Idrogenazione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale in fase omogenea: studio dell'attività catalitica del complesso di Shvo

Il presente lavoro di tesi è frutto di una collaborazione fra il Dipartimento di Chimica Fisica ed Inorganica (gruppo del Prof. Valerio Zanotti – Mattia Vaccari, Dr. Rita Mazzoni) ed il Dipartimento di Chimica Industriale e dei Materiali (gruppo del Prof. Angelo Vaccari – Dr. Thomas Pasini, Dr. Stefania Albonetti, Prof. Fabrizio Cavani) e si inserisce il un progetto volto a valutare l’attività e la selettività del catalizzatore di idrogenazione di Shvo 1, verso l’idrogenazione selettiva del doppio legame polare del 5-idrossimetilfurfurale (HMF) in fase omogenea. L’HMF è un composto di natura organica facilmente ottenibile dalle biomasse, il quale può essere impiegato come building block per ottenere prodotti ad alto valore aggiunto per la chimica fine o additivi per biocarburanti aventi un elevato potere calorifico. In particolare la nostra attenzione si è rivolta alla produzione del 2,5-diidrossimetilfurano (BHMF), un importante building block per la produzione di polimeri e schiume poliuretaniche. Il lavoro di tesi da me svolto ha riguardato la messa a punto di una nuova metodologia sintetica per la preparazione del catalizzatore di Shvo e lo studio della sua attività catalitica nella riduzione di HMF a BHMF. Il comportamento del catalizzatore è stato monitorato studiando la resa in BHMF in funzione di tutti i parametri di reazione: temperatura, pressione di H2, solvente, rapporto molare substrato/catalizzatore, concentrazione, tempo. Successivamente è stata valutata la possibilità di riciclare il catalizzatore recuperando il prodotto di estrazione con acqua, per precipitazione o eseguendo la reazione in miscela bifasica (toluene/H2O). The present work is a collaboration between the Department of Physics and Inorganic Chemistry (group of Prof. Valerio Zanotti - Mattia Vaccari, Dr. Rita Mazzoni) and the Department of Industrial Chemistry and Materials (Group of Prof. Angelo Vaccari - Dr. Thomas Pasini, Dr. Stefania Albonetti, Prof. Fabrizio Cavani), and it’s a project devoted to evaluate the activity and selectivity of the Shvo catalyst, in the selective hydrogenation of polar double bond of 5 -hydroxymethylfurfural (HMF) in homogeneous phase. The HMF is an organic compound easily obtained from biomass, which can be used as a building block for fine chemicals abd polymer production or additives for biofuels with a high calorific value. In particular, our attention turned to the production of 2.5-bishydroxymethylfuran (BHMF), an important building block for the production of polymers and polyurethane foams. This thesis has involved the development of a new synthetic methodology for the preparation of Shvo’s catalyst and the study of its catalytic activity in the reduction of HMF to BHMF. The behavior of the catalyst was monitored by studying the yield in BHMF as a function of all the reaction parameters: temperature, pressure of H2, solvent, substrate to catalyst molar ratio, concentration, time. Subsequently it was evaluated the possibility of recycling the catalyst recovering the product of extraction with water, by precipitation or performing the reaction in biphasic mixture (toluene/H2O).

Estudo da seletividade de catalisadores a base de cobre e paládio em transformações de hidrocarbonetos insaturados

Compreender a correlação entre as características de um catalisador particular e seu desempenho catalítico tem sido um dos principais objetos da pesquisa em catálise heterogênea a fim de usar esse conhecimento para o desenho racional de catalisadores mais ativos, seletivos e estáveis. A seletividade é um dos fatores mais importantes a ser controlado pelo desenho de catalisadores, podendo ser alcançada de diversas maneiras, levando-se em consideração mudanças do tipo estrutural, química, eletrônica, de composição, de cinética e de energia. O trabalho descrito nessa tese de doutorado compreende a síntese e caracterização de catalisadores compostos de nanopartículas de óxido de cobre, paládio e cobre-paládio e seu estudo em reações de hidrogenação e oxidação seletivas de hidrocarbonetos insaturados. Os catalisadores foram preparados através da deposição de nanopartículas dos metais cataliticamente ativos sobre suportes magneticamente recuperáveis compostos de nanopartículas de magnetita revestidas por sílica com superfícies funcionalizada com diferentes grupos orgânicos. A natureza magnética do suporte permitiu a fácil separação do catalisador do meio reacional pela simples aproximação de um ímã na parede do reator. O catalisador pôde ser completamente separado da fase líquida, fazendo com que a utilização de outros métodos de separação como filtração e centrifugação, comumente utilizados em sistemas heterogêneos líquidos, fossem completamente dispensados. Os catalisadores foram inicialmente testados em reações de hidrogenação de alquenos e alquinos. As reações de hidrogenação foram realizadas utilizando hidrogênio molecular como agente redutor, dispensando a utilização de agentes redutores mais agressivos. Os catalisadores compostos de NPs de Pd mostram excelente atividade e capacidade de reutilização na hidrogenação de cicloexeno, podendo ser utilizados em até 15 ciclos sem perda de atividade. Nas reações de hidrogenação de alquinos, os catalisadores que contêm cobre mostraram maior seletividade para a obtenção dos produtos de semi-hidrogenação, com destaque para o catalisador composto de NPs de CuPd, que não apresenta nem traços do produto de hidrogenação completa na amostra final. Esse catalisador bimetálico alia as características do paládio (elevada atividade) e do cobre (elevada seletividade) para fornecer um catalisador ativo e seletivo para a transformação desejada. Além disso, os grupos funcionais presentes na superfície do suporte catalítico mostraram influência na atividade e seletividade para a hidrogenação de alquenos e alquinos. Os catalisadores sintetizados também foram testados na reação de oxidação de cicloexeno e mostraram seletividade para a produção do composto carbonílico α,β-insaturado, cicloex-2-en-1-ona, que é um reagente de partida de grande interesse para a síntese de diversos materiais na indústria química. As reações de oxidação foram realizadas utilizando-se apenas O2 como oxidante primário, dispensando o uso de oxidantes tóxicos como cromatos, permanganatos ou compostos halogenados, que não são recomendados do ponto de vista ambiental. Os catalisadores sintetizados puderam ser reutilizados em sucessivos ciclos de oxidação, mostrando seletividade para a formação dos produtos alílicos em todos os ciclos. Os catalisadores foram estáveis sob as condições reacionais e não apresentaram problemas de lixiviação da espécie ativa para o meio reacional, que é comum na catálise heterogênea. Um estudo cinético mostrou que, mesmo no início da reação, o catalisador tem seletividade para a ocorrência de oxidação alílica em detrimento da reação de oxidação direta que dá origem ao epóxidos correspondente, e se mostrou condizente com o mecanismo proposto na literatura para a reação de oxidação de alquenos via radicalar.

Sulfur resistance of Pt-W catalysts

The sulfur resistance of low-loaded monometallic Pt catalysts and bimetallic Pt-W catalysts during the partial selective hydrogenation of styrene, a model compound of Pygas streams, was studied. The effect of metal impregnation sequence on the activity and selectivity was also evaluated. Catalysts were characterized by ICP, TPR, XRD, and XPS techniques. Catalytic tests with sulfur-free and sulfur-doped feeds were performed. All catalysts showed high selectivities (>98%) to ethylbenzene. Activity differences between the catalysts were mainly attributed to electronic effects due to the presence of different electron-rich species of Pt0 and electron-deficient species of Ptδ+. Pt0 promotes the cleavage of H2 while Ptδ+ the adsorption of styrene. The catalyst successively impregnated with W and Pt (WPt/Al) was more active and sulfur resistant than the catalyst prepared with an inverse impregnation order (PtW/Al). The higher poison resistance of WPt/Al was attributed to both steric and electronic effects.

CO induced surface segregation as a means of improving surface composition and enhancing performance of CuPd bimetallic catalysts

Date of Acceptance: 01/06/2015 We thank the University of Aberdeen for financial support and A.I. McNab (University of Aberdeen) for discussions involving the calculation of surface sites.

CO induced surface segregation as a means of improving surface composition and enhancing performance of CuPd bimetallic catalysts

Date of Acceptance: 01/06/2015 We thank the University of Aberdeen for financial support and A.I. McNab (University of Aberdeen) for discussions involving the calculation of surface sites.

CO induced surface segregation as a means of improving surface composition and enhancing performance of CuPd bimetallic catalysts

Date of Acceptance: 01/06/2015 We thank the University of Aberdeen for financial support and A.I. McNab (University of Aberdeen) for discussions involving the calculation of surface sites.

Catalizzatori polifunzionali per la sintesi di Metil Isobutil Chetone

In this work, we have examined the activity and selectivity of new catalysts for the single-stage production of methyl isobutyl ketone (MIBK, 4- methyl-2-pentanone) from acetone (both in liquid and gas phase), using a fixed bed reactor operated in the temperature range between 373 and 473 K. The main reaction pathways for the synthesis of MIBK from acetone are given in Fig.1. The first step is the self condensation of acetone to diacetone alcohol (DAA, 4-hydroxy-4-methyl-2-pentanone); the second step is the dehydration of DAA to mesityl oxide (MO, 4-methyl-3-penten-2-one); the final step is the selective hydrogenation of the carbon–carbon double bond of MO to form MIBK. The most commonly observed side reactions are over-condensations and unselective hydrogenations (also shown in Fig.1). Two types of catalysts were studied: i)Pd supported on MgO-SiO2 mixed oxides with ratio of Mg to Si, synthetized using Ohnishi’s method and ii)Pd supported on alumina doped with 5% or 10% of MgO. The different Mg-Si and Mg-Al catalysts were characterized by different techniques (XRD, BET, SEM, NH3-TPD and CO2-TPD) and tested under different conditions in the condensation of acetone to diacetone alcohol and its dehydration to mesityl oxide to enhance the activity. Palladium was chosen as metal component, and its hydrogenation activity was studied. A low hydrogenation activity negatively affects the acetone conversion and promotes the production of mesityl oxide. Hydrogenation conditions being too severe may favor the unwanted hydrogenation of acetone to 2-propanol and of MIBK to methyl isobutyl carbinol (MIBC, 4-methyl-2-pentanol) but this effect is less detrimental to the MIBK selectivity than an unsufficient hydrogenation activity.

Guanidine catalyzed aerobic reduction: a selective aerobic hydrogenation of olefins using aqueous hydrazine

An efficient aerobic reduction of olefins, internal as well as terminal, is developed using guanidine as an organocatalyst. A remarkable chemoselectivity in reduction has been demonstrated in the presence of a variety of functional groups and protective groups and a selective reduction of a terminal olefin in the presence of an internal olefin is revealed.

Selective gas phase hydrogenation of nitroarenes over Mo2C supported Au-Pd

Peer reviewed

Electrocatalytic properties of Cu-Zr amorphous alloy towards the electrochemical hydrogenation of nitrobenzene

The Cu-Zr amorphous alloy was studied as an electrocatalyst towards the electrochemical hydrogenation of nitrobenzene. The electrocatalyst was activated by chemical etching in HF solution. Resulted changes in the morphology, chemical composition and crystalline structure of the electrocatalyst surface were characterised by scanning electron microscopy, X-ray diffraction and Auger electron spectroscopy. The electrocatalytic properties of the Cu-Zr amorphous alloy were assessed by voltammetric measurements. Due to the formation and aggregation of Zr residue modified Cu nanocrystals on the surface caused by the selective dissolution of Zr components in the chemical etching, the activated amorphous alloy is an effective electrocatalyst for the electrochemical reduction reaction of nitrobenzene with aniline as the main product. The positive shift of the peak potential and accompanying increase in the value of peak current in voltammograms with increasing Cu content and decreasing Zr content of the alloy surface in the chemical etching are indicative of improved electrocatalytic activity. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

An ionic liquid based on a cyclic guanidinium cation is an efficient medium for the selective oxidation of benzyl alcohols

A novel room temperature ionic liquid (RTIL) has been prepared containing a cyclic hexaalkylguanidinium cation. The selective oxidation of a series of substituted benzyl alcohols has been carried out in it, with sodium hypochlorite as the oxidant. The RTIL acts as both phase transfer catalyst (PTC) and solvent. The ionic liquid could be recycled after extraction of the benzaldehyde product with ether.

Extremely active catalysts for the hydrogenation of terminal alkenes

Titanocene complexes combined with nanometer-size sodium hydride are extremely active and selective catalysts for the hydrogenation of terminal alkenes under normal pressure. The initial turnover frequencies (TOFinitial) may reach 100-300 s(-1) in the hydrogenation of 1-hexene. The highest catalytic efficiency turnover (TO) reaches 1.5 x 10(5) in 2 h for the hydrogenation of styrene. These catalytic systems exhibit specific selectivity toward alkene substrates. Only terminal alkenes can be hydrogenated. No isomerization of carbon-carbon double bonds occurs during hydrogenation. A suitable substituent on the cyclopentadienyl ring of titanocene and the use of nanometric sodium hydride are key factors in the high efficiency of these catalytic systems. (C) 2002 Elsevier Science.