Preparació de nous catalitzadors basats en complexos de Ru i Pd, i el seu ancorament a polímers conductors per a la fabricació de materials multifuncionals

Aquesta tesi doctoral es basa en l'estudi de l'aplicació en catàlisi de dos tipus de complexos organometallics basats en dos metalls de tansició diferents. Concretament s'estudien complexos macrocíclics triolefínics de pal·ladi(0) com a catalitzadors per a les reaccions de Suzuki i Heck, i oxocomplexos carbènics de ruteni(II) com a espècies catalítiques en oxidacions de compostos orgànics. En el cas dels complexos de ruteni s'ha vist que en augmentar el nombre de lligands carbènics en l'esfera de coordinació del metall s'aconseguiex afavorir els processos bielectrònics, obtenint-se catalitzadors més actius i més selectius. En un segon pas, els dos tipus de catalitzadors homogenis s'han immobilitzat sobre la superfície d'un elèctrode mitjançant l'estratègia d'electropolimerització del grup pirrol. Els elèctodes modificats resultants s'han aplicat com a catalitzadors heterogenis. En ambdós casos els catalitzadors heterogenis han mostrat una activitat equiparable o superior a la del sistema homogeni corresponent. Finalment, s'ha assajat una reacció de catàlisi tàndem en què els dos catalitzadors (immobilitzats sobre el mateix elèctrode) actuen en cooperació. S'ha aconseguit realitzar dues transformacions consecutives d'un substat orgànic.

Reaccions de cicloaddició [2+2+2] catalitzades per Rh(I)

The development of new chemical processes and efficient catalysts for the formation of carbon-carbon bonds is an important topic in organic chemistry. In particular, the [2+2+2] cycloaddition reaction involving different insaturations mainly alkynes, alkenes and nitriles is a highly efficient synthetic tool that allows polysubstituted benzenic, cyclohexadienic and pyridinic compounds to be obtained in one reaction step and in an atom economy process, resulting in the simultaneous formation of three new bonds in the formed ring. In recent years, research to produce new catalysts that can work effectively in mild reaction conditions has attracted great interest, as has the use of these processes in the synthesis of products of potential biological interest. This doctoral thesis is based on the methodological study of the rhodium(I)-catalyzed [2+2+2] cycloaddition reaction.

Síntesi de nous macrocicles nitrogenats poliinsaturats. Estudis de coordinació i reactivitat

La síntesi i caracterització estructural d'un nou tipus de macrocicles nitrogenats de 15, 20 i 25 membres, els quals contenen triples i dobles enllaços i diferents unitats aríliques a la seva estructura, ha estat estudiada. S'han preparat els complexos de pal·ladi(0) dels corresponents macrocicles poliinsaturats de 15 membres, els quals són estables a l'aire i a la humitat i en alguns casos presenten quiralitat. La seva caracterització completa s'ha portat a terme mitjançant RMN i difracció de raigs-X. S'ha estudiat també la reacció de cicloisomerització d'aquests macrocicles emprant diferents catalitzadors basats en metalls de transició, observant-se que el catalitzador de Wilkinson, de rodi(I), és el que ha donat més bons resultats. Finalment, s'ha realitzat una introducció a l'estudi del mecanisme d'aquest tipus de reaccions mitjançant ESI-MS, així com també un estudi inicial de la reacció de cicloisomerització enantioselectiva.

Síntesi, caracterització i avaluació com a catalitzadors de nous complexos quirals de platí

The oxidative addition proved to be a useful method to prepare platinum (II) hydridotiolate by reaction of tetrakis(triphenylphosphine)platinum(0) with aminothiolate and phosphinothiolate ligands like cysteamine, cysteine ethyl and methyl Esther, 2-(diphenylphosphino)ethanetiol and 2-(diphenylphosphino)propanetiol. The complexes are square-planar and the aminothiolate or phosphinothiolate ligands are chelated to platinum (II). The hydrido ligand is trans to the sulfur and the other coordination position is occuped by a triphenylphosphine ligand. The complexes are mononuclear and they show low symmetry. The only symmetry element, the plan is broke if the ligand is branched, obtaining asymmetric complexes C1. If the ligand has electronic or esteric impediments the reaction doesn't run and the starting products are recovered. This was observed with N,N-dimethylcysteamine and penicylamine methyl esther ligands. In the special case of orthoaminotiophenol the hydridotiolate was obtained but the ligand was not chelated. The aminothiolate complexes don't show solution equilibrium. Otherwise, the complexe with 2-(diphenylphosphino)ethanetiol show an isomerisation equilibrium which forms cis isomer as a minor component. The complexe with 2-(diphenylphosphino)-propanetiol shows a conformational equilibrium between chair and twist forms. The complexes have been tested as catalyst precursors in hydroformylation and hydrosilylation reactions. The hydroformylation reaction runs only in presence of SnCl2 as cocatalyst. Catalytic activity depends on the presence of triphenylphosphine and, with less magnitude, CO and H2 pressure. We also studied the enantioselectivity using a chiral complexe. In the hydrosililation reaction, catalysts run with good results (<90%) using triethylsilane as silicon hydride. Dehydrogenative addition product has been also found in this reaction.

Eliminación de compuestos causantes de olores mediante adsorbentes/catalizadores obtenidos a partir de lodos de depuradora

El aumento de la cantidad de lodos y las dificultades inherentes a su aplicación agrícola y/o disposición en vertederos, hace necesario encontrar nuevas alternativas para su gestión. A nivel europeo, hoy en día se tiende hacia la aplicación de tratamientos térmicos (incineración, pirólisis y gasificación) que permiten una valoración energética de los lodos, si bien generan un residuo sólido que sigue siendo necesario gestionar. El problema medioambiental provocado por (malos) olores resulta difícil de abordar de una manera genérica, teniendo en consideración la propia naturaleza del olor y sus posibles causas. Los olores en las EDARs son provocados básicamente por la degradación de la materia orgánica en condiciones anaeróbicas y se detectan en todas las operaciones unitarias en diferentes niveles de concentración. Esta tesis incidiendo en ambos aspectos, tiene por objeto investigar la valorización de lodos como materiales precursores de adsorbentes/ catalizadores para la eliminación de olores en el entorno de las EDARs, maximizando la reutilización de los lodos. Para la realización de los experimentos se han seleccionado lodos procedentes de tres EDARs situadas en la región de Girona (SC, SB, SL) que difieren en cuanto al tratamiento de los lodos. Ambas muestras han sido caracterizadas con el fin de determinar las diferencias más importantes en los lodos de partida. Los parámetros de caracterización incluyen el análisis de composición química (análisis elemental e inmediato, determinación contenido en cenizas, medida pH, DRX, FT-IR, SEM / EDX) así como análisis de superficie (adsorción de N2 y CO2). En primer lugar los lodos caracterizados han sido sometidos a diferentes tratamientos térmicos de gasificación y pirólisis y los adsorbentes/ catalizadores obtenidos se han probado como adsorbentes para la eliminación de H2S. Como consecuencia de este estudio, se ha desechado el uso de uno de lodos (SC) puesto que se obtenían resultados muy similares a (SB), a continuación el estudio se centró en el lodo de SL. Con este objetivo se han preparado 12 muestras 6 de ellas pirolizadas y 6 gasificadas en el rango de temperaturas que comprende 600-1100 ºC. Posteriormente las muestras han sido caracterizadas y se ha determinado la capacidad de eliminación (x/M) del H2S. Los resultados muestran que hemos sido capaces de obtener unos materiales que si bien, presentan un bajo desarrollo de porosidad dan lugar a valores de capacidades de eliminación elevados y comparables a carbones y materiales adsorbentes comerciales (Centaur, Sorbalit). Las elevadas eficiencias de eliminación se atribuyen básicamente a la presencia de especies catalíticamente activas tales como los óxidos mixtos de calcio y hierro determinados por DRX en las muestras tratadas térmicamente. El segundo bloque de resultados se centra la mejora de las propiedades texturales de estos materiales adsorbentes. Con este objetivo se llevaron acabo procesos de activación física con CO2 y química con H3PO4 e hidróxidos alcalinos (NaOH y KOH), que hasta el momento no se había probado con este tipo de precursores. Los resultados indican que la activación física (CO2) y química (H3PO4) no son unos buenos métodos para la obtención de adsorbentes altamente porosos con este tipo de materia prima bajo las condiciones probadas, sin embargo la activación con hidróxidos alcalinos da lugar a materiales adsorbentes con superficies específicas de hasta 1600 m2g-1. En el caso de la activación con hidróxidos, tanto el incremento de la relación agente activante/ precursor como el incremento de la temperatura producen un descenso del rendimiento, al mismo tiempo que incrementan el valor de SBET. Los materiales resultantes de la activación con hidróxidos alcalinos se han probado como adsorbentes/ catalizadores para la eliminación de H2S. Los resultados indican que un incremento del área superficial no es indicativo de un aumento de la capacidad de eliminación dada la naturaleza ácida de estos materiales obtenidos. Con el fin de contrarrestar el efecto ácido de estos materiales se han realizado los mismos ensayos añadiendo NaOH al lecho de reacción llegando a valores de x/M de hasta 450 mgg-1. Posteriormente también se han realizado ensayos de eliminación de NH3 con algunas de estas muestras, y los resultados obtenidos de x/M son del orden de carbones activados comerciales. Los materiales adsorbentes obtenidos tras la activación con hidróxidos alcalinos se convierten en materiales muy atractivos para ser utilizados como adsorbentes/ catalizadores de múltiples contaminantes (COVs, Hg...).

Desarrollo de catalizadores en sistemas de reacción avanzados para la producción de hidrógeno a partir de biogás

[ES]En el presente documento se expone el estudio experimental que consiste en la comparación de diferentes catalizadores en sistemas de reacción avanzados, microrreactores, para la producción de hidrógeno a partir de biogás. El hidrógeno es un vector energético que puede emplearse como combustible, y por tanto, un candidato perfecto para sustituir aquellos combustibles provenientes de fuentes fósiles. Este Proyecto de Fin de Grado se ha basado en desarrollar el proceso conocido como tri-reformado de biogás. Esta técnica, al contrario que las técnicas convencionales de producción, presenta numerosas ventajas ya que la materia prima empleada, el biogás, es una fuente de origen renovable. Para llevar a cabo este estudio se han preparado distintos catalizadores, basados todos ellos en platino. La elección de este metal noble es debido a su alto grado de reactividad, especialmente en sistemas de reacción micro-estructurados. Con el objetivo de reducir los costes asociados al propio catalizador, se añadieron, junto con el platino, otros metales más baratos a fin de analizar su idoneidad en el proceso del tri-reformado. Por tanto, partiendo de un catalizador de referencia que contiene un 5% de platino, se prepararon otros catalizadores mantenido constante, en un 5%, la composición de metal total. Estos catalizadores se han denominado de la siguiente manera: 2.5(Pt-Me), siendo Me cada especie metálica diferente. Tras preparar los catalizadores, se llevaron a cabo diferentes experimentos con un reactor convencional de lecho fijo. El objetivo fue establecer unas condiciones de operación tal que asegurasen una adecuada comparación entre catalizadores. De este modo, se realizaron ensayos de actividad catalítica a diferentes temperaturas y velocidades espaciales para someter a los catalizadores a condiciones de operación extremas, bajo las cuales, las diferencias entre catalizadores fueran más notorias. Una vez detalladas las condiciones de operación adecuadas para la comparación de catalizadores, se llevaron a cabo los correspondientes ensayos con los catalizadores impregnados en los sistemas de reacción avanzados, denominados micorreactores. Estos ensayos se basaron en operar a una velocidad espacial constante para estudiar la influencia de la temperatura. Además, se llevaron a cabo ensayos de estabilidad de hasta 110 horas en las condiciones de operación más desfavorables. Por último se compararon las conversiones de CH4 y CO2 y el rendimiento de H2 de todas las formulaciones catalíticas preparadas, y se concluyó que el mejor candidato para el proceso del tri-reformado es el catalizador 2.5(Pt-Pd).

Katalizatory złotowo-miedziowe na nośnikach cerowych, cyrkonowych i cerowo-cyrkonowych – preparatyka, charakterystyka i zastosowanie w procesach utleniania

Wydział Chemii

Earthworms produce granules of intricately zoned calcite

Earthworms of the family Lumbricidae, which includes many common species, produce and secrete up to millimeter-sized calcite granules, and the intricate fine-scale zoning of their constituent crystals is unique for a biomineral. Granule calcite is produced by crystallization of amorphous calcium carbonate (ACC) that initially precipitates within the earthworm calciferous glands, then forms protogranules by accretion on quartz grain cores. Crystallization of ACC is mediated by migrating fluid films and is largely complete within 24 11 of ACC production and before granules leave the earthworm. Variations in the density of defects formed as a byproduct of trace element incorporation during calcite crystall growth have generated zoning that can be resolved by cathodoluminescence imaging at ultraviolet to blue wavelengths and using the novel technique of scanning electron microscope charge contrast imaging. Mapping of calcite crystal orientations by electron backscatter diffraction reveals an approximate radial fabric to the granules that reflects crystal growth from internal nucleation sites toward their margins. The survival within granules of ACC inclusions for months after they enter soils indicates that they crystallize only within the earthworm and in the presence of fluids containing biochemical catalysts. The earthworm probably promotes crystallization of ACC in order to prevent remobilization of the calcium carbonate by dissolution. Calcite granules vividly illustrate the role of transient precursors in biomineralization, but the underlying question of why earth-worms produce granules in volumes sufficient to have a measurable impact on soil carbon cycling remains to be answered.

Model catalyst studies of the strong metal-support interaction: Surface structure identified by STM on Pd nanoparticles on TiO2(110)

Model catalysts of Pd nanoparticles and films on TiO2 (I 10) were fabricated by metal vapour deposition (MVD). Molecular beam measurements show that the particles are active for CO adsorption, with a global sticking probability of 0.25, but that they are deactivated by annealing above 600 K, an effect indicative of SMSI. The Pd nanoparticles are single crystals oriented with their (I 11) plane parallel to the surface plane of the titania. Analysis of the surface by atomic resolution STM shows that new structures have formed at the surface of the Pd nanoparticles and films after annealing above 800 K. There are only two structures, a zigzag arrangement and a much more complex "pinwheel" structure. The former has a unit cell containing 7 atoms, and the latter is a bigger unit cell containing 25 atoms. These new structures are due to an overlayer of titania that has appeared on the surface of the Pd nanoparticles after annealing, and it is proposed that the surface layer that causes the SMSI effect is a mixed alloy of Pd and Ti, with only two discrete ratios of atoms: Pd/Ti of 1: 1 (pinwheel) and 1:2 (zigzag). We propose that it is these structures that cause the SMSI effect. (c) 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

Influence of adsorption geometry in the heterogeneous enantioselective catalytic hydrogenation of a prototypical enone

Asymmetric catalysis is of paramount importance in organic synthesis and, in current practice, is achieved by means of homogeneous catalysts. The ability to catalyze such reactions heterogeneously would have a major impact both in the research laboratory and in the production of fine chemicals and pharmaceuticals, yet heterogeneous asymmetric hydrogenation of C═C bonds remains hardly explored. Very recently, we demonstrated how chiral ligands that anchor robustly to the surface of Pd nanoparticles promote asymmetric catalytic hydrogenation: ligand rigidity and stereochemistry emerged as key factors. Here, we address a complementary question: how does the enone reactant adsorb on the metal surface, and what implications does this have for the enantiodifferentiating interaction with the surface-tethered chiral modifiers? A reaction model is proposed, which correctly predicts the identity of the enantiomer experimentally observed in excess.

Contribution of redox status to hepatitis C virus E2 envelope protein function and antigenicity

Disulfide bonding contributes to the function and antigenicity of many viral envelope glycoproteins. We assessed here its significance for the hepatitis C virus E2 envelope protein and a counterpart deleted for hypervariable region-1 (HVR1). All 18 cysteine residues of the antigens were involved in disulfides. Chemical reduction of up to half of these disulfides was compatible with anti-E2 monoclonal antibody reaction, CD81 receptor binding, and viral entry, whereas complete reduction abrogated these properties. The addition of 5,5'-dithiobis-2-nitrobenzoic acid had no effect on viral entry. Thus, E2 function is only weakly dependent on its redox status, and cell entry does not require redox catalysts, in contrast to a number of enveloped viruses. Because E2 is a major neutralizing antibody target, we examined the effect of disulfide bonding on E2 antigenicity. We show that reduction of three disulfides, as well as deletion of HVR1, improved antibody binding for half of the patient sera tested, whereas it had no effect on the remainder. Small scale immunization of mice with reduced E2 antigens greatly improved serum reactivity with reduced forms of E2 when compared with immunization using native E2, whereas deletion of HVR1 only marginally affected the ability of the serum to bind the redox intermediates. Immunization with reduced E2 also showed an improved neutralizing antibody response, suggesting that potential epitopes are masked on the disulfide-bonded antigen and that mild reduction may increase the breadth of the antibody response. Although E2 function is surprisingly independent of its redox status, its disulfide bonds mask antigenic domains. E2 redox manipulation may contribute to improved vaccine design.

Photocatalytic degradation of humic acid in saline waters part 2. Effects of various photocatalytic materials

The present study explores for the first time, the effectiveness of photocatalytic oxidation of. humic acid (HA) in the increasingly important highly saline water. TiO2 (Degussa P25), TiO2 (Anatase), TiO2 (Rutile), TiO2 (Mesoporous) and ZnO dispersions were used as catalysts employing a medium pressure mercury lamp. The effect of platinum loading on P25 and zinc oxide was also investigated. The zinc oxide with 0.3% platinum loading was the most efficient catalyst. The preferred medium for the degradation of HA using ZnO is alkaline, whereas for TiO2 it is acidic. In addition, a comparative study of HA decomposition in artificial seawater (ASW) and natural seawater (NSW) is reported, and the surface areas and band gaps of the catalysts employed were also determined. A spectrophotometric method was used to estimate the extent of degradation of HA. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Fragrance release from the surface of branched poly(amide)s

Enzymes are powerful tools in organic synthesis that are able to catalyse a wide variety of selective chemical transformations under mild and environmentally friendly conditions. Enzymes such as the lipases have also found applications in the synthesis and degradation of polymeric materials. However, the use of these natural catalysts in the synthesis and the post-synthetic modification of dendrimers and hyperbranched molecules is an application of chemistry yet to be explored extensively. In this study the use of two hydrolytic enzymes, a lipase from Candida cylindracea and a cutinase from Fusarium solani pisii, were investigated in the selective cleavage of ester groups situated on the peripheral layer of two families of branched polyamides. These branched polyamides were conjugated to simple fragrances citronellol and L-menthol via ester linkages. Hydrolysis of the ester linkage between the fragrances and the branched polyamide support was carried out in aqueous buffered systems at slightly basic pH values under the optimum operative conditions for the enzymes used. These preliminary qualitative investigations revealed that partial cleavage of the ester functionalities from the branched polyamide support had occurred. However, the ability of the enzymes to interact with the substrates decreased considerably as the branching density, the rigidity of the structure and the bulkiness of the polyamide-fragrance conjugates increased.

Chemoselective catalytic hydrogenation of acrolein on Ag(111): effect of molecular orientation on reaction selectivity

The adsorption and hydrogenation of acrolein on the Ag(111) surface has been investigated by high resolution synchrotron XPS, NEXAFS, and temperature programmed reaction. The molecule adsorbs intact at all coverages and its adsorption geometry is critically important in determining chemoselectivity toward the formation of allyl alcohol, the desired but thermodynamically disfavored product. In the absence of hydrogen adatoms (H(a)), acrolein lies almost parallel to the metal surface; high coverages force the C=C bond to tilt markedly, likely rendering it less vulnerable toward reaction with hydrogen adatoms. Reaction with coadsorbed H(a) yields allyl alcohol, propionaldehyde, and propanol, consistent with the behavior of practical dispersed Ag catalysts operated at atmospheric pressure: formation of all three hydrogenation products is surface reaction rate limited. Overall chemoselectivity is strongly influenced by secondary reactions of allyl alcohol. At low H(a) coverages, the C=C bond in the newly formed allyl alcohol molecule is strongly tilted with respect to the surface, rendering it immune to attack by H(a) and leading to desorption of the unsaturated alcohol. In contrast with this, at high H(a) coverages, the C=C bond in allyl alcohol lies almost parallel to the surface, undergoes hydrogenation by H(a), and the saturated alcohol (propanol) desorbs.

A surface and catalytic study of heterogenised Os-3(CO)(12) species in MCM-41 structures

Immobilised Os species prepared via chemical vapour deposition (CVD) of Os-3(CO)(12) onto MCM-41 are active and selective catalysts for the dihydroxylation of trans-stilbene in acetone and water, using N-methylmorpholine N-oxide as the oxidant. A detailed temperature programmed decomposition study of the solids enables to identify the active sites as Os-x(CO)(y) surface species. The initial loading of the MCM-41 with the trinuclear precursor, as well as the temperature of the post-synthesis oxidising treatment, are found to have a significant impact on the structure/geometry of the resulting surface species, and thus their catalytic properties. We show how it is also affected by the confined environment of the MCM-41 mesopores and especially the curvature of the 30 Angstrom diameter channels. Finally, a careful study of the catalytic properties of the materials together with a study of the reactivity of the reaction products under similar conditions enable to suggest a mechanism involving the reaction of the oxidant with the osmium carbonyl surface species to form the catalytically active Os-oxo sites, and the formation of an osmoate-type species (through adsorption of the alkene onto the Os-oxo site) which subsequently reacts with the solvent to produce the diol. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.