Ziel der Arbeit war es, Katalysatoren zu entwickeln, in Modellsystemen zu testen und Rückschlüsse auf deren Aktivität und Verbesserungspotential zu ziehen. Dabei standen sowohl theoretische Betrachtungen mittels quantenmechanischer Berechnungen, aber auch experimentelle Arbeiten im Mittelpunkt. Die Untersuchungen wurden an ausgewählten Beispielen der Claisen-Umlagerung und der Morita-Baylis-Hillmann-Reaktion sowie verbrückter Bis(NHC)metallkomplexe auf der Basis von Triazolen in der Mizoroki-Heck-Reaktion durchgeführt. Claisen-Umlagerung. Die Wechselwirkung zwischen Substrat und dem Katalysator sollte hierbei auf eine bidendate Ausbildung von Wasserstoffbrücken zum Substrat entsprechend dem Design nach Jørgensen[1-4] abzielen. Die Auswahl der „Organokatalysatoren“ erstreckte sich von den Thioharnstoffen, über L-Milchsäure, einem Phosphorsäure-Derivat bis hin zu 2,2,2-Trifluorethanol (TFE). Mit dem Allyl Vinyl Ether (AVE) 83 wurden die theoretischen Betrachtungen der Wechselwirkung und der sich daraus ergebende Einfluss auf die Umlagerungs-geschwindigkeit durchgeführt. Der Thioharnstoff 1 und dessen Wechselwirkung mit 83 standen dabei im Mittelpunkt der Betrachtungen. Es wurden zwei mögliche entscheidende Übergangszustände postuliert. Im Vergleich zum konkurrierenden Übergangszustand [s-cis-83b•1A]# war [s-trans-83b•1A]# in Summe bevorzugt. Gegenüber der thermischen Claisen-Umlagerung von 83 war [s-trans-83b•1A]# für ΔG#[3,3] um +3,1 Kcal mol-1 erniedrigt, was einer leichten Erhöhung der Umlagerungsgeschwindigkeit entsprach. Dies konnte durch experimentelle Untersuchungen bestätigt werden. Das Phosphorsäure-Derivat 94 war im Vergleich zur L-Milchsäure 91 besser in der Lage, die Barriere des sigmatropen Umlagerungsschrittes abzusenken. Es zeigte sich, dass die Kombination von 91 mit einem Wassermolekül 8 zu dem Komplex 92 zu einer verbesserten Stabilisierung des Übergangszustandes führte. Bei beiden Systemen wurde jedoch beobachtet, dass die Barrieren über den Gesamtverlauf der Reaktion nicht ausreichend stark abgesenkt werden konnten. Für die Berechnungen mit dem Lösungsmittel TFE wurde gezeigt, dass die Betrachtung der Wechselwirkung einzelner TFE-Moleküle mit dem Substrat 83 nicht ausreichte. Morita-Baylis-Hillman-Reaktion. Mit der Morita-Baylis-Hillman-Reaktion[5, 6] (MBH) kann im Sinne einer C-C-Verknüpfungs-reaktion neben der atomökonomischen Durchführung zusätzlich ein Stereozentrum erzeugt werden. Basierend auf den Ergebnissen von Cheng et al.[7] wurde ein systematischer Zusammenhang zwischen dem eingesetzen Vermittler/Katalysator und Ausbeute/Umsatz hergestellt. Die aus der Literatur bekannte pH-Wert-Abhängigkeit der Reaktion konnte auf einen Bereich zwischen 8 und 9 eingegrenzt werden. Unter Verwendung verschiedener Substitutionsmuster am Imidazol konnte gezeigt werden, dass 1H-substituierte Imidazole die Reaktion wesentlich langsamer als die in 1-Position unsubstituierten Imidazole vermittelten, was durch DFT-Rechnungen unterstrichen werden konnte. Im weiteren Verlauf der experimentellen Untersuchungen stellte sich heraus, dass TFE als Lösungsmittel ohne Zusatz einer weiteren Base für die Vermittlung der Reaktion gut geeignet ist. Verbrückte Bis(NHC)metallkomplexe auf der Basis von Triazolen. Die Synthese der Bis(NHC)metallkomplexe und deren Einsatz in der Katalyse wurde von Straßner et al.[8-15] sehr intensiv studiert. Teil dieser Arbeit war es, die Bandbreite der Katalysatoren zu erweitern und den Einfluss von einem Stickstoffatom im (NHC)-Rückgrat zu untersuchen. Die synthetische Zugänglichkeit der Konstitutionsisomere wurde bereits bei der Darstellung der aromatischen Triazole gewährleistet. Die sich anschließende Darstellung der entsprechenden Salze konnte für die Methoxy-Gruppe am Aromaten erfolgreich durchgeführt werden. Die Unterscheidung von Konstitutionsisomeren eines Komplexes wurde am Beispiel von 126 und 128 durchgeführt. Hierbei zeigten sich bereits im 1H-NMR-Spektrum feine Unterschiede in den Kopplungskonstanten und auch in den Signalen für die Methylenbrücke. Der tatsächliche Beweis wurde mit der 2D-Methode, der sogenannten „Heteronuclear Multiple Bond Correlation“ – HMBC, erbracht. Der Einsatz der dargestellten Palladium(II)komplexe zeigte für p-Bromacetophenon analoge Ergebnisse zu den Imidazol-Derivaten bei „gleicher“ Konzentration. Für die Komplexe, ausgehend von den asymmetrischen Triazolen (zum Beispiel 128), wurde eine erhöhte Reaktivität beobachtet. Weiterhin wurde ein signifikanter Unterschied in der Ausbeute bei Reaktionen mit p-Chloracetophenon beobachtet. Literatur. [1] D. L. Severance, W. L. Jorgensen, Journal of the American Chemical Society 1992, 114, 10966. [2] C. J. Cramer, D. G. Truhlar, Journal of the American Chemical Society 1992, 114, 8794. [3] W. L. Jorgensen, J. F. Blake, D. Lim, D. L. Severance, Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions 1994, 90, 1727. [4] M. M. Davidson, I. H. Hillier, Journal of Physical Chemistry 1995, 99, 6748. [5] A. B. Baylis, M. E. D. Hillman, (Celanese Corp.). Application: DE DE, 1972, p. 16 pp. [6] K. Morita, Z. Suzuki, H. Hirose, Bulletin of the Chemical Society of Japan 1968, 41, 2815. [7] S. Luo, P. G. Wang, J.-P. Cheng, Journal of Organic Chemistry 2004, 69, 555. [8] S. Ahrens, A. Zeller, M. Taige, T. Strassner, Organometallics 2006, 25, 5409. [9] M. A. Taige, A. Zeller, S. Ahrens, S. Goutal, E. Herdtweck, T. Strassner, Journal of Organometallic Chemistry 2007, 692, 1519. [10] A. Meyer, T. Strassner, unpublished results 2010. [11] M. Taige, TU Dresden (Dresden), 2009. [12] S. Ahrens, E. Herdtweck, S. Goutal, T. Strassner, European Journal of Inorganic Chemistry 2006, 1268. [13] S. Ahrens, T. Strassner, Inorganica Chimica Acta 2006, 359, 4789. [14] T. Strassner, M. Muehlhofer, A. Zeller, E. Herdtweck, W. A. Herrmann, Journal of Organometallic Chemistry 2004, 689, 1418. [15] M. Muehlhofer, T. Strassner, W. A. Herrmann, Angewandte Chemie, International Edition 2002, 41, 1745.

<p>  </p> <p>Experimental and computational techniques are used to study physico-chemical phenomena occurring in water on which hydrophobic interactions play a role. In particular, hydrophobic self-aggregation, including host-guest binding, and the affinity of ions to oil/water interfaces are investigated. Raman multivariate curve resolution (Raman-MCR) spectroscopy was the experimental technique used to unveil intermolecular interactions through the analysis of solute-correlated (SC) vibrational spectra. Molecular simulations, including molecular dynamics (MD) simulations, quantum-mechanical calculations, or a combination of both, were carried out to assist with the molecular-level interpretation of the experimental SC spectra.</p>

<p>G-protein coupled receptors (GPCRs) are membrane proteins that constitute ~30% of the FDA-approved drug targets. Opioid receptors are a subtype of GPCRs with four different receptor types: delta, kappa, mu, and nociception opioid receptors. Opioids such as morphine have been used for thousands of years and are deemed the most effective method for treating pain. However, opioids can have detrimental effects if used illicitly or over an extended period of time. Intriguingly, most of the clinically used opioids act on the mu opioid receptor (µOR). Hence, efforts in recent decades have focused on other opioid receptors to treat pain and other disorders. The delta opioid receptor (δOR) is one of four opioid receptors expressed in the central and peripheral nervous system. The δOR has attracted much attention as a potential target for a multitude of diseases and disorders including substance and alcohol use disorders, ischemia, migraine, and neurodegenerative diseases. However, to date, no δOR agonists, or drugs that act directly at the δOR, have been successful as clinical candidates. Nonetheless, the therapeutic potential of the δOR necessitates the targeting its pharmacologically. In this dissertation, I highlight peptide-based modulation as well as the identification of novel agonists at the δOR. I report research findings in the context of biased agonism at δOR, which is a hypothesized cellular signaling mechanism with potential therapeutic benefits. The focus on this work is the molecular determinants of biased agonism, which were investigated using a combination of cellular and computational approaches.  </p>

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Polymer coatings offer a wide range of benefits across various industries, playing a crucial role in product protection and extension of shelf life. However, formulating them can be a non-trivial task given the multitude of variables and factors involved in the production process, rendering it a complex, high-dimensional problem. To tackle this problem, machine learning (ML) has emerged as a promising tool, showing considerable potential in enhancing various polymer and chemistry-based applications, particularly those dealing with high dimensional complexities. Our research aims to develop a physics-guided ML approach to facilitate the formulations of polymer coatings. As the first step, this project focuses on finding machine-readable feature representation techniques most suitable for encoding formulation ingredients. Utilizing two polymer-informatics datasets, one encompassing a large set of 700,000 common homopolymers including epoxies and polyurethanes as coating base materials while the other a relatively small set of 1000 data points of epoxy-diluent formulations, four featurization schemes to represent polymer coating molecules were benchmarked. They include the molecular access system, the extended connectivity fingerprint, molecular graph-based chemical graph network, and graph convolutional network (MG-GCN) embeddings. These representation schemes were used with ensemble models to predict molecular properties including topological surface area and viscosity. The results show that the combination of MG-GCN and ensemble models such as the extreme boosting machine and random forest models achieved the best overall performance, with coefficient of determination (r2) values of 0.74 in topological surface area and 0.84 in viscosity, which compare favorably with existing techniques. These results lay the foundation for using ML with physical modeling to expedite the development of polymer coating formulations.

<p dir="ltr">Ion mobility spectrometry (IMS), with its unparalleled ability to separate and filter ions based on their overall size before channeling them into a Mass Spectrometer, has placed itself as a cornerstone of the modern Analytical Chemistry field. IMS provides an orthogonal separation, aiding in the identification and analysis processes of various compounds. While there have been many inventions for ion mobility (IM) devices with exponential growth in the separation capability in the past few years, there is very little emphasis on the theoretical explanation. For example, most modern IMS devices often use a high ratio of electric field to gas concentration (E/n) as it provides better separation capabilities. However, the interaction between ion and gas at such E/n cannot be explained by current IM theories as they ignore several critical factors such as the increase in ion’s energy due to energetic collisions, the energy loss/transferred in the internal degree of freedoms, and change in the ion’s structure, requiring empirical data to identify ions after separation. The thesis presented here contributes towards bridging this gap by elucidating the complex interplay of forces and interactions that govern the ion separation process, thereby explaining on how these mechanisms can be further exploited for refined separation and advancing the computational approach to identify the separated ion.</p><p dir="ltr">To explain the ion-gas interaction under high E/n, this research extends the Two-Temperature Theory (2TT) up to the fourth order approximation. The central idea of the 2TT is to solve moments of the Boltzmann equation for the ion’s velocity distribution involving ion-gas collisions. The research shows a decreasing error between each subsequent approximations, indicating convergence. This advancement is demonstrated through the development and application of our in-house program, IMoS, and validated against experimental data for small ions in monoatomic gases. This research also justifies the mechanisms of increasing and decreasing mobility as the electric field is increased by explaining the interplay between the interaction potential and the collision energy.</p><p dir="ltr">Subsequent chapters investigate the impact of internal degrees of freedom (rotational and vibrational) on ion mobility. This includes pioneering work with the Structures for Lossless Ion Manipulations (SLIM) device to separate isotopomers, alongside computational advancements in simulating these effects, leading to the development of IMoS 2.0. In IMoS 2.0 software an ion is placed in a virtual drift tube with electric field, where it is free to rotate and translate upon collision. The research notably uncovers the role of rotational degrees of freedom in isotopomer separation, a previously underexplored area.</p><p dir="ltr">To ascertain the effect of the vibrational DoF and differentiate from the ion’s structural expansion and heating resulting from energetic collisions, a combined simulation of ion mobility and molecular dynamics (IM-MD) was performed. This analysis revealed that structural expansion plays a dominant role for the cause of deviation at high E/n, to such an extent that the vibrational DoF (or inelastic collisions) can normally be disregarded. Moreover, the research also indicates that using a combination of IM-MD simulation, one can identify accurate gas-phase structure of the ion at any temperature from a pool of probable structures.</p><p dir="ltr">Guided by these conclusions, the research now takes a significant step forward by aiming to accurately characterize protein structures in the gas phase using IM-MD simulation. Traditional MD simulations provide larger structures since the force field is not optimized for the gas-phase simulation. To address this, a biasing force towards the center of the protein is applied, compressing it. This method efficiently explores multiple feasible configurations, including those obscured by energy barriers. This strategy generated structures that closely align with the experimental evidence.</p>

Tesis por compendio / [ES] El Proyecto de investigación aquí descrito se estructura en dos partes. La primera parte se centra en la investigación fundamental con el objetivo de crear un protocolo para la síntesis de zeolitas. La segunda parte se refiere al diseño, síntesis y caracterización de nuevas zeolitas, particularmente utiles para aplicaciones DeNOx,, pero también podría ser útil para aplicaciones MTO. La investigación fundamental sugiere un Nuevo modelo de preparación de zeolitas utilizando otras zeolitas como simiente. Este proceso se llama transformación zeolita-zeolita o también conversión interzeolita. El alto rendimiento obtenido, la rápida cristalización y la mejor utilización y rendimiento de los materiales de partida se han tenido en cuenta para mejorar el proceso en base a un proyecto de doctorado financiado por una empresa. Este método se ha ilustrado utilizando varias zeolitas como semilla, entre otras FAU y CHA, para la preparación de las dos zeolitas objetivo: AEI y AFX. En la segunda parte, la investigación se centra en el diseño de nuevas zeolitas de poro medio. Se han seleccionado tres zeolitas hipotéticas de una base de datos de 933611 estructuras. Esta selección se ha realizado utilizando descriptores específicamente diseñados en base a la aplicabilidad de estas zeolitas en procesos DeNOx zeolitas. A continuación se han buscado los agentes directores de estructura (ADE) más apropiados, con la ayuda de métodos computacionales, algunos de los cuales se han sintetizado posteriormente. El uso de dichos ADE en el gel de síntesis ha permitido la obtención de una zeolita cuya topología (ERI) ha sido identificada mediante análisis por PXRD, y cuya morfología y tamaño de cristal (particularmente pequeño) la hacen muy adecuada para su uso como catalizador en algunos procesos. El trabajo de síntesis también reveló la aparición de una nueva zeolita de alta densidad, llamada 'paracelsio-K'. Este nuevo material se ha obtenido al explorar el espacio de fases que cristalizan al utilizar 1-methyl-DABCO como ADE. La síntesis de esta zeolita tiene un especial interés porque el ADE no se incorpora en los canales de la zeolita, pero más bien influyendo en la nucleación y cristalización. La caracterización reveló que la composición del material es próxima al mineral microcline, estructuralmente cercano al paracelsio, ambos feldespatos. A diferencia de los feldespatos el paracelsio-K contiene moléculas de agua en su interior (1 molécula por cavidad) y puede describirse como el material más simple de la familia de las zeolitas que contiene cadenas del tipo 'doble-cigüeñal'. Utilizando los elementos topológicos correspondientes a esta estructura es posible generar estructuras zeolíticas ya conocidas, como GIS, APC, MER, PHI, SIV y algunas otras zeolitas hipotéticas. / [CA] El Projecte d'investigació aquí descrit s'estructura en dos parts. La primera part se centra en la investigació fonamental amb l'objectiu de crear un protocol per a la síntesis de zeolites. La segona part es refereix al disseny, síntesis i caracterització de noves zeolites, particularment útils per a aplicacions DeNOx , però també podria ser útil per a aplicacions MTO. La investigació fonamental suggereix un nou model de preparació de zeolites utilitzant altres zeolites com a llavor. Aquest procés s'anomena transformació zeolita-zeolita o també conversió interzeolita. L'alt rendiment obtingut, la ràpida cristal·lització i la millor utilització i rendiment dels materials de partida s'han tingut en compte per millorar el procés en base a un projecte de doctorat finançat per una empresa. Aquest mètode s'ha il·lustrat utilitzant diverses zeolites com a llavor, entre altres FAU i CHA, per a la preparació de les dues zeolites objectiu: AEI i AFX. A la segona part, la investigació se centra en el disseny de noves zeolites de porus mitjà. S'han seleccionat tres zeolites hipotètiques d'una base de dades de 933.611 estructures. Aquesta selecció s'ha realitzat utilitzant descriptors específicament dissenyats sobre la base de l'aplicabilitat d'aquestes zeolites en processos DeNOx zeolites. A continuació s'han buscat els agents directors d'estructura (ADE) més apropiats, amb l'ajuda de mètodes computacionals, alguns dels quals s'han sintetitzat posteriorment. L'ús d'aquests ADE al gel de síntesi ha permès l'obtenció d'una zeolita la topologia (ERI) ha estat identificada mitjançant anàlisi per PXRD, i la morfologia i mida de vidre (particularment petit) la fan molt adequada per al seu ús com a catalitzador en alguns processos. El treball de síntesi també va revelar l'aparició d'una nova zeolita d'alta densitat, anomenada 'paracelsio-K'. Aquest nou material s'ha obtingut a explorar l'espai de fases que cristal·litzen en utilitzar 1-methyl-DABCO com ADE. La síntesi d'aquesta zeolita té un especial interès perquè el ADE no s'incorpora en els canals de la zeolita, però més aviat influint en la nucleació i cristal·lització. La caracterització va revelar que la composició del material és propera al mineral microcline, estructuralment proper al paracelsio, tots dos feldspats. A diferència dels feldspats el paracelsio-K conté molècules d'aigua al seu interior (1 molècula per cavitat) i pot descriure com el material més simple de la família de les zeolites que conté cadenes del tipus 'doble-cigonyal'. Utilitzant els elements topològics corresponents a aquesta estructura és possible generar estructures zeolítiques ja conegudes, com GIS, APC, MER, PHI, SIV i algunes altres zeolites hipotètiques. / [EN] The research project described herein is structured in two parts. The first part is focused on the fundamental research with the aim of creating a toolbox for zeolite preparation. The second part deal with the design, synthesis and characterization of novel zeolites particular useful for DeNOx applications, but could be also useful for MTO applications. The fundamental research is addressing a novel approach of preparing zeolites by using other zeolites as raw materials. This process is known as zeolite-to-zeolite transformation or interzeolite conversion. The high yield obtained, fast crystallization time and the better utilization of the raw materials (e.g. parent zeolite, organic structure directing agent (OSDA)), are important benefits of interzeolite conversion technic, which answer the objectives formulated for an industrial PhD project. The method has been exemplified by using various raw materials as parent zeolites, such as FAU and CHA for the preparation of two target small pore zeolites AEI and AFX. In the second part the focus has been on the design of novel small pore zeolites. Three hypothetical frameworks have been selected by narrowing down a database containing 933611 structures. The selection has been performed by using the general descriptors for the state-of-the-art DeNOx zeolites (e.g. CHA). This was followed by finding suitable OSDAs for the selected frameworks, by using computational methods. The usage of the theoretically predicted OSDAs in synthesis gels made possible the synthesis of a novel high-silica zeolite. PXRD analysis, revealed that the zeolite has the ERI framework topology. The obtained material has a distinct particle morphology and smaller crystallites, which are key parameters for various catalytic processes. The synthesis work revealed also a novel dense zeolite, named K-paracelsian. The new material has been obtained while exploring the phase space using 1-methyl-DABCO as OSDA. The synthesis of this zeolite is especially interesting in the sense that the OSDA is not being incorporated into the zeolite channels, but rather influencing the nucleation and crystallization. Further characterization revealed a material compositionally closely related to the mineral microcline and structurally closely related to the mineral paracelsian, both of which are feldspars. In contrast to the feldspars, K-paracelsian contains intrazeolitic water corresponding to one molecule per cage and can be described as the simplest endmember of a family of dense double-crankshaft zeolite topologies. By applying the identified building principle, a number of known zeolite frameworks (e.g. GIS, APC, MER, PHI, SIV) and hypothetical zeolite topologies can be constructed. / The authors thank Haldor Topsoe A/S and Innovation Fund Denmark for financial support under the Industrial PhD programme (Case no. 1355-0174B). We thank MINECO of Spain for funding (SEV-2016- 0683 and RTI2018-101033-B-100) and ASIC-UPV for the use of computational facilities. We also thank Prof. M. M. J. Treacy for assistance with the Database of Prospective Zeolite Structures. / Boruntea, C. (2020). Design, synthesis and characterization of small-pore zeolites for industrial environmental applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/141094 / Compendio

[ES] En este trabajo estudiamos dos reacciones catalíticas relevantes para la industria y la localización del anión fluoruro en la zeolita RTH, sintetizada en medio fluoruro. El capítulo 3 es el primer capítulo de resultados, donde se estudia la reducción quimioselectiva del nitroestireno en las superficies Ni(111), Co(111), Cu(111) y Pd(111). El mecanismo generalmente aceptado de esta reacción está basado en el esquema propuesto por Haber en 1898, en el que la reacción puede transcurrir por dos rutas, la directa y la de condensación. En este capítulo exploramos ambas rutas, y observamos que la ruptura de los enlaces N-O y la consecuente formación de enlaces metal-O está más favorecida que la formación de enlaces N-H en las superficies Ni(111) y Co(111), debido al carácter oxofílico de ambos metales. Las etapas más lentas involucran la formación de enlaces N-H. En las superficies de metales nobles como Pt(111) y Pd(111) se observa el comportamiento contrario. La superficie Cu(111) es un caso intermedio comparado con los metales nobles y no nobles. Además, el nitroestireno interactúa con los átomos de Cu de la superficie solo a través de grupo nitro, con lo cual es un candidato ideal para alcanzar selectividades cerca del 100%. Sin embargo, la superficie Cu(111) no es capaz de activar la molécula de H2. En este sentido, proponemos un catalizador bimetálico basado en Cu, dopado con otro metal capaz de activar al H2, tales como el Pd o el Ni. En los capítulos 4 y 5 se ha estudiado la reducción catalítica selectiva de los óxidos de nitrógeno (SCR, en inglés) con amoníaco. Usando métodos de DFT, hemos encontrado rutas para la oxidación de NO a NO2, nitritos y nitratos con energías de activación relativamente bajas. También, hemos encontrado que la reducción de Cu2+ a Cu+ requiere la participación simultánea de NO y NH3. Posteriormente, hemos estudiado la influencia del NH3 en este sistema con métodos de dinámica molecular. El NH3 interacciona fuertemente con el Cu+ de forma que dos moléculas de este gas son suficientes para romper la coordinación del catión Cu+ con los oxígenos del anillo 6r, y formar el complejo lineal [Cu(NH3)2]+. Además, los cationes Cu2+ pueden ser estabilizados fuera de la red mediante la formación del complejo tetraamincobre(II). Debido a la presencia de los cationes Cu+ y Cu2+ coordinados a la red de la zeolita, aparecen bandas en la región entre 800-1000 cm-1 del espectro infrarrojo. El análisis de las frecuencias IR de varios modelos con Cu+ y Cu2+ coordinados al anillo 6r, o formando complejos con amoniaco indica que cuando los cationes Cu+ y Cu2+ están coordinados a los oxígenos del anillo 6r aparecen vibraciones entre 830 y 960 cm-1. Frecuencias en esta zona también se obtienen en los casos en que NO, NO2, O2 y combinaciones de dos de ellos están adsorbidos en Cu+ y Cu2+. Sin embargo, cuando los cationes Cu+ y Cu2+ están fuera del anillo (no hay enlaces entre los cationes de cobre y los oxígenos del anillo 6r) no se obtienen vibraciones de IR en esta región del espectro. Estos resultados indican que con el seguimiento del espectro IR durante la reacción SCR es posible determinar si los cationes Cu+ y Cu2+ están coordinados o no al anillo de 6r en las etapas de oxidación y reducción. Por último, hemos simulado el desplazamiento químico de 19F, δiso,, en la zeolita sintetizada RTH. El análisis del δiso de los distintos modelos utilizados nos ha permitido reconocer la simetría del material sintetizado, el cual pertenece al grupo espacial P1 y la nueva celda unidad ha sido confirmada experimentalmente por difracción de rayos X. Finalmente, hemos asignado la señal experimental que aparece en el espectro de 19F a -67.2_ppm, al F- localizado en un sitio T2, el cual es a su vez la posición más estable. Además, la señal a -71.8 ppm se ha asignado al anión F- localizado en un sitio T4. / [CA] En aquest treball estudiem dues reaccions catalítiques rellevants per a la indústria i la localització de l'anió fluorur en la zeolita RTH, sintetitzada al mig fluorur. El capítol 3 és el primer capítol de resultats, on s'estudia la reducció quimioselectiva del nitroestireno en les superfícies Ni(111), Co(111), Cu(111) i Pd(111). El mecanisme generalment acceptat d'aquesta reacció està basat en l'esquema proposat per Haver-hi en 1898, en el qual la reacció pot transcórrer per dues rutes, la directa i la de condensació. En aquest capítol explorem totes dues rutes, i observem que la ruptura dels enllaços N-O i la conseqüent formació d'enllaços metall-O està més afavorida que la formació d'enllaços N-H en les superfícies Ni(111) i Co(111), a causa del caràcter oxofílico de tots dos metalls. Les etapes més lentes involucren la formació d'enllaços N-H. En les superfícies de metalls nobles com Pt(111) i Pd(111) s'observa el comportament contrari. La superfície Cu(111) és un cas intermedi comparat amb els metalls nobles i no nobles. A més, el nitroestireno interactua amb els àtoms de Cu de la superfície sol a través de grup nitre, amb la qual cosa és un candidat ideal per a aconseguir selectivitats prop del 100%. No obstant això, la superfície Cu(111) no és capaç d'activar la molècula d'H2. En aquest sentit, proposem un catalitzador bimetàl·lic basat en Cu, dopat amb un altre metall capaç d'activar a l'H2, com ara el Pd o el Ni. En els capítols 4 i 5 hem estudiat la reducció catalítica selectiva dels òxids de nitrogen (SCR, en anglés) amb amoníac. Usant mètodes de DFT, hem trobat rutes per a l'oxidació de NO a NO2, nitrits i nitrats amb energies d'activació relativament baixes. També, hem trobat que la reducció de Cu2+ a Cu+ requereix la participació simultània de NO i NH3. Posteriorment, hem estudiat la influència del NH3 en aquest sistema amb mètodes de dinàmica molecular. El NH3 interacciona fortament amb el Cu+ de manera que dues molècules d'aquest gas són suficients per a trencar la coordinació del catió Cu+ amb els oxígens de l'anell 6r, i formar el complex lineal [Cu(NH3)2]+. A més, els cations Cu2+ poden ser estabilitzats fora de la xarxa mitjançant la formació del complex tetraamincobre(II). A causa de la presència dels cations Cu+ i Cu2+ coordinats a la xarxa de la zeolita, apareixen bandes a la regió entre 800-1000 cm-1 de l'espectre infraroig. L'anàlisi de les freqüències IR de diversos models amb Cu+ i Cu2+ coordinats a l'anell 6r, o formant complexos amb amoníac indica que quan els cations Cu+ i Cu2+ estan coordinats als oxígens de l'anell 6r apareixen vibracions entre 830 i 960 cm-1. Freqüències en aquesta zona també s'obtenen en els casos en què NO, NO2, O2 i combinacions de dues d'ells estan adsorbidos en Cu+ i Cu2+. No obstant això, quan els cations Cu+ i Cu2+ estan fora de l'anell (no hi ha enllaços entre els cations de coure i els oxígens de l'anell 6r) no s'obtenen vibracions d'IR en aquesta regió de l'espectre. Aquests resultats indiquen que amb el seguiment de l'espectre IR durant la reacció SCR és possible determinar si els cations Cu+ i Cu2+ estan coordinats o no a l'anell de 6r en les etapes d'oxidació i reducció. Finalment, hem simulat el desplaçament químic de 19F, δiso, en la zeolita sintetitzada RTH. L'anàlisi del δiso dels diferents models utilitzats ens ha permés reconéixer la simetria del material sintetitzat, el qual pertany al grup espacial P1 i la nova cel·la unitat ha sigut confirmada experimentalment per difracció de raigs X. Finalment, hem assignat el senyal experimental que apareix en l'espectre de 19F a -67.2 ppm, al F- localitzat en un lloc T2, el qual és al seu torn la posició més estable. A més, el senyal a -71.8 ppm s'ha assignat a l'anió F- localitzat en un lloc T4. / [EN] In this work, we have studied two heterogeneous catalytic reactions and the localization of the fluoride anion in the as-made RTH framework, synthesized in fluoride medium. The first results, included in chapter 3, correspond to the chemoselective reduction of nitrostyrene on different metal surfaces, i.e, Ni(111), Co(111), Cu(111) and Pd(111). Until very recently, the reduction of the nitro group was explained on the basis of the general mechanism proposed by Haber in 1898 where the reaction can follow two routes, the direct and condensation route. We have explored the relevant elementary steps of both routes and found that because of the oxophilic nature of Ni and Co, the steps involving the dissociation of N-O bonds and formation of metal-O bonds are significantly favored compared with the other steps on both metal surfaces. In addition, the most demanding steps in terms of energy involve the formation of N-H bonds. These findings are in contrast to those of noble metals such as Pt and Pd, where the opposite behavior is observed. The behavior of Cu(111) lies in between the aforementioned cases, and also no chemical bonds between the carbon atoms of the aromatic ring of nitrostyrene and the Cu(111) surface is formed. For this reason, it might be an ideal candidate to achieve nearly 100 % selectivity. However, the Cu(111) surface does not seem to activate the H2 molecule. In this regard, we propose a bimetallic Cu-based catalyst whose surface is doped with atoms of a H2-activating metal, such as Ni or Pd. On another matter, we have also investigated the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR-NOx) and the main results are presented in the following two chapters, 4 and 5. By using static DFT methods, we found pathways for the oxidation of NO to NO2, nitrites and nitrates with relatively low activation energies. We also found, in agreement with experimental reports, that the reduction of Cu2+ to Cu+ requires the simultaneous participation of NO and NH3. Later, molecular dynamics simulations allowed us to assess the influence of NH3. The strong interaction of NH3 with the Cu+ cation is evidenced by its ability to detach Cu+ from the zeolite framework and form the mobile linear complex [Cu(NH3)2]+. Cu+ is no longer coordinated to the zeolite framework in the presence of two NH3 molecules. This observation and the fact that the T-O-T vibrations of the framework produce bands in the 800-1000 cm-1 region of the IR spectrum when perturbed by the coordination of Cu+ and Cu2+ cations, indicate that bands in the 800-1000 cm-1 regions should be observed when both copper cations are bonded to the framework oxygens. Finally, we have also studied NMR properties of the as-made pure silica RTH framework, aiming at locating the compensating fluoride anion. The calculation of the 19F chemical shift in different T sites and comparison with the experimental NMR spectra shows that the as-made RTH belongs to the P-1 space group with 16 Si, 32 O atoms, one fluoride anion and one OSDA cation. These results have been confirmed experimentally by XRD. In addition, we have assigned the experimental signal of 19F at -67.2 ppm to the fluoride anion in a T2 site, which in turn is the most stable location found, and the signal of -71.8 ppm to a fluoride anion sitting in a T4 site. / My acknowledgements to “La Caixa foundation” for the financial support through “La Caixa−Severo Ochoa” International PhD Fellowships (call 2015), to the Spanish Supercomputing Network (RES), to the Centre de Càlcul de la Universitat de València, to the Flemish Supercomputer Center (VSC) of Ghent University for the computational resources and technical support, and to the Spanish Government through the MAT2017-82288-C2-1-P programme / Millan Cabrera, R. (2021). Computational study of heterogeneous catalytic systems. Kinetic and structural insights from Density Functional Theory [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/161934

[pt] A simulação da estrutura eletrônica de átomos e moléculas, desde do início da década de 90, tem se mostrado uma ferramenta imprescindível para o desenvolvimento de áreas estratégicas, ainda emergentes, mas fundamentais, como por exemplo, a área de Nanotecnologia. No entanto, esse tipo de simulação, ainda hoje é de grande complexidade e exige alto poder computacional. Dessa forma, torna-se fundamental a criação de métodos de simulação mais precisos e computacionalmente menos custosos. Este trabalho utiliza Algoritmos Evolutivos e métodos de Inteligência Computacional junto de algumas ferramentas desenvolvidas e estudadas tradicionalmente pela Matemática Aplicada em cálculos de estrutura eletrônica. Em particular, são construídas novas formas de aproximação de soluções para equação de Schrodinger, que contemplem os requisitos físicos necessários. Essas soluções serão nomeadas de funções de ondas evolucionárias, que neste trabalho serão tratadas como pontos em um espaço de Hilbert formado pelo fecho em L (2) da interseção das funções definidas na semi-reta, contínuas e de derivadas contínuas, simétricas ou antissimétricas com relação à permutação de suas coordenadas. São demonstrados alguns resultados, requisitos para utilização de Algoritmos Evolucionários e Séries de Fourier Generalizadas, baseadas em polinômios de Laguerre modificados e Wavelets. Esta pesquisa é desenvolvida inicialmente para sistemas de dois elétrons, e mais tarde é estendida para sistemas mais complexos, a fim de criar uma abordagem alternativa as tradicionais. / [en] The simulation of the electronic structure of atoms and molecules has been shown to be, from the beginning of 90 s, an indispensable tool for the development of strategic areas, that are still emergent, but fundamental, like nanotechnology. However, this type of simulation is still of great complexity today and demands high computational power. Thus, the creation of more precise and less costly methods becomes fundamental. With the elaboration of this research, the intention is to create alternatives basis that can be used into the traditional methods of simulation of electronic structure, such as the Hartree-Fock method, GVB, among others. This essay intends to investigate part of the mathematical tools used in the calculations of electronic structure, in order to create disruptive approaches, related to the precision or velocity of the obtainment of relevant results. The new methods are based in Computational Intelligence and concepts of Functional Analysis like Wavelets.