Produção de biodiesel pela rota heterogênea empregando catalisadores a base de Zn e Al

Nos últimos anos, a busca por fontes de energia renováveis e o desenvolvimento de novas tecnologias para a produção de biocombustíveis têm sido objeto de intensa investigação. O biodiesel é um combustível biodegradável, derivado de fontes renováveis e é obtido em escala industrial principalmente através da reação de transesterificação de óleos vegetais e/ou gorduras animais com metanol na presença de catalisadores homogêneos, como NaOH. Entretanto, a utilização de catalisadores heterogêneos tem sido sugerida por diversos autores, por apresentar vantagens como a eliminação dos problemas de separação e purificação dos produtos obtidos. No presente trabalho foi investigada a produção de biodiesel a partir da transesterificação do óleo de soja com metanol utilizando óxidos mistos de Zn e Al como catalisadores sólidos básicos. A influência das variáveis: temperatura, concentração de catalisador e relação molar metanol/óleo de soja na produção de biodiesel foi avaliada. Os catalisadores preparados apresentaram predominantemente sítios básicos e foram ativos frente à reação estudada, sendo os resultados mais promissores apresentados pelo óxido misto com relação molar Al/(Al+Zn)=0,50, obtido por tratamento térmico à 450C, que apresentou rendimentos em ésteres metílicos de até 98,5% sob condições específicas. A metodologia da superfície de resposta foi utilizada visando estabelecer as condições ótimas para maximizar o rendimento em ésteres metílicos, tendo sido encontradas a temperatura de 165oC e a concentração de catalisador de 5,8% m/m em relação massa de óleo, no caso da relação molar metanol/óleo de soja limitada em 15. Essa limitação teve como objetivo garantir um processo viável em escala comercial

Composite beta-AgVO3@V5+1.6V4+0.4O4.8 hydrogels and xerogels for catalytic applications

Comunicación (Poster) en panel del congreso: Designing New Heterogeneous Catalysts, Faraday Discussion, 4–6 April 2016. London, United Kingdom.

Oxidation of cyclohexane - A significant impact of stainless steel reactor wall

The selective oxidation of cyclohexane to cyclohexanol and cyclohexanone is an important chemical process and it has been paid more attentions recently. In the present work, the stainless steel reactor wall was found to influence the selective oxidation of cyclohexane very significantly, and a quasi-crystalline Ti45Zr35Ni17Cu3 alloy with the similar compositions as the reactor wall was used as a catalyst for the cyclohexane oxidation, as expected, a higher activity was obtained with it. The present results open up a new avenue for developing new catalyst for alkane oxidation.

Bronsted guanidine acid-base ionic liquids: Novel reaction media for the palladium-catalyzed Heck reaction

Bronsted acid-base ionic liquids (GILs) based on guanidine and acetic acid are efficient reaction media for palladium-catalyzed Heck reactions. They offer the advantages of high activity and reusability. GIL2 plays multiple roles in the reaction: it could act as solvent, as a strong base to facilitate beta-hydride elimination, and as a ligand to stabilize activated Pd species.

The Y-procedure: How to extract the chemical transformation rate from reaction-diffusion data with no assumption on the kinetic model

The paper presents a new method to extract the chemical transformation rate from reaction–diffusion data with no assumption on the kinetic model (“kinetic model-free procedure”). It is a new non-steady-state kinetic characterization procedure for heterogeneous catalysts. The mathematical foundation of the Y-procedure is a Laplace-domain analysis of the two inert zones in a TZTR followed by transposition to the Fourier domain. When combined with time discretization and filtering the Y-procedure leads to an efficient practical method for reconstructing the concentration and reaction rate in the active zone. Using the Y-procedure the concentration and reaction rate of a non-steady state catalytic process can be determined without any pre-assumption regarding the type of kinetic dependence. The Y-procedure is the basis for advanced software for non-steady state kinetic data interpretation. The Y-procedure can be used to relate changes in the catalytic reaction rate and kinetic parameters to changes in the surface composition (storage) of a catalyst.

Synthesis and Reactions of Enantiopure Substituted Benzene cis-Hexahydro-1,2-diols

Enantiopure cis-dihydro-1,2-diol metabolites, obtained from toluene dioxygenase-catalysed cis-dihydroxylation of six monosubstituted benzene substrates, have been converted to their corresponding cis-hexahydro-12-diol derivatives by catalytic hydrogenation via their cis-tetrahydro-1,2-diol intermediates. Optimal reaction conditions for total catalytic hydrogenation of the cis-dihydro-1,2-diols have been established using six heterogeneous catalysts. The relative and absolute configurations of the resulting benzene cis-hexahydro-1,2-diol products have been unequivocally established by X-ray crystallography and NMR spectroscopy. Methods have been developed to obtain enantiopure cis-hexahydro-1,2-diol diastereoisomers, to desymmetrise a meso-cis-hexahydro-1,2-diol and to synthesise 2-substituted cyclohexanols. The potential of these enantiopure cyclohexanols as chiral reagents was briefly evaluated through their application in the synthesis of two enantiomerically enriched phosphine oxides from the corresponding racemic phosphine precursors.

Redispersion of Gold Supported on Oxides

Although many gold heterogeneous catalysts have been shown to exhibit significant activity and high selectivity for a wide range of reactions in both the liquid and gas phases, they are prone to irreversible deactivation. This is often associated with sintering or loss of the interaction of the gold with the support. Herein, we report on the use of methyl iodide as a method of dispersing gold nanoparticles supported on silica, titania, and alumina supports. In the case of titania- and alumina-based catalysts, the gold was transformed from nanometer particles into small clusters and some atomically dispersed gold. In contrast, although there was a drop in the gold particle size on the silica support following CH3I treatment, the size remained in the submicrometer range. The structural changes were correlated with changes in the selectivity and activity for ethanol dehydration and benzyl alcohol oxidation. From these observations, it is clear that this treatment provides a method by which deactivated gold catalysts can be reactivated via redispersion of the gold.

An efficient Cu(II)-bis(oxazoline)-based polymer immobilised ionic liquid phase catalyst for asymmetric carbon–carbon bond formation

The asymmetric Diels-Alder reaction between N-acryloyloxazolidinone and cyclopentadiene and the Mukaiyama-aldol reaction between methylpyruvate and 1-phenyl-1-trimethylsilyloxyethene have been catalysed by heterogeneous copper(II)-bis(oxazoline)-based polymer immobilised ionic liquid phase (PIILP) systems generated from a range of linear and cross linked ionic polymers. In both reactions selectivity and ee were strongly influenced by the choice of polymer. A comparison of the performance of a range of Cu(II)-bis(oxazoline)-PIILP catalyst systems against analogous supported ionic liquid phase (SILP) heterogeneous catalysts as well as their homogeneous counterparts has been undertaken and their relative merits evaluated.

Application of halohydrocarbons for the re-dispersion of gold particles

Methods to control the dispersion of gold in supported heterogeneous catalysts are very valuable due to the strong nanoparticle size dependence on their activity and selectivity towards many reactions. Additionally, the ability to disperse large, inactive gold nanoparticles to smaller nanoparticles provides an opportunity to reactivate, stabilise and increase the lifetime of gold catalysts making them more practical for industrial applications. Previously it has been demonstrated that the use of gas phase iodomethane (J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 6973; Angew. Chem., Int. Ed., 2011, 50, 8912) was able to re-disperse gold from >20 nm particles to dimers and trimers. In the current work, we show that this technique can be applied using less hazardous halohydrocarbons treatments, both in the gas phase and the liquid phase. The ability of these individual halohydrocarbons to re-disperse gold as well as the extent to which leaching occurs is assessed.

Unraveling the synergy between gold nanoparticles and chromium- hydrotalcites in aerobic oxidation of alcohols

The combination of gold nanoparticles (AuNPs) with chromium-substituted hydrotalcite (Cr-HT) supports makes very efficient heterogeneous catalysts (Au/Cr-HT) for aerobic alcohol oxidation under soluble-base-free conditions. The Au-support synergy increases with increasing Cr content of the support and decreasing AuNP size. In situ UV-Raman, X-ray absorption and photoelectron spectroscopic studies firmly establish that the strong Au-Cr synergy is related to a Cr ↔ Cr redox cycle at the Au/Cr-HT interface, where O activation takes place accompanied by electron transfer from Cr-HT to Au. The interfacial Cr species can be reduced by surface Au-H hydride and negative-charged Au species to close the catalytic cycle. A study of kinetic isotope effect indicates that alcohol O-H cleavage is facilitated by the presence of Cr, making a-C-H bond cleavage step more rate-controlling. Accordingly, a dual synergistic effect of Au/Cr-HT catalysts on the activation of O2 and alcohol reactants is proposed.

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).

Novel microporous silicates and mesoporous MCM materials derivatised with inorganic and organometallic complexes

Os materiais microporosos e mesoporosos são potenciais catalisadores heterogéneos. Os zeólitos e outros materiais microporosos do tipo zeolítico tradicionais, têm átomos tetracoordenados no esqueleto. Nos últimos anos, um vasto número de titanossilicatos contendo Ti(IV) hexacoordenado e Si(IV) tetracoordenado, com estruturas tridimensionais, têm sido alvo de grande interesse. Um dos objectivos desta tese foi preparar silicatos microporosos, contendo átomos metálicos com número de coordenação superior a quatro, e possuindo quer novas estruturas quer propriedades físicas e químicas interessantes. Neste contexto, foi preparado um novo ítriossilicato de sódio, AV-1, análogo do raro mineral montregianite, Na4K2Y2Si16O38·10H2O. Este material é o primeiro sólido microporoso que contem quantidades estequiométricas de sódio (e ítrio) no esqueleto. Foi, também, sintetizado um silicato de cério, AV-5, análogo estrutural do mineral montregianite com potencial aplicação em optoelectrónica. Nesta tese é, ainda, descrita a síntese e caracterização estrutural de um silicato de cálcio hidratado, AV-2, análogo do raro mineral rhodesite (K2Ca4Na2Si16O38.12H2O). Na continuação do trabalho desenvolvido em Aveiro na síntese de novos titanossilicatos surgiu o interesse de preparar novos zirconossilicatos microporosos por síntese hidrotérmica. Foram preparados dois novos materiais análogos dos minerais petarasite Na5Zr2Si3O18(Cl,OH)·2H2O (AV-3) e kostylevite, K2Si3O9·H2O (AV-8). Foram, também, obtidos análogos sintéticos dos minerais parakeldyshite e wadeite, por calcinação a alta temperatura de AV-3 e de umbite sintética. A heterogeneização de complexos organometálicos na superfície de materiais mesoporosos do tipo M41S permite associar a grande actividade catalítica e a presença de sítios activos localizados típicos dos complexos organometálicos, com a robustez e fácil separação, características dos materiais mesoporosos siliciosos. Nesta dissertação relata-se a derivatização dos materiais MCM-41 e MCM-48 através da reacção de [SiMe2{(h5-C5H4)2}]Fe e [SiMe2{(h5-C5H4)2}]TiCl2 com os grupos silanol das superfícies mesoporosas. Os materiais MCMs derivatizados com ansa-titanoceno foram testados na epoxidação de cicloocteno a 323 K na presença de hidrogenoperóxido de t-butilo. Estudou-se a heterogeneização dos sais de complexos com ligação metal-metal [Mo2(MeCN)10][BF4]4, [Mo2(m-O2CMe)2(MeCN)6][BF4]2 e [Mo2(m- O2CMe)2(dppa)2(MeCN)2][BF4]2 via imobilização nos canais do MCM-41. A imobilização dos catalisadores homogéneos na superfície do MCM-41 envolve a saída dos ligandos nitrilo lábeis, preferencialmente em posição axial, através da reacção com os grupos Si-OH da sílica. Verificou-se que a ligação Mo-Mo se mantém intacta nos produtos finais. É provável que estes materiais sejam eficientes catalisadores heterogéneos em reacções de polimerização. As técnicas de caracterização utilizadas nesta tese foram a difracção de raios-X de pós, a microscopia electrónica de varrimento, a espectroscopia de ressonância magnética nuclear do estado sólido (núcleos 13C, 23Na e 29Si), as espectroscopias de Raman e infravermelho com transformadas de Fourier, as análises termogravimétricas e as análises de adsorção de água e azoto.

Lanthanide-organic frameworks for optical and catalytic applications

Este projecto de doutoramento tem como objetivo isolar e caracterizar sistematicamente novos polímeros de coordenação, no estado sólido. A presença de grupos rígidos possuindo, em particular, átomos de oxigénio e de azoto, deverá induzir interessantes propriedades fotoluminescentes (rendimentos quânticos e tempos de vida elevados, assim como vias de transferência de energia eficientes), que poderão permitir a utilização dos compostos poliméricos na produção de dispositivos funcionais. As diferentes abordagens sintéticas foram ajustadas para cada material e basearam-se, preferencialmente, nas sínteses hidrotérmicas e nas assistidas por radiação de microondas. A estrutura dos materiais foi elucidada a partir de métodos de difracção de raios X (de cristal único ou de pós) em conjunto com outras técnicas, tais como RMN de estado sólido, microscopia eletrónica, análises térmicas, espectroscopia vibracional e estudos de composição elementar. Os compostos microcristalinos foram sistematicamente estudados a fim de investigar outras propriedades além das de fotoluminescência. Alguns dos materiais revelaram multifuncionalidade apresentando simultaneamente tempos de vida na ordem dos milisegundos, elevados rendimentos quânticos e elevado desempenho como catalisadores heterogéneos. As propriedades magnéticas de um composto baseado em érbio foram igualmente estudadas, assim como as de adsorpção e permuta de solvente de uma estrutura porosa baseada em cério.

Surface Properties and Catalytic Activity of Manganese Ferrospinels

In recent years considerable advances have been achieved in the study of the surface structure and mechanism of action of environmentally benign heterogeneous catalysts. The study entitled as surface properties and catalytic activity of manganese ferrospinels. In the present study we have prepared manganese ferrospinels of general formula Mn(1-x)BxFe2O4 via low temperature controlled co-precipation method. The study employed low temperature co-precipitation method for the preparation ofMn(1-x)BxFe2O4 specimens, where B is a metal cation such as Cr,Co, Ni,Cu and Zn. The catalytic activities of the systems were investigated for liquid-phase benzoylation of aromatic compounds and phenol hydroxylation and for vapour-phase reactions such as aniline alkylation, phenol methylation and ODH of ethylbenzene. The different series of manganese ferrites are proved to be excellent catalysts for various industrially important reactions such as Friedel-crafts benzoylation of aromatic compounds, methylation of aniline and phenol, hydroxylation of phenol and oxidative dehydrogenation of ethylbenzene. Due to the tightening of the environmental regulations, production of diphenols from phenol hydroxylation and reduction of phenolic pollutants in waste waters using these catalysts can be a promising approach because it demands only simple techniques and produce little environmental pollution.

Surface Properties and Catalytic Activity of Ferrospinels Containing Cobalt, Nickel and Copper

The present study describes the surface properties and catalytic activities of ferrospinels containing Co, Ni and Cu prepared by the low temperature route. Various physico-chemical methods have been adopted to characterise the systems. The reactions carried out are the Friedel-Crafts benzoylation of aromatics and the cyclohexanol decomposition. We have attempted the sulphate modification of the ferrites and have studied the surface and catalytic properties of the sulphated analogues.The work is presented in six chapters, the last chapter giving the summary and conclusions of the results presented earlier. Our samples prove as potential catalysts for the benzoylation of aromatics , for which truly heterogeneous catalysts are rare. Again , the materials show remarkable dehydration/dehydrogenation activities during cyclohexanol decomposition. There is plenty of scope for research in this field, especially in the development of environmentally benign catalysts for acylation reactions.