Nucleophilic additions are an important class of reactions in the preparation of several organic compounds. Metals facilitate nucleophilic additions in many cases. The present work Mechanistic Investigation of Metal Promoted Nucleophilic additions is an attempt to understand the mechanism of nucleophilic additions to imines and carbonyl compounds mediated by the transition metal complexes. Understanding the mechanism of metal promoted nucleophilic additions can facilitate the design and synthesis of more efficient catalysts. Chapter 1 provides a brief introduction to nucleophilic addition. A few named reactions that involve nucleophilic addition are described. An overview of the metal promoted nucleophilic addition reactions and their mechanisms are presented. A short note on the importance of understanding the mechanism of metal promoted nucleophilic addition is included. This section ends with the scope of the present work. Chapter 2 “Mechanistic Investigation of Titanium Mediated Reactions of Imines” deals with two reactions. The first reaction is the formation of reduced amines on reduction of imines. Amines and diamines are synthesized often from imines. A convenient route to such nitrogen containing compounds is through reduction of imines and through reductive coupling of imines respectively. Since both reactions occur in a parallel fashion, during the synthesis of diamines, amines are obtained as side products and vice versa. This problem is acute in the case of titanium based reducing agents. These reducing agents are called low valent titanium reagents because low valent titanium species are generated in situ either from titanium(IV) or titanium(III) reagents. There is no clear understanding of the nature of the low valent titanium involved in the reaction. To rectify this, a mechanistic understanding of this reaction is essential. An attempt was made to probe the mechanism of formation of amines using low valent titanium formed by using two different reducing agents namely phenylsilane and zinc. With the help of isotopic labelling studies, it was found that the mechanism of formation of an amine with phenylsilane involves a direct hydrogen transfer from phenylsilane to an imine. This was verified using deuterium labelled phenylsilane. With zinc, it follows a traditional titanacycle pathway which was verified by quenching with the deuterium oxide. A second reaction that has been probed is the alkylation of imines by Grignard reagents using chiral titanium complexes. Alkylation of imines is one of the suitable routes to prepare chiral amines. Alkylation of imines employing a Grignard reagent with Ti(OiPr)4 can proceed through two different pathways depending on the amount of the Grignard reagent used. Alkylation reaction with one equivalent of Grignard reagent can proceed through a Ti(IV) species and the alkylation reaction with two equivalents of the Grignard reagent can proceed through a Ti(II) species. The reaction proceeding through Ti(IV) is less wasteful as it only requires one equivalent of the Grignard reagent. The two pathways differ from each other in the nature of the transition state where the C-C bond is formed. To verify the favourable pathway, chiral titanium complexes were prepared and alkylation carried out. The alkylation results suggest that one equivalent of Grignard is sufficient to give good yields of the alkylated product and the reaction may proceed through a Ti(IV) promoted path. It was reported in the literature that at least three equivalents of Grignard reagent are required to get good yields of the alkylated product with zirconium complexes. This work suggests a greener alternate to alkylation of imines. Chapter 3 “Asymmetric Transfer Hydrogenation Reaction of Ketones in Water” deals with the synthesis of chiral ruthenium half-sandwich complexes employing a proline diamine ligand which has phenyl, ethyl, benzyl, or hydrogen as a substituent. These complexes were characterized by X-ray diffraction. In addition, all these complexes were obtained as single diastereoisomers. These complexes were used as catalysts for the reduction of a variety of ketones to chiral alcohols in water using sodium formate as a hydride source. Stoichiometric reaction between sodium formate and the catalysts showed the formation of hydride complexes as the active species. Based on the electronic effects observed, the key step is found to be a nucleophilic attack of hydride on the carbonyl carbon of ketones. In the transfer hydrogenation reaction with DCOONa, more of 1-phenylethanol- 1-2H1 was observed with all the ruthenium catalysts suggesting that the hydrogen from sodium formate is transformed into a metal hydride which is subsequently transferred to the ketones to form chiral alcohols. The catalysts were optimized with acetophenone as a model substrate. Only in the case of a catalyst which has a phenyl substituent, silver nitrate was found to enhance the formation of aqua complex which in turn resulted in good yields of the chiral alcohols. Among all the complexes studied, the catalyst bearing a phenyl group induces greatest enantioselectivity. It can also be recycled. Chapter 4 “On the Formation of a Ruthenium-PPh2H Complex Using 1- Phenylethane-1,2-diol” deals with the mechanism of formation of PPh2H from PPh2Cl. This unique transformation involves a ruthenium-cymene dimer, PPh2Cl and 1-phenylethane-1,2- diol. In the attempted synthesis of a ruthenium bisphosphinite complex, using the ruthenium-cymene dimer, chlorodiphenylphosphine and 1-phenylethane-1,2-diol, the formation of [Ru(η6-cymene)Cl2PPh2H] was observed in good yield. Formation of the expected ruthenium bisphosphinite complex was not observed. The reaction was carried out in the absence of 1-phenylethane-1,2-diol resulted in the formation of [Ru(η6- cymene)Cl2PPh2Cl] suggests that the diol acts as a reducing agent. To verify the source of hydrogen in the 1-phenylethane-1,2-diol, deuterated diols were prepared. The reactions with the deuterated diols revealed several interesting aspects of the formation of the Ru-PPh2H complex. Chapter 5 “Mechanistic Studies on the Diazo Transfer Reaction” deals with the synthesis of labelled azides and the labelled azidating reagent to probe the mechanism of the diazo transfer reaction. Azides are important precursors used for a variety of chemical transformations including the celebrated Cu(I) catalyzed click reaction. Azides are also used as protecting groups for amines as they can be conveniently reduced to amines. Azidation of amines usually yield azides, with retention of stereochemistry. There is a possibility that the azide formation can occur through the SNi mechanism with retention of configuration where nitrogen in the starting material will not be retained after forming an azide. The reaction was carried out with 13C and 15N labelled L-valine and L-isoleucine to probe this possibility. The resultant labelled azide has 15N retained in its position. This excluded the SNi pathway. To show where the nucleophilic amine group is attacking the azide, labelled imidazole-1¬sulfonyl azide was synthesized from NaN215N. Reactions were carried out with L-valine (labelled and unlabelled) in the presence of a metal catalyst and with unlabelled L-valine in the absence of catalyst. These results confirm the postulated pathways described in the literature.

Plusieurs ligands dérivés de la D-glucosamine, conçus pour différentes réactions catalytiques,ont été synthétisés. Les ligands pour la catalyse homogène basés sur 1,2-glucodiamine ontété préparés, et utilisés dans des réactions d'alkylation allylique, d'hydrogénation et d'additionde Michael.La D-glucosamine a utilisee pour la preparation de catalysateur type de SPAC (SupportedAqueous Phase Catalyst). Ce catalysateur hétérogène été utilisé avec de très bons résultatsdans les réactions de couplage croisé de Suzuki Miyaura. Le catalyseur a également étérecyclé. Des essais de préparation de ligands greffés sur une matrice de silice de type SBA-15ont été réalisés ainsi que des ligands à base de poly (éthylène) glycol. / Several ligands derived from D-glucosamine, designed for different catalytic reactions havebeen synthesized. The ligands for homogeneous catalysis based on 1,2-glucodiamine wereprepared, and used in reactions of allylic alkylation, hydrogenation and Michael addition.Supported Aqueous Phase Catalyst (SAPC) system was prepared from D-glucosamine anduse with very good results in Suzuki Miyaura cross coupling reactions. Catalyst was alsorecycled. Attempt to prepare ligands grafted on SBA-silica matrix were made as well asligands containing poly(ethylene) glycol moiety.

Les matériaux « coeur-coquille » composés d’une nanoparticule métallique encapsulée à l'intérieur de coquilles inorganiques (oxydes, carbone …) attirent de plus en plus l'attention par leurs propriétés particulières, en particulier dans le domaine de la catalyse. Les particules métalliques sont protégées par la coquille, qui empêche entre autres le frittage et la croissance des particules à haute température. Cependant, les coquilles sont généralement méso à macroporeuses et elles ne peuvent pas jouer le rôle de tamis moléculaire pour les molécules de taille nanométrique. En revanche, les zéolithes sont des solides cristallins microporeux dont les pores bien définis permettent une forte discrimination des réactifs basée sur la taille, la forme ou leur coefficient de diffusion. L’objectif de cette thèse visait à la synthèse de catalyseurs de type coeur-coquille dans lesquels la coquille est une zéolite microporeuse de structure MFI (silicalite-1 et ZSM-5), le coeur étant soit une particule de métal noble (Au, Ag, Pt, Pd), soit des alliages de ces différents métaux, soit enfin un métal de transition (Co, Ni, Cu). Ces catalyseurs ont été appliqués dans des réactions d'hydrogénation sélective (aromatiques substitués) et l'oxydation sélective de CO en présence d'hydrocarbures. Nous avons ainsi montré que la coquille zéolithique, tout en protégeant les particules du frittage, modifie la sélectivité des réactions en interdisant aux réactifs volumineux d’atteindre les sites catalytiques / Nanostructured yolk-shell materials, which consist of metal nanoparticle cores encapsulated inside hollow shells, attract more and more attention in material science and catalyst applications during the last two decades. Metal particles are usually highly mono-dispersed in size and isolated from each other by the shell, which prevents growth by sintering at high temperature. Because they are generally made of meso/macroporous oxides or amorphous carbon, shells cannot carry out molecular sieve-type separation of molecules at the nanometric scale. The aim of the present thesis was to synthesize yolk-shell catalyst with microporous zeolite shells (silicalite-1 and ZSM-5), containing noble (Au, Pt, Pd) transition (Co, Ni, Cu) and alloy metal nanoparticles. Zeolites are crystalline microporous solids with well-defined pores capable of discriminating nanometric reactants on the basis of size, shape and diffusion rate. Zeolite-based yolk-shell catalysts have been applied in selective hydrogenation (toluene and mesitylene) and oxidation (CO) reactions in the presence of hydrocarbons. Zeolite shells not only plaid a key role as membranes, thus changing selectivities as compared to conventional supported catalysts, but they also protected metal nanoparticles from sintering under reaction conditions

Zur Entwicklung eines effizienten Verfahrens zur CO2-Hydierung im Dreiphasensystem erfolgten in dieser Arbeit Untersuchungen zur Optimierung des Katalysatorsystems, zum Screening nach neuen geeigneten Lösungsmitteln und zum Einfluss der Prozessführung. Durch Variieren des Trägersystems und der Präparationsmethode ergaben sich sieben Kupferkatalysatoren, welche sich in ihren Eigenschaften und ihrer katalytischen Aktivität unterschieden. Zudem gelang die Immobilisierung von Kupferkatalysatoren auf Aluminiumoxid und auf Glas. Es wurde eine kontinuierliche Anlage mit Rieselbettreaktor entwickelt und in Betrieb genommen, welche die Durchführung der CO2-Hydrierung in Gasphase und im Dreiphasensystem bei bis zu 90 bar ermöglicht. Im Batchversuch zeigte sich der Einfluss der Lösungsmittel auf die Effizienz des Katalysators. Vielversprechende Lösungsmittel wurden dann zur Methanolsynthese im kontinuierlichen Prozess eingesetzt, um den Einfluss der Prozessbedingungen zu untersuchen.

No description available.

<p dir="ltr">Directed hydrogenation, in which product geometric selectivity is dictated by the binding of an ancillary directing group on the substrate to the catalyst, is typically achieved by homogeneous Rh and Ir complexes. No heterogeneous catalyst has been able to achieve equivalently high directivity due to a lack of control over substrate binding orientation at the catalyst surface. In this work, we demonstrate through structure-activity studies that careful control of surface ensemble geometry in bimetallic nanoparticle catalysts can confer hydroxyl-directed selectivity in heterogeneous double bond hydrogenation. We postulate that the oxophilic alloy component binds hydroxyl groups to pre-orient the molecule on the surface, while proximal noble metal atoms impart facially selective addition of hydride to the olefin. We found that controlling the degree of surface alloying between oxophilic and noble metal component as well as alloy component identity is critical to maximizing reaction selectivity and starting material conversion. Our optimized catalysts exhibit good functional group tolerance on a variety of cyclohexenol and cyclopentenol scaffolds, with Pd-Cu and Pt-Ni systems being developed for the diastereoselective hydrogenation of tri- and more challenging tetra-substituted olefins, respectively. The applicability of this method is then demonstrated in a four-step synthesis of a fine fragrance compound, (1<i>R</i>,2<i>S</i>)-(+)-<i>cis</i>-methyldihydrojasmonate (Paradisone®), with high yield and enantiopurity.</p>

[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

[ES] En esta Tesis se ha estudiado en profundidad la reacción de semi-hidrogenación de alquinos catalizada por materiales de paladio. Más especificamente, esta Tesis empieza estudiando un sistema simple para la semi-hidrogenación de alquinos: clústeres de paladio en disolución formados a partir de la reducción in situ de sales de paladio, en el Capítulo 3. Este concepto, se usará posteriormente para sintetizar un catalizador soportado y soluble en el Capítulo 4. Estos clústeres catalizan de forma muy eficiente la semi-hidrogenación de alquinos internos. Entre otros alquinos internos estudiados en el Capítulo 4, los 1,4-alquinodioles se investigaron en más profundidad en el Capítulo 5, donde se muestra su habilidad para desactivar la ruptura del hidrógeno molecular sobre catalizadores de paladio. Además, se estudiará su desimetrización diastereoisomérica durante la reacción semi-hidrogenación. La semi-hidrogenación de alquinos terminales, a pesar de ser típicamente más sencilla, no procede de forma eficiente en los sistemas catalíticos de los capítulos anteriores. Es por ello que en el Capítulo 6 se pone énfasis en estos alquinos terminales y, mediante la interacción entre fosfinas y catalizadores de paladio sobre carbono, se consigue una hidrogenación selectiva de estos sustratos sobre catalizadores clásicamente no selectivos. Finalmente, el último Capítulo 7 se dedica a la semi-hidrogenación del acetileno, el alquino con mayor presencia industrial a nivel global con diferencia. Los elevados requerimientos de rendimiento y el alto volumen de producción del proceso de semi-hidrogenación de acetileno se satisfacen en este caso mediante el uso de un MOF con dímeros de Pd-Au. / [CA] En aquesta Tesi s'ha estudiat en profunditat la reacció de semi-hidrogenació d'alquins catalitzada per materials de pal·ladi. Més especificament, aquesta Tesi comença estudiant un dels sistemes més simples per a la semi-hidrogenació d'alquins: clústers de pal·ladi en dissolució formats a partir de la reducció "in situ" de sals de pal·ladi en el Capítol 3. Aquest concepte s'empra posteriorment per a sintetitzar un catalitzador suportat i soluble en el Capítol 4. Aquests clústers catalitzen de forma molt eficient la semi-hidrogenació dels alquins interns. Entre d'altres alquins interns estudiats en el Capítol 4, els 1,4-alquindiols s'investiguen en més profunditat en el Capítol 5, on es mostra la seva habilitat per a desactivar la ruptura de l'hidrogen molecular sobre catalitzadors de pal·ladi, així com la desimetrizació diastereoisomérica que sofreixen durant la reacció de semi-hidrogenació. Malgrat ser típicament més senzilla, la semi-hidrogenació d'alquins terminals no procedeix de manera eficient en els sistemes catalítics dels capítols anteriors. És per això que en el Capítol 6 es posa èmfasi en aquests alquins terminals i, mitjançant la interacció entre fosfines i catalitzadors de pal·ladi sobre carboni, s'aconsegueix una hidrogenació selectiva d'aquests substrats sobre catalitzadors clàssicament no selectius. Finalment, l'últim Capítol 7 es dedica a la semi-hidrogenació de l'acetilè, un dels alquins terminals amb major presència industrial a nivell global. Els elevats requisits de rendiment i l'elevat volum de producció d'aquest procés de semi-hidrogenació d'acetilè se satisfan, en aquest cas, mitjançant l'ús d'un MOF amb dímers de Pd-Au. / [EN] In this Thesis, the semi-hydrogenation reaction of alkynes catalyzed by palladium materials has been studied in depth. More specifically, this Thesis starts by studying a very simple system for the semi-hydrogenation of alkynes: palladium clusters in solution formed from the in situ reduction of palladium salts, in Chapter 3. This concept will be subsequently used to synthesize a supported and soluble catalyst in Chapter 4. These clusters catalyze very efficiently the semi-hydrogenation of internal alkynes. Among other internal alkynes studied in Chapter 4, 1,4-alkynodiols are further investigated in Chapter 5, where their ability to deactivate molecular hydrogen cleavage over palladium catalysts is shown, as well as the diastereoisomeric desymmetrization that they undergo during the semi-hydrogenation reaction. Despite being typically simpler, the semi-hydrogenation of terminal alkynes does not proceed efficiently in the catalytic systems of the previous chapters. Hence, in Chapter 6, emphasis is placed on these terminal alkynes and, by means of the interaction between phosphines and palladium-on-carbon catalysts, a selective hydrogenation of these substrates over classically non-selective catalysts is achieved. Finally, the last Chapter 7 is devoted to the semi-hydrogenation of acetylene, the alkyne with the largest global industrial presence by far. The high yield and production volume requirements of the acetylene semi-hydrogenation process are met in this case by using a MOF with Pd-Au dimers. / Ballesteros Soberanas, J. (2023). Semi-hidrogenación de alquinos con nuevos catalizadores de paladio [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/194631

Die Umsetzung von alpha,beta-ungesättigten Aldehyden und Ketonen mit Wasserstoff über Pd-Modellkatalysatoren wurde anhand von Molekularstrahlmethoden, kombiniert mit Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (IRAS), Quadrupol-Massenspektrometrie (QMS) und Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS), unter wohldefinierten Ultrahochvakuumbedingungen untersucht. Das Ziel dieser Arbeit war es, ein atomistisches Verständnis der strukturellen Faktoren zu gewinnen, die die Aktivität und Selektivität eines Pd(111)-Einkristalls und Eisenoxid-geträgerter Pd-Nanopartikel für die Hydrierung der C=C- und C=O-Bindungen bestimmen. Exemplarisch für diese Art von Kohlenwasserstoffen wurden das Aldehyd Acrolein und das Keton Isophoron gewählt. Die NEXAFS- und IRAS-Studien zeigten, dass Isophoron bei niedrigen Bedeckungen auf Pd(111) in einer flachliegenden Geometrie adsorbiert wird. Die Neigungswinkel der C=C- und C=O-Bindungen in Bezug auf die Pd(111)-Ebene nehmen mit zunehmender Oberflächenbedeckung zu. Auf reinem Pd(111) ist die Neigung der C=C-Bindung stärker ausgeprägt, was auf eine Verzerrung des konjugierten pi-Systems hindeutet. Bei Anwesenheit von Wasserstoff wird eine schwächere Bindung von Isophoron an Pd beobachtet. Die selektive partielle Hydrierung über einer Pd(111)-Oberfläche und geträgerten Pd-Nanopartikeln unterschiedlicher Größen wurde unter Verwendung von Acrolein untersucht. Molekularstrahlmethoden wurden mit IRAS- und QMS-Messungen kombiniert, um gleichzeitig die Bildung von Adsorbaten auf der Oberfläche und die der Produkte in der Gasphase verfolgen zu können. Über einem Pd(111)-Kristall wird Propenol mit nahezu 100% Selektivität durch Hydrierung der C=O-Gruppe gebildet, während über Pd-Partikeln Propanal durch selektive Hydrierung der C=C-Gruppe erzeugt wird. IRAS-Untersuchungen zeigten, dass die Propenol-Bildung eine Modifikation der Pd(111)-Oberfläche mit einer dichten Oxopropyl-Monolage voraussetzt. / The conversion of alpha,beta-unsaturated aldehydes and ketones with hydrogen over model Pd catalysts was investigated using molecular beam techniques combined with infrared reflection-absorption spectroscopy (IRAS), quadrupole mass spectrometry (QMS), and near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) studies under well-defined ultra-high vacuum conditions. The aim of this work was to gain atomistic-level understanding of structural factors governing the selectivity and activity of a Pd(111) single crystal and iron-oxide-supported Pd nanoparticles for C=C and C=O bond hydrogenation. The ketone isophorone and the aldehyde acrolein were chosen as prototypical alpha,beta-unsaturated carbonyl compounds. NEXAFS and IRAS studies showed that isophorone is adsorbed on Pd(111) in a flat-lying geometry at low coverages. With increasing coverage, both C=C and C=O bonds tilt with respect to the surface plane. The tilting is more pronounced for the C=C bond on pristine Pd(111), indicating a strong distortion of the conjugated pi system upon interaction with Pd. Co-adsorbed hydrogen leads to a conservation of the in-plane geometry of the conjugated pi system, pointing to a much weaker interaction of isophorone with Pd in the presence of hydrogen. The selective partial hydrogenation over a Pd(111) surface and supported Pd nanoparticles with different particle sizes was investigated using acrolein. Molecular beam techniques were combined with IRAS and QMS measurements in order to simultaneously monitor the evolution of surface species and the formation of the final gas-phase products. Over a Pd(111) single crystal, acrolein is hydrogenated at the C=O bond to form propenol with nearly 100% selectivity, while over supported Pd particles, selective conversion of the C=C bond to propanal occurs. IRAS investigations showed that a distinct modification of the Pd(111) surface with a dense overlayer of an oxopropyl species is required for propenol formation.

[ES] Las expectantes y ambiciosas políticas adoptadas actualmente por las instituciones internacionales para lograr escenarios de Cero Emisiones Netas (NZE), con el fin de mitigar el cambio climático, han impulsado la transición hacia cambios más sostenibles en los sectores energético y químico. En este contexto, la llamada Economía del Metanol (Methanol Economy) se ha propuesto como una solución viable para almacenar, distribuir y utilizar energía y fuentes de carbono renovables. Esta estrategia utiliza el metanol y sus derivados para cubrir la demanda de energía y productos químicos de plataforma, con ventajas como la producción ampliamente establecida, versatilidad y facilidad de almacenamiento y transporte, aprovechando la infraestructura de combustibles existente. La producción de metanol se basa mayoritariamente en mezclas de CO/CO2/H2 provenientes de fuentes no renovables, como el gas natural. La transición hacia el uso de fuentes de carbono más sostenibles, como el CO2 o el e-syngas (CO+H2), habilitados por tecnologías de Captura, Almacenamiento y Utilización de Carbono (CCUS), representa un desafío para satisfacer de manera económica la creciente demanda de metanol. La optimización de catalizadores más activos y selectivos sigue siendo complicada, debido al limitado conocimiento de estos sistemas catalíticos complejos. Esta tesis aborda aspectos fisicoquímicos fundamentales en catalizadores de Cu para la hidrogenación de CO2 y CO a metanol, incluyendo efectos de promoción, distribución nanométrica de centros metálicos y distancias de transporte superficial. Primero, se analiza la relación entre los efectos de promoción Cu-óxido y la fuente de carbono utilizada (CO2 o CO). Se diseñaron catalizadores de Cu soportado ajustando la acidez de los centros de Lewis en la periferia del Cu-óxido. Estudios de actividad catalítica y técnicas espectroscópicas, como FTIR in situ y adsorción de CO a baja temperatura, mostraron similitudes en la hidrogenación de CO y CO2, como energías de activación (Ea) similares y la ocupación predominante de centros ácidos de Lewis por formiatos. Sin embargo, solo una fracción pequeña de estos centros en la interfaz Cu/óxido participa activamente en la reacción, y estudios cinéticos con isótopos revelaron diferencias clave en los mecanismos de reacción. A continuación, se investiga la cuantificación y optimización de la periferia catalítica relevante (CRP) en la interfaz metal-óxido. Variando sistemáticamente la distancia entre nanopartículas en catalizadores Cu/ZrO2 y utilizando espectroscopía infrarroja de modulación-excitación, se cuantificaron la abundancia y dinámica de los intermediarios activos en función de la distancia entre nanopartículas de Cu, diferenciándolos de las especies espectadoras. Esta metodología identificó un espaciado óptimo de ca. 7 nm, donde la producción de metanol es máxima (>19 mmolMeOH mmolCu-1 h-1 a 513 K), y demostró cómo el solapamiento de la CRP entre nanopartículas afecta el control cinético de los pasos elementales en la reacción. Finalmente, la tesis explora los efectos de las distancias de transporte superficial entre centros de Cu metálico y sitios ácidos de Lewis en Zr(IV) en la hidrogenación de CO2. Se estudiaron distancias Cu-ZrO2 de nanómetros a micrómetros, revelando que la falta de contacto directo entre nanocristales de Cu y sitios de Lewis en ZrO2 disminuye la producción de metanol y la selectividad. Los resultados sugieren que el "spillover" de hidrógeno desde Cu hacia intermediarios en ZrO2 se vuelve cinéticamente relevante al aumentar la distancia entre los centros, subrayando la importancia de la cooperación entre sitios para optimizar la síntesis de metanol. En conjunto, los resultados proporcionan nuevos conocimientos sobre la cooperación de sitios activos y los efectos nanoespaciales en mecanismos bifuncionales, que resultan esenciales para optimizar racionalmente los procesos de síntesis de metanol a partir de COx en catalizadores de Cu soportados. / [CA] Les expectants i ambicioses polítiques adoptades actualment per les institucions internacionals per a aconseguir escenaris de Zero Emissions Netes (NZE), amb la finalitat de mitigar el canvi climàtic, han impulsat la transició cap a canvis més sostenibles en els sectors energètic i químic. En este context, l'anomenada Economia del Metanol (Methanol Economy) s'ha proposat com una solució viable per a emmagatzemar, distribuir i utilitzar energia i fonts de carboni renovables. Esta estratègia utilitza el metanol i els seus derivats per a cobrir la demanda d'energia i productes químics de plataforma, amb avantatges com la producció àmpliament establida, versatilitat i facilitat d'emmagatzematge i transport, aprofitant la infraestructura de combustibles existent. La producció de metanol es basa majoritàriament en mescles de CO/CO2/H provinents de fonts no renovables, com el gas natural. La transició cap a l'ús de fonts de carboni més sostenibles, com el CO2 o l'e-syngas (CO+H2), habilitats per tecnologies de Captura, Emmagatzematge i Utilització de Carboni (CCUS), representa un desafiament per a satisfer de manera econòmica la creixent demanda de metanol. L'optimització de catalitzadors més actius i selectius continua sent complicada, a causa del limitat coneixement d'estos sistemes catalítics complexos. Esta tesi aborda aspectes fisicoquímics fonamentals en catalitzadors de Cu per a la hidrogenació de CO i CO2 a metanol, incloent-hi efectes de promoció, distribució nanomètrica de centres metàl·lics i distàncies de transport superficial. Primer, s'analitza la relació entre els efectes de promoció Cu-òxid i la font de carboni utilitzada (CO o CO2). Es van dissenyar catalitzadors de Cu suportat ajustant l'acidesa dels centres de Lewis en la perifèria del Cu-òxid. Estudis d'activitat catalítica i tècniques espectroscòpiques, com FTIR in situ i adsorció de CO a baixa temperatura, van mostrar similituds en la hidrogenació de CO i CO2, com a energies d'activació (Ea) similars i l'ocupació predominant de centres àcids de Lewis per formiats. No obstant això, només una fracció xicoteta d'estos centres en la interfície Cu/òxid participa activament en la reacció, i estudis cinètics amb isòtops van revelar diferències clau en els mecanismes de reacció. A continuació, s'investiga la quantificació i optimització de la perifèria catalítica rellevant (CRP) en la interfície metall-òxid. Variant sistemàticament la distància entre nanopartícules en catalitzadors Cu/ZrO2 i utilitzant espectroscopía infraroja de modulació-excitació, es van quantificar l'abundància i dinàmica dels intermediaris actius en funció de la distància entre nanopartícules de Cu, diferenciant-los de les espècies espectadores. Esta metodologia va identificar un espaiat òptim de ca. 7 nm, on la producció de metanol és màxima (>19 mmolMeOH mmolCu-1 h-1 a 513 K), i va demostrar com el solapament de la CRP entre nanopartícules afecta el control cinètic dels passos elementals en la reacció. Finalment, la tesi explora els efectes de les distàncies de transport superficial entre centres de Cu metàl·lic i llocs àcids de Lewis en Zr(IV) en la hidrogenació de CO2. Es van estudiar distancies Cu-ZrO2 de nanòmetres a micròmetres, revelant que la falta de contacte directe entre nanocristalls de Cu i llocs de Lewis en ZrO2 disminuïx la producció de metanol i la selectivitat. Els resultats suggerixen que l'"spillover" d'hidrogen des de Cu cap a intermediaris en ZrO2 es torna cinèticament rellevant en augmentar la distància entre els centres, subratllant la importància de la cooperació entre llocs per a optimitzar la síntesi de metanol. En conjunt, els resultats proporcionen nous coneixements sobre la cooperació de llocs actius i els efectes nanoespaciales en mecanismes bifuncionales, que resulten essencials per a optimitzar racionalment els processos de síntesis de metanol a partir de COX en catalitzadors de Cu suportats. / [EN] The expectant and optimistic policies currently adopted by international institutions to achieve Net Zero Emission scenarios to mitigate the effects of climate change have encouraged the transition towards greener solutions in the energy and chemical sectors. The so-called Methanol Economy has been proposed as a viable alternative approach to store, distribute, and utilize renewable energy and carbon. This strategy uses methanol and its derivatives to meet the demand for both energy and platform chemicals, with its main advantages being its well-established production, versatility, and ease of storage and transport using the existing fuel infrastructure. Currently, methanol is primarily produced from mixtures of CO/CO2/H2 derived from non-renewable sources, mainly natural gas. However, transitioning to more sustainable carbon sources, such CO2 or e-syngas (CO+H2), available in the context of Carbon Capture, Storage, and Utilization (CCUS) technologies, remains technologically challenging to meet the current and anticipated methanol demand feasibly. The design and optimization of more active and selective catalysts for these processes is still a hurdle to overcome, primarily due to the limited fundamental understanding of the complex catalytic systems involved. Therefore, this thesis investigates physicochemical aspects, such as promotional effects, metal (nano)spatial distribution, and surface transport distances, which are still in debate in the hydrogenation of CO2 and CO to methanol using Cu-based catalysts. This thesis investigates the role of oxide promotion in Cu-based methanol synthesis catalysts, with a focus on how this effect varies based on the reactant (CO or CO2) used. It designs Cu catalysts with tunable Lewis acid (LA) strength at the Cu-oxide periphery, which is explored through catalytic activity analyses and spectroscopic methods (in situ FTIR and low-temperature FTIR with CO adsorption). Findings reveal that while CO and CO2 hydrogenation share similar energy barriers (Ea) and predominantly involve formate occupation on LA sites, they exhibit key mechanistic differences. These include kinetic isotope effects and the role of hydroxyls in formate formation during CO hydrogenation, showing how specific site interactions affect the catalytic pathway. The thesis also addresses the engineering and quantification of the catalysis-relevant periphery (CRP) at metal-oxide interfaces. By controlling Cu nanoparticle spacing in Cu/ZrO2-supported catalysts with consistent nanoparticle sizes, and using Modulation-Excitation Infrared Spectroscopy, the research measures the dynamics of surface reaction intermediates and distinguishes them from spectator species. This method allows identification of an optimal Cu nanoparticle spacing (~7 nm) for enhanced methanol production (>19 mmolMeOH mmolCu-1 h-1 at 513 K), showing that CRP overlap influences rate-limiting steps in the methanol synthesis process. Finally, the thesis investigates surface transport phenomena, specifically hydrogen spillover, between Cu and Zr(IV) sites in CO2 hydrogenation. By analyzing Cu-ZrO2 spacings from nanometers to micrometers, it finds that indirect contact between Cu and Lewis acidic ZrO2 sites, even at the nanoscale, leads to lower methanol formation rates and selectivity. Results suggest that as the distance between Cu and LA sites increases, surface transport, likely involving hydrogen spillover from Cu to ZrO2-stabilized CO2 intermediates, becomes increasingly relevant. Together, these findings emphasize the importance of nanospatial arrangement and site cooperation in optimizing catalytic performance for methanol synthesis from CO and CO2 feedstocks. Considering together, the results provide new insights into site cooperation and nanospatial effects in bifunctional mechanisms, the understanding of which emerges as essential to rationally optimize methanol synthesis processes by conversion of COx feedstocks on supported Cu catalysts. / López Luque, I. (2024). Bifunctional and Nanospatial Effects in Copper Catalysts for Methanol Synthesis [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/213880