Este trabalho foi desenvolvido com o propósito de investigar as reações de polimerização por metátese via abertura de anel (ROMP) assistidas pelos catalizadores desenvolvidos pelo grupo do Prof. Dr. Benedito dos Santos de Lima Neto do Instituto de Química de São Carlos (IQSC-USP), usando métodos computacionais de mecânica quântica. Portanto, este projeto foi uma combinação de resultados teóricos e experimentais. No capítulo 1, foi elucidado o mecanismo principal da reação de ROMP de norborneno por meio do iniciador catalítico [RuCl2(PPh3)2(piperidina)]. O estudo mostrou que a primeira etapa da reação implica numa associação entre o complexo iniciador e o diazoetanoato de etila (EDA), resultando na formação de uma ligação metalcarbeno. Então, essa espécie perde duas moléculas de trifenilfosfina nos passos subsequentes, sendo que a etapa determinante da velocidade da reação está associada com a saída da segunda molécula de PPh3 devido ao sinergismo eletrônico envolvendo este ligante e a molécula de piperidina. Logo após a etapa determinante da velocidade, ocorre a coordenação de uma molécula de norborneno e um similar efeito trans-sinérgico entre este monômero e o ligante piperidina ativa a catálise. No capítulo 2 está descrito o estudo do mecanismo de uma série de complexos de fórmula [RuCl2(PPh3)2(amina)] (amina = pirrolidina, piperidina, azepano, azocano). Estas aminas cíclicas possuem volumes moleculares que aumentam no sentido da pirrolidina ao azocano. A troca dessas aminas afeta substancialmente o comportamento termodinâmico desses complexos através da combinação de efeitos eletrônicos e estéricos. A investigação realizada para os compostos dessa série levou ao mesmo mecanismo elucidado para o complexo contendo piperidina e com os mesmos processos mais relevantes que são as saídas dos ligantes trifenilfosfinas. Notou-se que a formação do isômero PBQ fica comprometida ao passo que a amina no complexo [RuCl2(PPh3)2(amina)] vai ficando mais volumosa devido ao maior espaço ocupado ao redor do metal na posição apical da pirâmide de base quadrada (PBQ) e que representa uma tensão considerável na estrutura do complexo que tende a se converter, preferencialmente, à geometria bipirâmide trigonal (BpT), como acontece com o complexo iniciador [RuCl2(PPh3)2(azocano)]. Observou-se também que a saída da primeira fosfina é influenciada pelo efeito estérico provocado pela amina. Em contrapartida, a saída da segunda já é um processo regido eletronicamente e é influenciado pela capacidade doadora da amina trans-posicionada ao ligante PPh3 em um dos intermediários que é formado durante a reação. No capítulo 3 está descrita a investigação da reação de ROMP com o complexo iniciador [RuCl2(PPh3)2(piperidina)] usando as moléculas diazoetanoato de etila (EDA), diazoetanoato de benzila (BDA) e diazoetanoato de terc-butila (TDA) como fontes de carbeno para gerar a espécie in situ [Ru(=CHR)Cl2(PPh3)2(piperidina)]. Curiosamente, a troca dos carbenos também não afetou o mecanismo proposto inicialmente para a série das aminas. Os perfis termodinâmicos traçados para esses diferentes carbenos mostram que o complexo contendo o carbeno etanoato de benzila-1-ilideno (EBI) foi o que mais se diferiu, seguindo uma tendência termodinâmica distinta para a saída dos ligantes trifenilfosfina. Para as demais etapas, os três complexos apresentaram um comportamento bastante similar. O estudo dessa série mostrou-se ser mais intricado do que a série das aminas, pois esses carbenos podem afetar tanto eletrônico quanto estericamente a estrutura dos compostos em diferentes etapas do mecanismo que ainda não foram investigadas minunciosamente. / This work was developed with the purpose of investigating the ring-opening metathesis polymerization (ROMP) with catalysts developed in the research group of Prof. Dr. Benedito dos Santos Lima Neto of the Institute of Chemistry of São Carlos (IQSC-USP) by computational methods of quantum mechanics. Therefore, this project was a combination of theoretical and experimental results. In Chapter 1, the main mechanism of ROMP reaction of norbornene by the initiator complex [RuCl2(PPh3)2(piperidine)] was elucidated In this investigation, the first reaction step involves an association between the initiator complex and ethyl diazoacetate (EDA), resulting the formation of metalcarbene bond. Then, this species loses two triphenylphosphine ligands in the subsequent steps and the rate reaction is associated with the loss of the second molecule due to the electronic PPh3 synergism involving this ligand and the piperidine molecule. Immediately after the rate reaction step, the coordination of norborneno occurs and a similar trans synergistic effect between the monomer and piperidine ligand actives the catalysis. Chapter 2 describes the study of the mechanism of complexes type [RuCl2(PPh3)2(amine)] (amine = pyrrolidine, piperidine, azepane, azocane). These cyclic amines have molecular volumes that increase from pyrrolidine towards azocane. The exchange of amines affects substantially the thermodynamic behavior of these complexes by a combination of electronic and steric effects. The four compounds showed the same mechanism elucidated for the complex containing piperidine. It was noted that the formation of the PBQ isomer is avoided while the amine in the complex [RuCl2(PPh 3)2(amine)] becomes more voluminous. It was also observed that the loss of the first phosphine is influenced by the steric effect caused by the amine. In contrast, the loss of the second (phosphine) is already a process electronically-governed, and is influenced by the donor capacity of the amine ligand trans-positioned to PPh3 in one of the intermediate that is formed during the reaction. The Chapter 3 describes the investigation of the ROMP reaction using the initiator complex [RuCl2(PPh3)2(piperidine)] with the molecules ethyl diazoacetate (EDA), benzyl diazoacetate (BDA) and tert-butyl diazoacetate (TDA) to generate the carbene species [Ru(=CHR)Cl2(PPh3)2(piperidine)] in situ. Interestingly, the exchange of carbenes did not affect the mechanism originally proposed for the series of amines complexes. The complex containing the carbene ethanoate benzyl-1-ylidene (EBI) was what showed the most different thermodynamic profile from the others, following a distinct thermodynamic tendency for the loss of triphenylphosphine ligands. For the remaining steps, the three complexes showed a very similar behavior. The study of this series proved to be more intricate, because these carbenes may affect as much as sterically electronic structure of the compounds at different stages of the mechanism.

Visando a produção de hidrogênio, como uma fonte renovável de energia, estudaram-se as reações de reforma a vapor e oxidativa do etanol sobre catalisadores de Ru/CeO2-Al2O3. Foi verificado o efeito do suporte e das interações metal/suporte sobre a atividade e seletividade para as reações. Os suportes e catalisadores foram caracterizados por fisissorção de nitrogênio pelo método B.E.T., para avaliar as áreas superficiais específicas, espectroscopia dispersiva de raios-X (EDX), para determinar a distribuição qualitativa da fase metálica sobre os suportes, difração de raios-X (DRX), para identificação das fases óxidas, espectroscopia na região do ultra-violeta e do visível (UV-vis NIR), para avaliar as transições eletrônicas presentes no material, e redução a temperatura programada (RTP), para avaliação do comportamento de redução e das fases redutíveis. Através dos ensaios catalíticos, pode-se verificar que todos os catalisadores foram ativos para ambas as reações de reforma, sob as temperaturas de 400, 600 e 700ºC, onde a conversão do etanol aumentou com o aumento da temperatura e com o aumento da adição de CeO2 ao suporte catalítico. O catalisador 3%Ru/CeO2 foi o mais ativo frente a reação de reforma a vapor e o 3%Ru/25%CeO2-Al2O3 o catalisador mais ativo para a reação de reforma oxidativa do etanol. A maior seletividade para H2 foi obtida a 600ºC para ambas as reações de reforma, com exceção dos catalisadores 3%Ru/20%CeO2-Al2O3, que foi mais seletivo a 700ºC para a reforma a vapor, e 3%Ru/CeO2, que foi mais seletivo a 400ºC para a reforma oxidativa. / Aiming at hydrogen production, as a source of renewable energy, Ru/CeO2-Al2O3 catalysts were studied in ethanol steam reform and ethanol oxidative reforming. The effect of the support and metal/support interaction was verified on the activity and selectivity of the reactions. The supports and catalysts were characterized by x-rays dispersive spectroscopy (XDS), to verify the qualitative distribution of the metallic phase on the supports, x-rays diffraction (XRD), for identification of the crystalline oxide phases, spectroscopy in the region of the ultraviolet and the visible (UV-vis NIR), to evaluate the electronic transitions present in the material, and temperature programmed reduction (TPR), for evaluation of the reductive phases. According to the catalytic tests, all catalysts were active for both reactions under the temperatures of 400, 600 and 700ºC, where the ethanol conversion increased together with the increase of the temperature and, with the addition of CeO2 to the catalytic support. The 3%Ru/CeO2 catalyst was the most active for ethanol steam reforming and the 3%Ru/25%CeO2-Al2O3 catalyst was the most active for ethanol oxidative reforming. The higher selectivity for H2 occurred at 600ºC for both reactions, excluding the 3%Ru/20%CeO2-Al2O3 catalyst, which was more selective at 700ºC for steam reforming, and the 3%Ru/CeO2 catalyst, which was more selective for the oxidative reforming at 400ºC.

Visando a produção de hidrogênio, como uma fonte renovável de energia, estudaram-se as reações de reforma a vapor e oxidativa do etanol sobre catalisadores de Ru/CeO2-Al2O3. Foi verificado o efeito do suporte e das interações metal/suporte sobre a atividade e seletividade para as reações. Os suportes e catalisadores foram caracterizados por fisissorção de nitrogênio pelo método B.E.T., para avaliar as áreas superficiais específicas, espectroscopia dispersiva de raios-X (EDX), para determinar a distribuição qualitativa da fase metálica sobre os suportes, difração de raios-X (DRX), para identificação das fases óxidas, espectroscopia na região do ultra-violeta e do visível (UV-vis NIR), para avaliar as transições eletrônicas presentes no material, e redução a temperatura programada (RTP), para avaliação do comportamento de redução e das fases redutíveis. Através dos ensaios catalíticos, pode-se verificar que todos os catalisadores foram ativos para ambas as reações de reforma, sob as temperaturas de 400, 600 e 700ºC, onde a conversão do etanol aumentou com o aumento da temperatura e com o aumento da adição de CeO2 ao suporte catalítico. O catalisador 3%Ru/CeO2 foi o mais ativo frente a reação de reforma a vapor e o 3%Ru/25%CeO2-Al2O3 o catalisador mais ativo para a reação de reforma oxidativa do etanol. A maior seletividade para H2 foi obtida a 600ºC para ambas as reações de reforma, com exceção dos catalisadores 3%Ru/20%CeO2-Al2O3, que foi mais seletivo a 700ºC para a reforma a vapor, e 3%Ru/CeO2, que foi mais seletivo a 400ºC para a reforma oxidativa. / Aiming at hydrogen production, as a source of renewable energy, Ru/CeO2-Al2O3 catalysts were studied in ethanol steam reform and ethanol oxidative reforming. The effect of the support and metal/support interaction was verified on the activity and selectivity of the reactions. The supports and catalysts were characterized by x-rays dispersive spectroscopy (XDS), to verify the qualitative distribution of the metallic phase on the supports, x-rays diffraction (XRD), for identification of the crystalline oxide phases, spectroscopy in the region of the ultraviolet and the visible (UV-vis NIR), to evaluate the electronic transitions present in the material, and temperature programmed reduction (TPR), for evaluation of the reductive phases. According to the catalytic tests, all catalysts were active for both reactions under the temperatures of 400, 600 and 700ºC, where the ethanol conversion increased together with the increase of the temperature and, with the addition of CeO2 to the catalytic support. The 3%Ru/CeO2 catalyst was the most active for ethanol steam reforming and the 3%Ru/25%CeO2-Al2O3 catalyst was the most active for ethanol oxidative reforming. The higher selectivity for H2 occurred at 600ºC for both reactions, excluding the 3%Ru/20%CeO2-Al2O3 catalyst, which was more selective at 700ºC for steam reforming, and the 3%Ru/CeO2 catalyst, which was more selective for the oxidative reforming at 400ºC.

Este trabalho foi desenvolvido com o propósito de investigar as reações de polimerização por metátese via abertura de anel (ROMP) assistidas pelos catalizadores desenvolvidos pelo grupo do Prof. Dr. Benedito dos Santos de Lima Neto do Instituto de Química de São Carlos (IQSC-USP), usando métodos computacionais de mecânica quântica. Portanto, este projeto foi uma combinação de resultados teóricos e experimentais. No capítulo 1, foi elucidado o mecanismo principal da reação de ROMP de norborneno por meio do iniciador catalítico [RuCl2(PPh3)2(piperidina)]. O estudo mostrou que a primeira etapa da reação implica numa associação entre o complexo iniciador e o diazoetanoato de etila (EDA), resultando na formação de uma ligação metalcarbeno. Então, essa espécie perde duas moléculas de trifenilfosfina nos passos subsequentes, sendo que a etapa determinante da velocidade da reação está associada com a saída da segunda molécula de PPh3 devido ao sinergismo eletrônico envolvendo este ligante e a molécula de piperidina. Logo após a etapa determinante da velocidade, ocorre a coordenação de uma molécula de norborneno e um similar efeito trans-sinérgico entre este monômero e o ligante piperidina ativa a catálise. No capítulo 2 está descrito o estudo do mecanismo de uma série de complexos de fórmula [RuCl2(PPh3)2(amina)] (amina = pirrolidina, piperidina, azepano, azocano). Estas aminas cíclicas possuem volumes moleculares que aumentam no sentido da pirrolidina ao azocano. A troca dessas aminas afeta substancialmente o comportamento termodinâmico desses complexos através da combinação de efeitos eletrônicos e estéricos. A investigação realizada para os compostos dessa série levou ao mesmo mecanismo elucidado para o complexo contendo piperidina e com os mesmos processos mais relevantes que são as saídas dos ligantes trifenilfosfinas. Notou-se que a formação do isômero PBQ fica comprometida ao passo que a amina no complexo [RuCl2(PPh3)2(amina)] vai ficando mais volumosa devido ao maior espaço ocupado ao redor do metal na posição apical da pirâmide de base quadrada (PBQ) e que representa uma tensão considerável na estrutura do complexo que tende a se converter, preferencialmente, à geometria bipirâmide trigonal (BpT), como acontece com o complexo iniciador [RuCl2(PPh3)2(azocano)]. Observou-se também que a saída da primeira fosfina é influenciada pelo efeito estérico provocado pela amina. Em contrapartida, a saída da segunda já é um processo regido eletronicamente e é influenciado pela capacidade doadora da amina trans-posicionada ao ligante PPh3 em um dos intermediários que é formado durante a reação. No capítulo 3 está descrita a investigação da reação de ROMP com o complexo iniciador [RuCl2(PPh3)2(piperidina)] usando as moléculas diazoetanoato de etila (EDA), diazoetanoato de benzila (BDA) e diazoetanoato de terc-butila (TDA) como fontes de carbeno para gerar a espécie in situ [Ru(=CHR)Cl2(PPh3)2(piperidina)]. Curiosamente, a troca dos carbenos também não afetou o mecanismo proposto inicialmente para a série das aminas. Os perfis termodinâmicos traçados para esses diferentes carbenos mostram que o complexo contendo o carbeno etanoato de benzila-1-ilideno (EBI) foi o que mais se diferiu, seguindo uma tendência termodinâmica distinta para a saída dos ligantes trifenilfosfina. Para as demais etapas, os três complexos apresentaram um comportamento bastante similar. O estudo dessa série mostrou-se ser mais intricado do que a série das aminas, pois esses carbenos podem afetar tanto eletrônico quanto estericamente a estrutura dos compostos em diferentes etapas do mecanismo que ainda não foram investigadas minunciosamente. / This work was developed with the purpose of investigating the ring-opening metathesis polymerization (ROMP) with catalysts developed in the research group of Prof. Dr. Benedito dos Santos Lima Neto of the Institute of Chemistry of São Carlos (IQSC-USP) by computational methods of quantum mechanics. Therefore, this project was a combination of theoretical and experimental results. In Chapter 1, the main mechanism of ROMP reaction of norbornene by the initiator complex [RuCl2(PPh3)2(piperidine)] was elucidated In this investigation, the first reaction step involves an association between the initiator complex and ethyl diazoacetate (EDA), resulting the formation of metalcarbene bond. Then, this species loses two triphenylphosphine ligands in the subsequent steps and the rate reaction is associated with the loss of the second molecule due to the electronic PPh3 synergism involving this ligand and the piperidine molecule. Immediately after the rate reaction step, the coordination of norborneno occurs and a similar trans synergistic effect between the monomer and piperidine ligand actives the catalysis. Chapter 2 describes the study of the mechanism of complexes type [RuCl2(PPh3)2(amine)] (amine = pyrrolidine, piperidine, azepane, azocane). These cyclic amines have molecular volumes that increase from pyrrolidine towards azocane. The exchange of amines affects substantially the thermodynamic behavior of these complexes by a combination of electronic and steric effects. The four compounds showed the same mechanism elucidated for the complex containing piperidine. It was noted that the formation of the PBQ isomer is avoided while the amine in the complex [RuCl2(PPh 3)2(amine)] becomes more voluminous. It was also observed that the loss of the first phosphine is influenced by the steric effect caused by the amine. In contrast, the loss of the second (phosphine) is already a process electronically-governed, and is influenced by the donor capacity of the amine ligand trans-positioned to PPh3 in one of the intermediate that is formed during the reaction. The Chapter 3 describes the investigation of the ROMP reaction using the initiator complex [RuCl2(PPh3)2(piperidine)] with the molecules ethyl diazoacetate (EDA), benzyl diazoacetate (BDA) and tert-butyl diazoacetate (TDA) to generate the carbene species [Ru(=CHR)Cl2(PPh3)2(piperidine)] in situ. Interestingly, the exchange of carbenes did not affect the mechanism originally proposed for the series of amines complexes. The complex containing the carbene ethanoate benzyl-1-ylidene (EBI) was what showed the most different thermodynamic profile from the others, following a distinct thermodynamic tendency for the loss of triphenylphosphine ligands. For the remaining steps, the three complexes showed a very similar behavior. The study of this series proved to be more intricate, because these carbenes may affect as much as sterically electronic structure of the compounds at different stages of the mechanism.

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Por outro lado, a reforma a vapor da glicerina é um processo com grande potencial para a produção de hidrogênio destinado às células a combustível e aos motores de combustão interna. De modo a obter catalisadores alternativos para a reforma a vapor de glicerina, neste trabalho, foram preparados sólidos baseados em níquel e/ou rutênio suportado(s) em óxido de lantânio a partir de dois métodos: (i) impregnação de nitrato de níquel e/ou de rutênio em óxido de lantânio para obter amostras do tipo (NiO)1-x(RuO)x/La2O3 e (ii) decomposição de sólidos com estruturas perovskita do tipo LaNi1-xRuxO3 (x= 0, 0,1 e 1). Os catalisadores foram obtidos por redução desses precursores a 650, 800 ou 1000 oC, dependendo do método de preparação ou amostra, sob fluxo de hidrogênio. As amostras foram caracterizadas por espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier, difração de raios X, medida de área superficial específica e redução à temperatura programada. A avaliação dos catalisadores na reação de reforma a vapor do glicerol (como molécula modelo) foi conduzida sob pressão atmosférica a 600 ºC, por 5 h. Após a reação, determinou-se o teor de coque depositado sobre os catalisadores. Os sólidos obtidos por impregnação, constituídos por óxido de lantânio, óxido de rutênio, óxido de níquel (NiO) e/ou de compostos de níquel e lantânio (LaNiO3 e La2NiO4), apresentaram áreas superficiais específicas baixas (1,5-11 m².g-1). No caso das amostras obtidas por aquecimento de perovskitas, houve a formação de sólidos com estruturas cristalinas com simetria romboédrica ou ortorrômbica, com áreas superficiais específicas ainda mais baixas (0,5-4,7 m².g-1). Esses sólidos foram mais redutíveis que aqueles obtidos por impregnação e, em todos os casos, o rutênio aumentou a redutibilidade dos sólidos. A atividade e seletividade dos catalisadores obtidos variaram com o método de preparação e a composição dos catalisadores. Quando introduzido no catalisador por impregnação, o rutênio diminuiu a atividade do catalisador de níquel, que foi aumentada no sólido oriundo de perovskitas. As conversões variaram de 68 a 97 % e, em todos os casos, o níquel foi mais ativo que o rutênio. O rendimento a hidrogênio também variou com a presença do rutênio e com o método de preparação dos sólidos. Quando preparados por impregnação, os catalisadores monometálicos conduziram a valores mais elevados que os bimetálicos. Quando obtidos por decomposição de perovskitas, o catalisador isento de níquel levou aos mais baixos valores de rendimento, enquanto aquele contendo os dois metais levou ao valor mais elevado. A presença de rutênio diminui a quantidade de coque formado sobre os catalisadores, durante a reforma a vapor da glicerina, apenas quando os sólidos foram obtidos por impregnação. A amostra contendo níquel e rutênio, e obtida por decomposição de perovskitas, foi o catalisador mais promissor, conduzindo a uma conversão de 97%, rendimento a hidrogênio de 76%. / Biodiesel is a clean renewable fuel derived from vegetable oils or animal fat. About 10% by weight of vegetable oil used as a feedstock is converted into glycerin in its production and thus its use is largely encouraged. On the other hand, the steam reforming of glycerin is a great potential process for the production of hydrogen to feed fuel cells and internal combustion engines. In order to obtain alternative catalysts for steam reforming of glycerin nickel and/or ruthenium supported on lanthanum oxide were prepared in this work by two methods: (i) by impregnation of nickel nitrate and/or ruthenium on lanthanum oxide to obtain (NiO)1-x(RuO)x/La2O3 samples and (ii) by decomposition of solids with perovskite-type structures such as LaNi1-xRuxO3 (x = 0, 0.1 and 1). The catalysts were obtained by reduction of these precursors at 650, 800 or 1000 oC, depending on the method of preparation or sample under hydrogen flow. The samples were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy, X- ray diffraction, specific surface area measurements and temperature programmed reduction. The catalysts were evaluated in steam reforming of glycerol (as a molecule model) under atmospheric pressure at 600 oC, for 5 h. After reaction, the coke deposited on the catalyst was determined. The solids obtained by impregnation consisted of lanthanum oxide, ruthenium oxide, nickel (NiO) and/or nickel and lanthanum compounds (LaNiO3 and La2NiO4) oxide, showed low specific surface areas (1.5-11 m². g-1). In the case of the samples prepared by heating perovskites, solid crystalline structures with rhombohedral or orthorhombic symmetry were obtained with specific surface areas even lower (0.5-4.7 m².g-1). These solids were more reducible than those obtained by impregnation and ruthenium increased the reducibility of the solids for all cases,. The activity and selectivity of the catalysts changed with the preparation method and with the catalysts composition. When introduced into the catalyst by impregnation, ruthenium decreased the activity of the nickel-based catalyst, whose activity increased in the solid originating from perovskites. The conversions ranged from 68 to 97% and nickel was more active than ruthenium for all cases. The hydrogen yield also varied depending on ruthenium and on the preparation method of the solid. When prepared by impregnation, the monometallic catalysts led to higher values than the bimetallic ones When obtained by decomposition of perovskite, the free-nickel catalyst led to lower yields while those containing the two metals led to the highest value. The presence of ruthenium reduces the amount of coke formed on the catalyst during the steam reforming of glycerin, only when the solids were prepared by impregnation. The sample containing nickel and ruthenium and obtained by decomposition of perovskites was the most promising catalyst, leading to a conversion of 97%, hydrogen yield 76%.