R= CHCH2 i Ph). Particularment, el nostre interès va sorgir del tipus de reaccions de cicloadicció que donen lloc a la síntesi de productes naturals i fàrmacs de gran valor afegit. Hem estudiat els mecanismes de reacció dels casos més comuns de cicloanul•lació: la reacció de benzanul•lació de Dötz i ciclopentanulacions que es troben en competència amb el primer cas, derivats de l'inserció de acetilè i fenilacetilè. En l'últim pas de les reaccions que comporten la formació d'un sistema de més d'un anell, hi tenim una migració del complex metàl•lic de crom d'un extrem a un altre anomenat com rearranjament haptotròpic. Aleshores, hem investigat sobre els mecanismes de migració haptotròpica de Cr(CO)3 sobre hidrocarburs aromàtics policíclics analitzant l'efecte de la mida i la curvatura del sistema així com la complexació d'un segon fragment metàl•lic a la manera de coordinació als anells. D'una altre banda, vam estudiar l'aromaticitat en 54 cúmuls cíclics de molecules inorgàniques mitjançant metodologia desenvolupada al nostre grup de recerca i altres. Vam proposar la tècnica del scan-NICS com nova mesura quantitativa d'aromaticitat i reportar l'escassa correlació entre els distints índexs d'aromaticitat a la literatura. Finalment, com resultat de col•laboracions en estades de recerca, he desenvolupat propostes de mecanismes de reacció en sistemes catalítics de isonitrils i fosfinetà-amides i en dímers de gassos nobles.

The nature of the Cr-C bond: direct estimation of aromaticity in Fischer carbenes

Report for the scientific sojourn at the the Philipps-Universität Marburg, Germany, from september to december 2007. For the first, we employed the Energy-Decomposition Analysis (EDA) to investigate aromaticity on Fischer carbenes as it is related through all the reaction mechanisms studied in my PhD thesis. This powerful tool, compared with other well-known aromaticity indices in the literature like NICS, is useful not only for quantitative results but also to measure the degree of conjugation or hyperconjugation in molecules. Our results showed for the annelated benzenoid systems studied here, that electron density is more concentrated on the outer rings than in the central one. The strain-induced bond localization plays a major role as a driven force to keep the more substituted ring as the less aromatic. The discussion presented in this work was contrasted at different levels of theory to calibrate the method and ensure the consistency of our results. We think these conclusions can also be extended to arene chemistry for explaining aromaticity and regioselectivity reactions found in those systems.In the second work, we have employed the Turbomole program package and density-functionals of the best performance in the state of art, to explore reaction mechanisms in the noble gas chemistry. Particularly, we were interested in compounds of the form H--Ng--Ng--F (where Ng (Noble Gas) = Ar, Kr and Xe) and we investigated the relative stability of these species. Our quantum chemical calculations predict that the dixenon compound HXeXeF has an activation barrier for decomposition of 11 kcal/mol which should be large enough to identify the molecule in a low-temperature matrix. The other noble gases present lower activation barriers and therefore are more labile and difficult to be observable systems experimentally.

Eräiden paperinvalmistuksessa käytettävien vahadispersioiden stabiilisuuden hallinta

Diplomityön tavoitteena oli selvittää millainen laaduntarkastus AKD-dispersioille tulisi suorittaa kuormien vastaanotossa ja tulisiko dispersioiden laatu tarkastaa uudelleen ennen annostelua. Tätä varten seurattiin toimituserien laadun tasaisuutta ja tarkasteltiin varastointiolosuhteiden vaikutusta dispersioiden säilyvyyteen. Lisäksi kartoitettiin dispersioiden käsittelyssä ja kartonginvalmistusprosessissa esiintyvien riskitekijöiden vaikutuksia kaupallisten dispersioiden stabiilisuuteen. Kirjallisuusosassa perehdyttiin kolloidisiin dispersioihin sekä niiden stabiilisuuteen vaikuttaviin tekijöihin. AKD-dispersiot valmistetaan emulgointitekniikoiden avulla, joten dispergointimenetelmien ohella käsiteltiin myös emulsioiden valmistamista. Lisäksi luotiin katsaus dispersioteknologian tärkeimpiin analyysimenetelmiin. Alkyyliketeenidimeerin osalta käsiteltiin emulgoinnin lisäksi vahan ja muiden lisäaineiden vaikutuksia dispersioiden stabiilisuuteen ja myös niiden merkitystä dispersioiden formuloinnissa. AKD-liimauksen osalta esiin tuotiin AKD:n tärkeimmät reaktiomekanismit, sillä ne liittyvät osittain myös dispersioiden stabiilisuuteen. Lopuksi luotiin lyhyt katsaus AKD-dispersioiden stabiilisuutta käsittelevään tutkimukseen, jota on toistaiseksi julkaistu varsin niukasti. Kokeellisessaosassa tarkastelun kohteeksi valittiin neljä kaupallista alkyyliketeenidimeerinvesidispersiota, joiden koostumus ja ominaisuudet selvitettiin perusteellisesti. Tarkoituksena oli auttaa ymmärtämään dispersioiden stabiilisuudessa mahdollisesti esiintyviä eroja. Laajamittainen dispersioiden karakterisointi näyttää olevan tarpeen ainakin otettaessa uutta AKD-laatua käyttöön, sillä dispersioiden koostumus ja ominaisuudet voivat vaihdella merkittävästi. AKD-dispersioiden laadussa esiintyi vaihtelua eri toimituserien välillä. Suurimmat vaihtelut havaittiin dispersioiden varaustiloissa ja partikkelikokojakaumissa. Laadun epätasaisuuden vuoksi vastaanottotarkastuksen merkitys korostuu. Vastaanottotarkastuksessa syytä olisi kiinnittää dispersion kuiva-ainepitoisuuden ohella sen viskositeettiin, varaustilaan, tehoainepitoisuuteen sekä rakenteeseen. Rakenteen tarkastelussa optinen mikroskooppi voi rutiininomaisessa seurannassa korvata partikkelikokojakauman määrittämisen. Varastointilämpötilan vaikutus dispersioidenlaatuun on merkittävä. Dispersiot säilyvät parhaiten viileässä, joten jos varastosäiliöissä ei ole jäähdytystä, on dispersioiden laadun tarkastus tarpeen myös ennen annostelua. Jotta dispersion kunnosta saadaan luotettava arvio, on viskositeetin määrittämiseen yhdistettävä vähintään rakenteen tarkastelu optisella mikroskoopilla. Mekaaninen rasitus voi dominoivasta stabilointimekanismistariippuen aiheuttaa dispersiossa hienoaineen muodostumista tai partikkelien flokkaantumista. Stabilointimekanismi vaikuttaa niin ikään partikkelien käyttäytymiseen korkeissa lämpötiloissa. Dispersioiden stabiilisuuden todettiin heikkenevän pH:n kohotessa emäksiselle alueelle. Elektrolyyttikonsentraatio vaikuttaa partikkelien mikroelektroforeettiseen ioniliikkuvuuteen merkittävästi. Kartonkikoneen märkäosan kemikaaleista anionisen retentioaineen (BMA) todettiin vuorovaikuttavan kationisten AKD-partikkelien kanssa selvimmin. Mikroelektroforeettisen ioniliikkuvuuden mittaaminen kiertovedessä todettiin tärkeäksi, sillä se kuvaa dispersion käyttäytymistä sen käyttöympäristössä.

Pitkäketjuisten keteenien valmistusreaktiot ja kinetiikka.

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia pitkäketjuisten rasvahappokloridien ja alkyyliketeenidimeerien (AKD) valmistusreaktioiden kinetiikkaa. Työn tavoitteena oli saada mittaustuloksia, joiden perusteella voitaisiin kehittää reaktioille kineettinen kineettinen malli ja suorittaa valmistusprosessien alustava optimointi. Teoreettisessa osassa on selvitetty rasvahappokloridien ja alkyyliketeenidimeerien (AKD) eri valmistustapoja. Lisäksi on perehdytty tarkemmin rasvahappokloridien dehydrohalogenointireaktioiden reaktiomekanismeihin ja valmistusprosessin problematiikkaan. Kokeellisessa osassa tutkittiin rasvahappokloridien valmistusta klooraamalla öljyhappoa 30 mol-% fosforitrikloridiylimäärällä lämpötiloissa 45, 50 ja 55OC. Alkyyliketeenidimeerien valmistusta tutkittiin dehydrohalogenoimalla palmitiini- ja öljyhappokloridia 0-30 mol-% trietyyliamiiniylimäärällä inertissä liuottimessa, lämpötiloissa 45 ja 50OC. Reaktiot toteutettiin puolipanosreaktiona, joissa reaktioastiassa olevaan reagenssin ja liuottimen seokseen lisättiin lähtöaine tasaisena massavirtana. Reaktioiden etenemistä seurattiin FT-IR- ja GC-analyysien avulla. Kalorimetrisilla kokeilla tutkittiin öljyhappokloridin dimeroitumisreaktion reaktiolämmön muodostumista ja UV-VIS-analyyseillä seurattiin öljyhappokloridin vanhenemista. Öljyhappokloridin valmistusreaktiolle saatiin hyvä kineettinen malli. Kineettisen mallin puutteena voidaan pitää sitä, ettei kokeissa saatu tietoa mahdollisten sivutuotteiden muodostumisesta. Sovitusohjelmalla saatiin sovitettua estimaatit reaktionopeusvakioille lämpötiloissa 45, 50 ja 55OC. Happokloridien dimeroitumisreaktioiden kineettisen mallin sopivuudelle saatiin suhteellisen hyvä kuva Kuten öljyhappokloridin tapauksessa, myöskään AKD:n valmistusreaktioissa syntynyt sivutuotteita, joten niiden osuutta oletettuun kineettiseen malliin ei tunneta. Sovitusohjelmalla saatiin sovitettua estimaatit reaktionopeusvakioille lämpötiloissa 45 ja 50OC.

Mecanismo de fotodegradação de compostos orgânicos catalisada por TiO2

Conventional technology used in the treatment of wastewater has been pointed as a major environmental problem for sustainable development, since minimization is not addressed accordingly. Advanced oxidation processes (AOP), based on the formation of hydroxyl radical (•OH), a powerful oxidant agent, have been considered to be a potential technology for the destruction of many toxic compounds. Photocatalysis using solar light, an AOP, has been studied for nearly 20 years and recently attracted great interest as a clean-up technology. However, solar detoxification processes have not yet achieved commercial success. This article presents an overview of reaction mechanisms at the surface of semiconductors used as photocatalysts (specially TiO2), when heterogeneous photocatalysis is used to remove hazardous compounds from contaminated sites.

Otimização de um mecanismo fotoquímico para a simulação da atmosfera urbana brasileira

A photochemical reaction mechanism for the description of air quality in Brazilian urban regions is described and evaluated by comparison with chamber experiments. The mechanism was developed for use in ozone modeling and application of control strategies. The oxidation of ethanol and methyl-ter-butyl-ether is also considered. Using this chemical model, a trajectory simulation of Brazil Avenue, Rio de Janeiro, was performed. The model predicts that ozone should reach a maximum of 22.4 ppb at 14:57 h. This value is in good agreement with the experimental measurements of 22.5 ppb for 14:00 h and 22.3 ppb for 15:00 h.

Redução de amidas por boranos

Despite the fact that boranes are frequently used in amide reductions, the reaction mechanisms of the involved are note well known. This work presents the results of a bibliographic search on probable amide reduction mechanisms and an analysis of the existing literature. Steric and electronic effects were considered in light of reactivity since it could be concluded that the formation of intermediates and products depends mainly on the substitution patterns of both the boron and nitrogen atoms. Otherwise, results described in the literature for the reactions of boranes, sodium borohydride, lithium aluminum hydride, alkylboranes or haloboranes with others functional groups such as carboxylic acids, esters, ketones and alkenes were analysed with the aim to obtain something about the N-substituted amide reactions employing boranes.

Uma perspectiva computacional sobre catálise enzimática

Enzymes are extremely efficient catalysts. Here, part of the mechanisms proposed to explain this catalytic power will be compared to quantitative experimental results and computer simulations. Influence of the enzymatic environment over species along the reaction coordinate will be analysed. Concepts of transition state stabilisation and reactant destabilisation will be confronted. Divided site model and near-attack conformation hypotheses will also be discussed. Molecular interactions such as covalent catalysis, general acid-base catalysis, electrostatics, entropic effects, steric hindrance, quantum and dynamical effects will also be analysed as sources of catalysis. Reaction mechanisms, in particular that catalysed by protein tyrosine phosphatases, illustrate the concepts.

O ensino de reações orgânicas usando química computacional: I. reações de adição eletrofílica a alquenos

Basic concepts that play an important role in some organic reactions are revisited in this paper, which reports a pedagogical experience involving undergraduate and graduate students. A systematic procedure has been applied in order to use widespread available computational tools. This paper aims to discuss the use of computers in teaching electrophilic addition reactions to alkenes. Two classical examples have been investigated: addition to non-conjugated alkenes and addition to conjugated dienes. The results were compared with those normally discussed in organic textbooks. Several important concepts, such as conformational analysis and energy control (kinetic and thermodynamic) involved in reaction mechanisms can be taught more efficiently if one connects theoretical and practical tools.

Temperature measurements by oh lif and chemiluminescence kinetic modeling for ethanol flames

OH LIF-thermometry was applied to premixed ethanol flames at atmospheric pressure in a burner for three flame conditions. Flame temperatures were simulated from energy equation with PREMIX code of CHEMKIN software package for comparison. A kinetic modeling based on a model validated through chemiluminescence measurements and on a set of reactions for nitrogen chemistry was evaluated. Marinov's mechanism was also tested. Sensitivity analysis was performed for fuel-rich flame condition with Φ = 1.34. Simulated temperatures from both reaction mechanisms evaluated were higher than experimental values. However, the proposed kinetic modeling resulted in temperature profiles qualitatively very close to the experimental.

Luz: um raro produto de reação

The production of visible light by chemical reactions constitutes interesting and fascinating phenomena and several reaction mechanisms are discussed to rationalize excited state formation. Most efficient chemiluminescence reactions are thought to involve one or more electron transfer steps and chemiexcitation is believed to occur by radical annihilation. A brief introduction to the general principles of light production and the main known chemiexcitation mechanisms will be given here. Subsequently, recent results on the mechanistic elucidation of efficient chemiluminescence systems, as the peroxyoxalate reaction, the induced decomposition of phenoxy-substituted 1,2-dioxetanes and the catalyzed decomposition of new a-peroxylactones will be discussed.

Diferentes estratégias para a reticulação de quitosana

One of the most important aspects of chitosan' derivatization depends on the crosslinking of their polymeric chains. This chemical strategy may confer new properties to those derivatives, which can be used to enhance their biotechnological applications. So far, this work aims to discuss some strategies related to the crosslinking of chitosan focusing on reagents, reaction mechanisms and properties/applications of the crosslinked derivatives in several fields of science.

Molecular modeling of asymmetric induction in heterogeneously catalyzed hydrogenation of the C=O bond

Modifiering av metallytor med starkt adsorberade kirala organiska molekyler är eventuellt den mest relevanta teknik man vet i dag för att skapa kirala ytor. Den kan utnyttjas i katalytisk produktion av enantiomeriskt rena kirala föreningar som behövs t.ex. som läkemedel och aromkemikalier. Trots många fördelar av asymmetrisk heterogen katalys jämfört med andra sätt för att få kirala föreningar, har den ändå inte blivit ett allmänt verktyg för storskaliga tillämpningar. Detta beror t.ex. på brist på djupare kunskaper i katalytiska reaktionsmekanismer och ursprunget för asymmetrisk induktion. I denna studie användes molekylmodelleringstekniker för att studera asymmetriska, heterogena katalytiska system, speciellt hydrering av prokirala karbonylföreningar till motsvarande kirala alkoholer på cinchona-alkaloidmodifierade Pt-katalysatorer. 1-Fenyl-1,2-propandion (PPD) och några andra föreningar, som innehåller en prokiral C=O-grupp, användes som reaktanter. Konformationer av reaktanter och cinchona-alkaloider (som kallas modifierare) samt vätebundna 1:1-komplex mellan dem studerades i gas- och lösningsfas med metoder som baserar sig på vågfunktionsteori och täthetsfunktionalteori (DFT). För beräkningen av protonaffiniteter användes också högst noggranna kombinationsmetoder såsom G2(MP2). Den relativa populationen av modifierarnas konformationer varierade som funktion av modifieraren, dess protonering och lösningsmedlet. Flera reaktant–modifierareinteraktionsgeometrier beaktades. Slutsatserna på riktning av stereoselektivitet baserade sig på den relativa termodynamiska stabiliteten av de diastereomeriska reaktant–modifierare-komplexen samt energierna hos π- och π*-orbitalerna i den reaktiva karbonylgruppen. Adsorption och reaktioner på Pt(111)-ytan betraktades med DFT. Regioselektivitet i hydreringen av PPD och 2,3-hexandion kunde förklaras med molekyl–yta-interaktioner. Storleken och formen av klustret använt för att beskriva Pt-ytan inverkade inte bara på adsorptionsenergierna utan också på de relativa stabiliteterna av olika adsorptionsstrukturer av en molekyl. Populationerna av modifierarnas konformationer i gas- och lösningsfas korrelerade inte med populationerna på Pt-ytan eller med enantioselektiviteten i hydreringen av PPD på Pt–cinchona-katalysatorer. Vissa modifierares konformationer och reaktant–modifierare-interaktionsgeometrier var stabila bara på metallytan. Teoretiskt beräknade potentialenergiprofiler för hydrering av kirala α-hydroxiketoner på Pt implicerade preferens för parvis additionsmekanism för väte och selektiviteter i harmoni med experimenten. De uppnådda resultaten ökar uppfattningen om kirala heterogena katalytiska system och kunde därför utnyttjas i utvecklingen av nya, mera aktiva och selektiva kirala katalysatorer.

Modeling study of limestone reactions in fluidized bed conditions

Traditionally limestone has been used for the flue gas desulfurization in fluidized bed combustion. Recently, several studies have been carried out to examine the use of limestone in applications which enable the removal of carbon dioxide from the combustion gases, such as calcium looping technology and oxy-fuel combustion. In these processes interlinked limestone reactions occur but the reaction mechanisms and kinetics are not yet fully understood. To examine these phenomena, analytical and numerical models have been created. In this work, the limestone reactions were studied with aid of one-dimensional numerical particle model. The model describes a single limestone particle in the process as a function of time, the progress of the reactions and the mass and energy transfer in the particle. The model-based results were compared with experimental laboratory scale BFB results. It was observed that by increasing the temperature from 850 °C to 950 °C the calcination was enhanced but the sulfate conversion was no more improved. A higher sulfur dioxide concentration accelerated the sulfation reaction and based on the modeling, the sulfation is first order with respect to SO2. The reaction order of O2 seems to become zero at high oxygen concentrations.

Täyteainepitoisuuden ja retentioainesysteemin optimointi

Työssä tutkittiin tarrapaperikoneen pohjapaperin täyteainepitoisuuden nostamisen vaikutusta koneen ajettavuuteen ja paperin ominaisuuksiin. Työn tavoitteena oli löytää ne prosessitekniset keinot, joilla voitaisiin saavuttaa raskaiden pintapapereiden tavoitetuhkatasot. Lisäksi pyrittiin optimoimaan retentioaineiden annokset ja ajotavat korkeilla tuhkatasoilla. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin pinta- ja kolloidikemian perusteita sekä täyteainepitoisuuden vaikutusta paperin ominaisuuksiin ja prosessoitavuuteen. Lisäk-si syvennyttiin märänpään kemiaan selvittämällä mm. kalsiumkarbonaatin vesiliuoskemiaa ja erilaisten retentioaineiden ominaisuuksia ja niiden reaktiomekanismeja. Työn kokeellinen osa koostui kahdesta koeajosta. Ensimmäisessä koeajossa selvitettiin täyteainesaostumien muodostumismekanismeja ja paperikoneen ajettavuutta täyteainepitoisuutta nostettaessa yli raskaiden pintapapereiden tavoitetasojen. Saadut tulokset osoittivat, että märänpään kemiantila pysyi koeajon aikana muuttumattomana eikä mitään saostumien muodostumista havaittu. Täyteainepitoisuudessa päästiin 3 % yli lajikohtaisen tuhkatavoitteen ilman ajettavuusongelmia. Toisessa koeajossa keskityttiin erityisesti märänpään retentioaineiden määrien optimointiin ja paperin laatuominaisuuksiin. Koeajossa täyteainepitoisuutta nostettiin yli tavoitetasojen. Saadut tulokset osoittivat, että täyteainepitoisuuden nostolla ei ollut vaikutusta paperin laatuun tai paperikoneen ajettavuuteen. Massatärkkelyksen avulla pystyttiin korvaamaan kationisen polymeerin retentiovaste ja kompensoimaan täyteainepitoisuuden noston myötä tullut paperin lujuuksien lasku. Koeajoissa ja prosessin seurannassa tuli ilmi myös useita eri tekijöitä, joilla oli vaikutusta retentioon, retentioaineiden tehoon ja prosessin stabiilisuuteen. Tehdyistä yksittäisistä havainnoista on hyötyä pyrittäessä ymmärtämään märänpään prosessin tilaa ja sen vaikutusta paperikoneen ajettavuuteen. Työ saavutti sille asetetut tavoitteet ja sen ansiosta paperikoneen märänpään raaka-aineiden ja kemikaalien syöttösuhteita pystyttiin muuttamaan tavalla, joka vähensi paperinvalmistuksen kustannuksia ilman että paperin laatuominaisuudet huononivat.