Síntese e estudo de polioxotungstatos do tipo Keggin com interesse catalítico

O objectivo principal deste trabalho foi estudar as propriedades e comportamento de polioxotungstatos (POM) do tipo Keggin com interesse em catálise oxidativa. Os estudos efectuados centraram-se no comportamento electroquímico dos aniões em meio não aquoso, na estabilidade das suas estruturas em diferentes meios, na sua capacidade de catalisar a oxidação de diferentes substratos orgânicos e na sua eficácia em oxidar, de forma selectiva, um modelo não fenólico da lenhina. Efectuou-se, igualmente, o estudo estrutural de diversos aniões pela técnica de EXAFS. Neste trabalho, prepararam-se e caracterizaram-se alguns dos sais de tetra-n-butilamónio (TBA) dos polioxotungstatos estudados: compostos de Keggin, TBAx[XW12O40], lacunares, TBAxHy[XW11O39], mono-substituídos, TBAxHy[XW11M(H2O)O39]·nH2O, com X= P e Si e M = CoII, NiII, ZnII, CuIl, RuIII, MnIII e FeIII e os compostos com mistura de átomos adenda TBAx[XW11VO40]·nH2O (X = P e Si). Seleccionou-se este conjunto de polioxotungstatos de forma a efectuar-se um estudo comparativo da influência da natureza do heteroátomo central (P e Si) e dos metais de transição M nas propriedades estudadas. O conjunto de sais de TBA dos silicotungstatos estudados mostraram ser isoestruturais, apresentando a mesma estrutura dos fosfotungstatos análogos. O comportamento electroquímico dos polioxotungstatos foi estudado em soluções de acetonitrilo por voltametria cíclica e electrólise a potencial controlado. Verificou-se a ocorrência de vários processos mono-electrónicos de oxi-redução, reversíveis ou quasi-reversíveis, associados aos átomos de WVI/V e a alguns dos metais de transição. Os metais em estado de oxidação +3 reduziram-se mais facilmente do que os átomos de WVI. O metal CuII apresentou um comportamento diferente dos outros metais de transição. Este metal, na estrutura do POM, reduziu-se a CuI, proporcionando a observação do anião [PW11CuIO39]6- pela primeira vez. A redução posterior do CuI conduziu à formação de Cu0, que se depositou na superfície do eléctrodo. A re-oxidação do cobre a CuII conduziu à reconstituição da estrutura do POM, nas condições estudadas. Constatou-se que a ocorrência de protões na fórmula molecular dos POMs influenciou o seu comportamento electroquímico. Para os compostos que apresentam protões, a redução dos átomos de tungsténio ocorreu a potenciais menos negativos do que para aqueles que não apresentam protões na sua fórmula. Para os primeiros observou-se a transferência global de um maior número de electrões no mesmo intervalo de potencial, originando soluções fortemente azuladas. Quando os catiões tetra-n-butilamónio foram substituídos por catiões de menor dimensão, como Li+ e Na+, ocorreu a formação de pares iónicos com os polianiões [PW12O40]3- e [SiW11VO40]5-, originando um aumento do potencial de redução. Não houve evidência da formação de pares iónicos com os catiões TBA+. Este foi o primeiro estudo sistemático do comportamento electroquímico dos aniões lacunares e mono-substituídos em meio não aquoso. Estudou-se a estrutura dos polioxotungstatos em sais de TBA e em soluções de acetonitrilo. A aplicação da técnica de EXAFS ao estudo deste tipo de compostos em solução foi realizada pela primeira vez. Pela análise estrutural nos sólidos verificou-se que, a natureza do metal de transição M e do átomo central X, na estrutura do POM, influenciam o tamanho dos vários octaedros que o constituem. Não se observaram diferenças significativas nas estruturas dos polianiões em solução. A estabilidade da estrutura dos polioxometalatos na presença de um excesso de H2O2, em soluções de acetonitrilo/H2O foi analisada por espectroscopia de absorção de EXAFS, RMN de 31P, IV e espectrofotometria de absorção no UV-Vis. De uma forma geral, os POMs em que o átomo central da estrutura é o Si apresentaram maior estabilidade do que os POMs correspondentes com átomo de P no centro. Em solução de acetonitrilo, na ausência de H2O2, todos os aniões mostraram ser estáveis durante vários dias. Em solução, na presença de H2O2 em excesso (H2O2/POM = 1300), o anião lacunar [PW11O39]7- não é estável, transformando-se no anião de Venturello, {PO4[W(O)(O2)2]4}3-, após a formação de [PW12O40]3-, como produto intermediário. Em relação aos aniões substituídos [PW11M(H2O)O39]p-, M = MnIII, RuIII, FeIII, CoII e ZnII, verificou-se o seguinte na presença de H2O2: os aniões com MnIII e CoII transformaram-se no anião de Keggin, [PW12O40]3-. Os aniões de RuIII e FeIII mantiveram as suas estruturas e o anião de ZnII decompôs-se em {HPO4[W(O)(O2)2]2}2- e fosfato. Para estes casos de não estabilidade estrutural, o processo de decomposição foi mais rápido na presença de maiores conteúdos de água. Pela análise de EXAFS, na presença de um menor excesso de H2O2 (H2O2/POM = 70) e apenas 8% de parte aquosa, verificou-se que os aniões substituídos por MnIII mantiveram a sua estrutura, embora o ligando H2O, coordenado ao Mn, tivesse sido substituído por um grupo oxo no polianião [SiW11Mn(H2O)O39]5-, e por um grupo peroxo no polianião [PW11Mn(H2O)O39]4-. O anião com RuIII, nestas condições, também mostrou substituir o seu ligando H2O por um grupo peroxo ou hidrogenoperoxo. Os polioxotungstatos mono-substituídos e lacunares mostraram ser catalisadores eficientes para a oxidação de cis-cicloocteno, geraniol e ciclooctano com H2O2. A maior novidade deste trabalho residiu na actividade catalítica apresentada pelos silicotungstatos estudados, contrariando o que é referido na literatura. Outro aspecto inovador foi o elevado valor de conversão obtido para a oxidação de ciclooctano. Este substrato foi oxidado com 74% de conversão, após 2h de reacção e com 80% de selectividade para o hidroperóxido de ciclooctilo, na presença do anião [PW11Fe(H2O)O39]4-. Os restantes produtos de reacção foram o ciclooctanol e a ciclooctanona. Os silicotungstatos apresentaram maior selectividade para o hidroperóxido de ciclooctilo do que os fosfotungstatos. O geraniol foi completamente oxidado após 3h de reacção, com 82% de selectividade para o 2,3-epoxigeraniol, na presença do anião [PW11Mn(H2O)O39]4-. O cis-cicloocteno foi oxidado ao seu epóxido, com 92% de conversão ao fim de 5h de reacção, na presença do anião lacunar [PW11O39]7-. O estudo da capacidade oxidativa do anião [SiW11VO40]5- foi analisada utilizando-se um modelo não fenólico da lenhina, a anisoína. Estudaram-se as condições favoráveis à obtenção de uma reacção selectiva para o anisilo, de forma a poder estudar-se a cinética da reacção. A estequiometria da reacção mostrou ser de 1:2 anisoína/POM. As ordens de reacção foram determinadas pelo método das velocidades iniciais e, a partir destes resultados, conheceu-se que o POM não estava envolvido no passo que limita a velocidade da reacção, sendo esta limitada pela transformação da anisoína. O estudo realizado sobre o efeito isotópico sugeriu que o passo que limitou a velocidade de reacção correspondeu à enolação da anisoína. Desta forma, observou-se pela primeira vez, que o POM oxida um modelo não fenólico da lenhina por via de enolação.

Surface Activity and Bulk Defect Chemistry of Solid Oxide Fuel Cell Cathodes

In the first half of this thesis, a new robotic instrument called a scanning impedance probe is presented that can acquire electrochemical impedance spectra in automated fashion from hundreds of thin film microelectrodes with systematically varied properties. Results from this instrument are presented for three catalyst compositions that are commonly considered for use in state-of-the-art solid oxide fuel cell cathodes. For (La_0.8Sr_0.2)_0.95Mn_O3+δ (LSM), the impedance spectra are well fit by a through-the-film reaction pathway. Transport rates are extracted, and the surface activity towards oxygen reduction is found to be correlated with the number of exposed grain boundary sites, suggesting that grain boundaries are more surface-active than grains. For La_0.5Sr_0.5Co_O3-δ (LSC), the surface activity degrades ~50x initially and then stabilizes at a comparable activity to that of previously measured Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O3-δ films. For Sr_0.06Nb_0.06Bi_1.87O₃ (SNB), an example of a doped bismuth oxide, the activity of the metal-SNB boundary is measured.

In the second half of this thesis, SrCo_0.9Nb_0.1O_3-δ is selected as a case study of perovskites containing Sr and Co, which are the most active oxygen reduction catalysts known. Several bulk properties are measured, and synchrotron data are presented that provide strong evidence of substantial cobalt-oxygen covalency at high temperatures. This covalent bonding may be the underlying source of the high surface activity.

New Catalysts for the Renewable Production of Monomers for Bioplastics

Terephthalic acid (PTA) is one of the monomers used for the synthesis of the polyester, polyethylene terephthalate (PET), that is used for the large-scale manufacture of synthetic fibers and plastic bottles. PTA is largely produced from the liquid-phase oxidation of petroleum-derived p-xylene (PX). However, there are now ongoing worldwide efforts exploring alternative routes for producing PTA from renewable, biomass resources.

In this thesis, I present a new route to PTA starting from the biomass-derived platform chemical, 5-hydroxymethylfurfural (HMF). This route utilizes new, selective Diels-Alder-dehydration reactions involving ethylene and is advantageous over the previously proposed Diels-Alder-dehydration route to PTA from HMF via 2,5-dimethylfuran (DMF) since the H₂ reduction of HMF to DMF is avoided. Specifically, oxidized derivatives of HMF are reacted as is, or after etherification-esterification with methanol, with ethylene over solid Lewis acid catalysts that do not contain strong Brønsted acids in order to synthesize intermediates of PTA and its equally important diester, dimethyl terephthalate (DMT). The partially oxidized HMF, 5-(hydroxymethyl)furoic acid (HMFA) is reacted with high pressure ethylene over a pure-silica molecular sieve catalyst containing framework tin (Sn-Beta) to produce the Diels-Alder-dehydration product, 4-(hydroxymethyl)benzoic acid (HMBA), with ~30% selectivity at ~20% yield. If HMFA is protected with methanol to form methyl 5-(methoxymethyl)furan-2-carboxylate (MMFC), MMFC can react with ethylene in the presence of a pure-silica molecular sieve containing framework zirconium (Zr-Beta) to produce methyl 4-(methoxymethyl)benzenecarboxylate (MMBC) with >70% selectivity at >20% yield. HMBA and MMBC can then be oxidized to produce PTA and DMT, respectively. When Lewis acid containing mesoporous silica (MCM-41) and amorphous silica, or Brønsted acid containing zeolites (Al-Beta), are used as catalysts, a significant decrease in selectivity/yield of the Diels-Alder-dehydration product is observed.

An investigation to elucidate the reaction network and side products in the conversion of MMFC to MMBC was performed, and the main side products are found to be methyl 4-formylcyclohexa-1,3-diene-1-carboxylate and the ethylene Diels-Alder adduct of this cyclohexadiene. These products presumably form by a different dehydration pathway of the MMFC/ethylene Diels-Alder adduct and should be included when determining the overall selectivity to PTA or DMT since, like MMBC, these compounds are precursors to PTA or DMT.

Fundamental physical and chemical information on the ethylene Diels-Alder-dehydration reactions catalyzed by the Lewis acid-containing molecular sieves was obtained. Madon-Boudart experiments using Zr-Beta as catalyst show that the reaction rates are limited by chemical kinetics only (physical transport limitations are not present), all the Zr⁴⁺ centers are incorporated into the framework of the molecular sieve, and the whole molecular sieve crystal is accessible for catalysis. Apparent activation energies using Zr-Beta are low, suggesting that the overall activation energy of the system may be determined by a collection of terms and is not the true activation energy of a single chemical step.

Mesoporous mixed Nb2O5-ZrO2 catalysts for dehydration of glucose into 5-hydroxymethylfurfural

Biomass is the world’s most important renewable carbon source, whose major component, carbohydrates, can be valorized by transformation into biofuels and high value-added chemicals. Among the latter, 5-hydroxymethylfurfural (HMF), obtained by C6 carbohydrates dehydration, is a versatile and key intermediate for the production of a large spectrum of biobased chemicals. Different catalytic systems have been evaluated for HMF production, mostly based on heterogeneous catalysis as alternative to the use of conventional mineral acids [1]. Moreover, niobium oxide has shown interesting properties as acid catalyst for dehydration of sugars [2-3]. On the other hand, the high surface area and large pore size of mesoporous solids make them suitable for many catalytic processes. In the present work, the dehydration of glucose to HMF has been evaluated by using different mesoporous mixed Nb2O5-ZrO2 in a biphasic water–Methyl Isobutyl Ketone (MIBK) solvent system to avoid the HMF degradation. Different experimental parameters, such as reaction temperature and time, as well as the addition of CaCl2 have been studied in order to maximize the HMF yield.N2 adsorption-desorption isotherms have corroborated the mesostructured character of catalysts, being all isotherms of Type IV according to the IUPAC classification. BET surface area decreases for catalysts with higher Zr content (Table 1). Likewise, pore volume and average pore diameter values diminish after Zr incorporation. Concerning the acid properties, a clear correlation between Nb and acidity can be observed, in such a way that total acidity, as deduced from NH3-TPD, decreases when the Zr content rises, and consequently the amount of Nb is reduced.These mesoporous Nb-Zr catalysts have been tested in the dehydration of glucose to HMF at 175 ºC under batch operation in aqueous solution, using MIBK as co-solvent. It can be observed that both glucose conversion and HMF yield increase with the Nb content, being maximum (90% and 36%, respectively) after 90 minutes for Nb2O5. This trend changes when CaCl2 is added to the reaction medium, improving the catalytic performance of mixed oxides and ZrO2, but Nb2O5 maintains similar results than without salt addition. This could be justified by the interaction between CaCl2 and Lewis acid sites, since zirconium oxide possesses a higher amount of this acid sites type.

Pirólise rápida catalítica do capim elefante utilizando materiais mesoporosos e óxidos metálicos para deoxigenação em bio-óleo

The fast pyrolysis of lignocellulosic biomass is a thermochemical conversion process for production energy which have been very atratactive due to energetic use of its products: gas (CO, CO2, H2, CH4, etc.), liquid (bio-oil) and charcoal. The bio-oil is the main product of fast pyrolysis, and its final composition and characteristics is intrinsically related to quality of biomass (ash disposal, moisture, content of cellulose, hemicellulose and lignin) and efficiency removal of oxygen compounds that cause undesirable features such as increased viscosity, instability, corrosiveness and low calorific value. The oxygenates are originated in the conventional process of biomass pyrolysis, where the use of solid catalysts allows minimization of these products by improving the bio-oil quality. The present study aims to evaluate the products of catalytic pyrolysis of elephant grass (Pennisetum purpureum Schum) using solid catalysts as tungsten oxides, supported or not in mesoporous materials like MCM-41, derived silica from rice husk ash, aimed to reduce oxygenates produced in pyrolysis. The biomasss treatment by washing with heated water (CEL) or washing with acid solution (CELix) and application of tungsten catalysts on vapors from the pyrolysis process was designed to improve the pyrolysis products quality. Conventional and catalytic pyrolysis of biomass was performed in a micro-pyrolyzer, Py-5200, coupled to GC/MS. The synthesized catalysts were characterized by X ray diffraction, infrared spectroscopy, X ray fluorescence, temperature programmed reduction and thermogravimetric analysis. Kinetic studies applying the Flynn and Wall model were performed in order to evaluate the apparent activation energy of holoceluloce thermal decomposition on samples elephant grass (CE, CEL and CELix). The results show the effectiveness of the treatment process, reducing the ash content, and were also observed decrease in the apparent activation energy of these samples. The catalytic pyrolysis process converted most of the oxygenate componds in aromatics such as benzene, toluene, ethylbenzene, etc

Molecular architecture of Aβ fibrils grown in cerebrospinal fluid solution and in a cell culture model of Aβ plaque formation

OBJECTIVES: The detailed structure of brain-derived Aβ amyloid fibrils is unknown. To approach this issue, we investigate the molecular architecture of Aβ(1-40) fibrils grown in either human cerebrospinal fluid solution, in chemically simple phosphate buffer in vitro or extracted from a cell culture model of Aβ amyloid plaque formation. METHODS: We have used hydrogen-deuterium exchange (HX) combined with nuclear magnetic resonance, transmission electron microscopy, seeding experiments both in vitro and in cell culture as well as several other spectroscopic measurements to compare the morphology and residue-specific conformation of these different Aβ fibrils. RESULTS AND CONCLUSIONS: Our data reveal that, despite considerable variations in morphology, the spectroscopic properties and the pattern of slowly exchanging backbone amides are closely similar in the fibrils investigated. This finding implies that a fundamentally conserved molecular architecture of Aβ peptide fold is common to Aβ fibrils.

Niobic acid nanoparticle catalysts for the aqueous phase transformation of glucose and fructose to 5-hydroxymethylfurfural

A family of bulk and SBA-15 supported peroxo niobic acid sols were prepared by peptisation of niobic acid precipitates with H2O2 as heterogeneous catalysts for aqueous phase glucose and fructose conversion to 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF). Niobic acid nanoparticles possess a high density of Brønsted and Lewis acid sites, conferring good activity towards glucose and fructose conversion, albeit with modest 5-HMF yields under mild reaction conditions (100 °C). Thermally-induced niobia crystallisation suppresses solid acidity and activity. Nanoparticulate niobic acid dispersed over SBA-15 exhibits pure Brønsted acidity and an enhanced Turnover Frequency for fructose dehydration.

Remoção de ibuprofeno de águas por oxidação catalítica

A ocorrência e destino de fármacos no ambiente aquático tem vindo a ser reconhecido como um problema emergente em química ambiental. Alguns compostos são resistentes à degradação nas estações de tratamento de águas residuais, ETARs, enquanto que outros, ainda que sofram degradação parcial, continuam a ser lançados nos meios aquáticos em quantidades apreciáveis. O Ibuprofeno, IB, um dos anti­ inflamatórios mais consumidos por todo o mundo, é um dos fármacos mais detectados no meio hídrico. Apesar dos sistemas de tratamento convencionais utilizados nas ETARs removerem até 90% do IB das águas residuais, é frequente o efluente descarregado conter ainda quantidades significativas deste poluente. A presença destes compostos no ambiente deve ser avaliada dado que possuem actividade biológica, mesmo a baixas concentrações. Os processos avançados de oxidação com peróxido de hidrogénio, na presença de catalisadores heterogéneos, permitem melhorar significativamente a remoção deste tipo de compostos em águas. Assim, foi objectivo deste trabalho o estudo da utilização de peróxido de hidrogénio como agente oxidante na remoção de IB em soluções aquosas, na presença de complexo de acetilacetonato de Ni (II) disperso em PDMS ou encapsulado em zeólitos NaY. Para o doseamento do fármaco em solução foi necessário desenvolver um método analítico consistindo de separação cromatográfica por HPLC e detecção e quantificação por UV-Vis. Não houve necessidade de recorrer a um passo de pré­ concentração de amostras por extracção em fase sólida (SPE) devido ao facto das concentrações de IB medidas ao longo do trabalho se terem sempre encontrado acima do LOQ (811 g L-1) do método analítico por injecção directa. Deste estudo pode concluir-se que o catalisador que apresentou melhor actividade catalítica e consequentemente maior remoção do IB em solução, foi o complexo de acetilacetonato de Ni (II), disperso em PDMS. Foi avaliada a influência, na conversão do IB, de diferentes parâmetros como a concentração inicial de peróxido de hidrogénio adicionada, quantidade de catalisador utilizada na mistura reaccional e temperatura. Os resultados permitiram concluir que os aumentos destes parâmetros conduzem a um aumento da actividade catalítica da reacção. A estabilidade catalítica do acetilacetonato de Ni (II)/PDMS, foi avaliada em ensaios consecutivos com a mesma amostra e nas mesmas condições, tendo-se observado que, após 8 utilizações, o catalisador perde ligeiramente a actividade (cerca de 11% do seu valor inicial). ABSTRACT: The presence and fate of pharmaceuticals in the aquatic environment is an emergent issue in environmental chemistry. Some compounds are poorly removed in wastewater treatment plants (WWTPs) while others, in spite of being partially removed, are still present in the WWTPs effluents and discharged in the receiving water bodies. Ibuprofen, IB, a non-steroid anti-inflammatory drug, is one of the most used and also one of the most frequently detected pharmaceutical contaminants in aquifers worldwide. Its removal by conventional wastewater treatment processes used in most WWTPs is usually high (up to 90% of incoming IB may be removed), but duet the high loads present in the influents, still significant amounts of IB usually leave the WWTPs in the treated effluents. The presence of these compounds in the environment must be evaluated considering that they may have some biological activity even at low concentrations. Advanced oxidation processes using hydrogen peroxide, in the presence of heterogeneous catalysts, provide a significantly improved removal of this type of substances from waters. Therefore, it was the aim of this work to study the use of hydrogen peroxide as an oxidizing agent in the removal of IB from aqueous solutions, in the presence of the catalyst nickel (II) acetylacetonate dispersed in PDMS or encapsulated in the NaY zeolite. For the quantification of the pharmaceutical in aqueous solution it was necessary to develop an analytical methodology based in chromatographic separation by HPLC and with UV-Vis detection and quantification. There was no need for a pre­concentration step of the samples by solid phase extraction (SPE) as the IB concentrations measured were always above the limit of quantification (811 bL1 of) the analytical method. The results from this study have shown that the catalyst which presented the best catalytic activity and the highest IB removal in solution was nickel (II) acetylacetonate dispersed in PDMS.