Modified electrodes with Keggin-type polyoxotungstates

O objectivo deste trabalho é a produção de novos eléctrodos modificados com polioxotungstatos (POMs) do tipo Keggin, incluindo POMs lacunares e substituídos por metais de transição. A preparação e caracterização dos polioxotungstatos encontram-se descritas no Capítulo 2. No Capítulo 3 descreve-se a produção de eléctrodos de carbono vítreo funcionalizados com sais híbridos de tetra-n-butilamónio de vários silicotungstatos pelo método de evaporação da gota. As propriedades electroquímicas dos polioxotungstatos imobilizados foram comparadas com as das espécies solúveis correspondentes. A morfologia dos depósitos foi avaliada por microscopia óptica e por microscopia electrónica de varrimento. No capítulo 4 descreve-se a preparação de novos eléctrodos compósitos de carbono e poli(hexilmetacrilato) com fosfotungstatos. Os estudos electroquímicos revelaram que as principais características dos POMs são mantidas e que os processos de redução são controlados por difusão, dependendo da difusão dos protões da solução. O Capítulo 5 descreve a construção de filmes em multicamadas ultrafinos contendo POMs e polietilenimina, preparados pelo método de auto-montagem camada-sobre-camada em eléctrodos de carbono vítreo. Os filmes em multicamada foram caracterizados por voltametria cíclica e por microscopia electrónica de varrimento e foi usada a espectroscopia de absorção de UV-Vis em placas de quartzo para monitorar o crescimento de filme. Os resultados voltamétricos revelaram que os processos de redução dos POM são confinados à superfície. Alguns destes eléctrodos modificados revelaram propriedades electrocatalíticas relativamente à redução dos aniões nitrito, bromato e/ou iodato. A espectroscopia de impedância electroquímica também foi usada na caracterização destes filmes e os resultados revelaram que a resistência à transferência de carga aumenta com o aumento do número de bicamadas para ambas as espécies redox, indicando que a espessura do filme tem um efeito importante sobre a cinética de reacções de transferência de carga. No capítulo 6 descreve-se a síntese de filmes híbridos orgânicos/inorgânicos compostos por poli(3,4-etilenodioxitiofeno) (PEDOT) e por silicotungstatos do tipo Keggin através da polimerização electroquímica, em condições aquosas, na superfície de electrodos de carbono vítreo. A voltametria cíclica revelou que as características principais dos POMs são mantidas nos filmes. Verificou-se que estes filmes são muito estáveis, possivelmente devido a fortes interacções electrostáticas entre os POMs aniónicos e o polímero positivamente carregado. A espectroscopia de impedância electroquímica foi também utilizada e os resultados mostraram que a resistência de transferência de carga aumenta com o aumento do pH e para valores de potenciais mais elevados. O capítulo 7 apresenta as conclusões finais e possíveis trabalhos futuros.

Multilayer assembly of Mn-substituted Keggin-type [ZnW11O39Mn(H2O)](8-) on chemically modified glassy carbon electrode and its electrocatalytic properties

Through layer-by-layer assembly, undecatungstozincates monosubstituted by transition metals Mn, ZnW11 Mn (H2O) O-39(8-) was successfully immobilized on a glassy carbon electrode surface grafted covalently by 4-aminobenzoic acid. The electrochemical behavior of these polyoxometalates was investigated. Cyclic voltammetry proves the uniform growth of the film. They exhibit some special electrochemical properties in the films, different from those in homogeneous aqueous solution. The effect of pH on the redox behavior of ZnW11Mn(H2O)O-39(8-) in the film was discussed in detail. The multilayer film electrodes have an excellent electrocatalytic response to the reduction of H2O2 and BrO3-, and to the oxidation of ascorbic acid.

Trapping phosphorus (III) into polyoxometalates: synthesis, characterisation and electronic behaviour study

The introduction of electronically-active heteroanions into polyoxometalates (POMs) is one of the emerging topics in this field. The novel clusters have shown unprecedented intramolecular electron-transfer features that can be directly mediated by the incorporated heteroanions. In this thesis, we will focus on the study of phosphite (HPO32-) as new non-traditional heteroanions, discover HPO32- templated nanostructures, investigate their electronic behaviours as well as understand the self-assembly process of HPO32--templated species. The thesis starts with incorporating HPO32- into POM cages. The feasibility of this work was illustrated by the successful trapping of HPO32- into a “Trojan Horse” type {W18O56} nanocage. The reactivity of embedded {HPO3} was fully studied, showing the cluster undergoes a structural rearrangement in solution whereby the {HPO3} moieties dimerise to form a weakly interacting (O3PH···HPO3) moiety. In the crystalline state a temperature-dependent intramolecular redox reaction and structural rearrangement occurs. This rearrangement appears to proceed via an intermediate containing two different templates, a pyramidal {HPO3} and a tetrahedral {PO4} moiety. {HPO3} templated POM cages were then vigorously expanded and led to the isolation of five either fully oxidised or mixed-valence clusters trapped with mono-, di-, or tri- {HPO3}. Interestingly, an intriguing 3D honeycomb-like host-guest structure was also synthesised. The porous framework was self-aggregated by a tri-phopshite anion templated {W21} cluster with a {VO4} templated Wells-Dawson type {W18} acting as a guest species within the hexagonal channels. Based on this work, we further extended the templating anions to two different redox-active heteroanions, and discovered a unique mixed-heteroatom templated system built by pairing redox-active {HPIIIO3} with {TeO3}, {SeO3} or {AsO3}. Two molecular systems were developed, ie. “Trojan Horse” type [W18O56(HPO3)0.8(SeO3)1.2(H2O)2]8- and cross-shaped [H4P4X4W64O224]32-/36-, where X=TeIV, SeIV, AsIII. In the case of {W18(HPO3)0.8(SeO3)1.2}, the compound is found to be a mixture of heteroleptic {W18(HPO3)(SeO3)} and homoleptic {W18(SeO3)2} and {W18(HPO3)2}, identified by single crystal x-ray diffraction, NMR as well as high resolution mass spectrometry. The cluster exhibited similar temperature-dependent electronic features to “Trojan Horse” type {W18(HPO3)2O56}. However, due to the intrinsic reactivity difference between {HPO3} and {SeO3}, the thermal treatment leads to the formation of an unusual species [W18O55(PO4)(SeO3)]5-, in which {HPO3} was fully oxidised to {PO4} within the cage, whereas and lone-pair-containing {SeO3} heteroanions were kept intact inside the shell. This finding is extremely interesting, as it demonstrated that multiple and independent intramolecular electronic performance can be achieved by the coexistence of distinct heteroatoms within a single molecule. On the other hand, the cross-shaped [H4P4X4W64O224]32-/36- were constructed by four {W15(HPO3)(XO3)} building units linked by four {WO6} octahedra. Each building unit traps two different heteroatoms. It is interesting to note that the mixed heteroatom species show self-sorting, with a highly selective positional preference. Smaller ionic sized {HPO3} are self-organised into the uncapped side of {W15} cavity, whereas closed side are occupied by larger heteroatoms, which is surprisingly opposed to steric hindrance. Density functional theory (DFT) calculations are currently underway to have a full understanding of the preference of heteroatom substitutions. This series of clusters is of great interest in terms of achieving single molecule-based heteroatom-dependent multiple levels of electron transfer. It has opened a new way to design and synthesise POMs with higher diversity of electrical states, which may lead to a new type of Q-bits for quantum computing. The third chapter is focused on developing polyoxotungstate building blocks templated by {HPO3}. A series of building blocks, {W15O48(HPO3)2}, {W9O30(HPO3)} {W12O40(HPO3)2} and hexagonal {W6O18(HPO3)} have been obtained. The first four building blocks have been reported with {SeO3} and/or {TeO3} heteroanions. This result demonstrates {HPO3} has a similar reactivity as {SeO3} and {TeO3}, therefore studying the self-assembly of {HPO3}-based building blocks would be helpful to have a general understanding of pyramidal heteroatom-based molecular systems. The hexagonal {W6O18(HPO3)} is observed for the first time in polyoxotungstates, showing some of reactivity difference between {HPO3} and {SeO3} and {TeO3}. Furthermore, inorganic salts and pH values have some directing influence on the formation and transformation of various building blocks, resulting in the discovery of a family of {HPO3}-based clusters with nuclearity ranging from {W29} to {W106}. High resolution mass spectrometry was also carried out to investigate the cluster solution behaviour and also gain information of building block speciation. It is found that some clusters experienced decomposition, which gives rise to potential building blocks accountable for the self-assembly.

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.