La recherche sur la conception de nouveaux matériaux, dits intelligents, est en constant progrès depuis plus de 30 ans. Historiquement, les premiers matériaux utilisés et transformés par l’homme étaient le bois, les minéraux et ses dérivés (pierre, métaux, etc.). C’est à la fin du 19e siècle que la synthèse des polymères organiques et inorganiques ainsi que leurs utilisations se développèrent. Ce progrès continue de nos jours. Ainsi, c’est dans cette direction que cette thèse fut rédigée, l’étude de polymères de coordination basés sur le cuivre(I). Elle s’orchestra en six principales sections de recherche. La première section, i.e. le chapitre 2 traite de la coordination de différents ligands monothioéthers sur du CuX (X = I, Br) pour former plusieurs types de polymères de coordination (CPs). Ainsi, le CP 1D [(Me[indice inférieur 2]S)[indice inférieur 3]{Cu[indice inférieur 2]([mu]-I)[indice inférieur 2}][indice inférieur n] est obtenu quand CuI et Sme[indice inférieur 2] réagissent ensemble dans le n-heptane, alors qu’ils entrainent la formation du CP 2D [(Me[indice inférieur 2]S) [indice inférieur 3] {Cu[indice inférieur 4]([mu]-I) [indice inférieur 4]}] [indice inférieur n] dans le MeCN. Ce dernier contient des unités de construction secondaire (SBU ; Secondary Building Units en anglais) en forme de cluster Cu[indice inférieur 4]I[indice inférieur 4] « cubane partiellement ouvert ». En faisant réagir le MeSEt avec du CuI, le CP 2D [(MeSEt) [indice inférieur 2]{Cu[indice inférieur 4] ([mu][indice inférieur 3]-I) [indice inférieur 2] ([mu][indice inférieur 2]-I) [indice inférieur 2]}(MeCN) [indice inférieur 2]] [indice inférieur n] contenant des SBUs de type Cu[indice inférieur 4]I[indice inférieur 4] « cubanes en escalier » a été isolé dans MeCN, alors qu’ils entrainent l’obtention du polymère 1D [(MeSEt) [indice inférieur 3]{Cu[indice inférieur 4] ([mu][indice inférieur 3]-I) [indice inférieur 4]}] [indice inférieur n] dans le n-heptane contenant quant à lui des clusters de types Cu[indice inférieur 4]I[indice inférieur 4] « cubanes fermés ». Alors que le traitement de MeSPr avec du CuI forme le CP 1D [(MeSPr) [indice inférieur 3]{Cu[indice inférieur 4] ([mu][indice inférieur 3]-I) [indice inférieur 4]}] [indice inférieur n], les composés [(L) [indice inférieur 4]{Cu[indice inférieur 4] ([mu][indice inférieur 3]-I) [indice inférieur 4]}] (L = EtSPr, Pr[indice inférieur 2]S) sont respectivement obtenus avec le EtSPr et le Pr[indice inférieur 2]S. À partir du [indice supérieur i]Pr[indice inférieur 2]S et de CuI, le cluster [([indice supérieur i]Pr[indice inférieur 2]S) [indice inférieur 6]{Cu[indice inférieur 8] ([mu][indice inférieur 3]-I) [indice inférieur 3]}([mu][indice inférieur 4]-I) [indice inférieur 2]}] est obtenu alors que l’on forme un CP 2D [(Cu[indice inférieur 3]Br[indice inférieur 3])(MeSEt) [indice inférieur 3]] [indice inférieur n] à partir de CuBr et MeSEt dans l’heptane. Ce dernier incorpore à la fois des Cu([mu][indice inférieur 2]-Br) [indice inférieur 2]Cu rhomboédriques et des SBUs de type Cu[indice inférieur 4]Br[indice inférieur 4] « cubanes ouverts ». Le MeSPr forme, quant à lui avec le CuBr dans l’heptane, le CP 1D [(Cu[indice inférieur 3]Br[indice inférieur 3])(MeSPr) [indice inférieur 3]] [indice inférieur n] qui, après recristallisation dans le MeCN, est converti en un CP 2D [(Cu[indice inférieur 5]Br[indice inférieur 5])([mu][indice inférieur 2]-MeSPr) [indice inférieur 3]] [indice inférieur n] incorporant des SBUs [(Cu[indice inférieur 5] ([mu][indice inférieur 4]-Br)([mu][indice inférieur 2]-Br)]. Les propriétés de stabilités thermiques et photophysiques de ces matériaux ont aussi été reportées.   Dans la section 2, i.e. au chapitre 3, les réactions entre des ligands dithioétherbutanes (1,4-bis(phénylthio)butane et 1,4-bis(cyclohexylthio)butane) avec CuX (X = Br, I) ont été étudiées. En faisant réagir les CuX avec le 1,4-bis(cyclohexylthio)butane, dans le ratio (1:1), les CPs 1D, peu luminescents, isostructuraux [(Cu[indice inférieur 2]X[indice inférieur 2])([mu]-CyS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 4])SCy) [indice inférieur 2]] [indice inférieur n] (X = Br, I) sont obtenus. Inversement, quand CuI réagit avec 1,4-bis(phénylthio)butane, dans le ratio (2:1), il se forme le préalablement reporté CP 2D [(Cu[indice inférieur 4]I[indice inférieur 4])([mu]- PhS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 4])SPh) [indice inférieur 2]] [indice inférieur n], alors qu’avec le CyS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 4])SCy, un nouveau composé luminescent est obtenu, mais sa structure n’a pas pu être résolue.(1) Les caractérisations habituelles en photophysique et en stabilité thermique ont été menées sur ces matériaux. Dans la troisième section, i.e. dans le chapitre 4, les réactions de coordination de CuX (Br, I) sur les ligands dithioétherbutènes E- et Z-PhS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])SPh, E- et Z-pTolS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])S-pTol ont été comparées. Quand les sels CuX réagissent avec E-PhS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])SPh les CP 2D [Cu[indice inférieur 2]X[indice inférieur 2]{[mu]-E-PhS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])SPh}[indice inférieur 2]] [indice inférieur n] (X = I, Br), composés isostructuraux, sont obtenus. Incorporant une structure sans-précédente, ces réseaux sont formés à partir de couches 2D en alternance ABAB, contenants des SBUs Cu[indice inférieur 2] ([mu][indice inférieur 2]-X) [indice inférieur 2] rhomboédriques. Inversement, quand l’isomère Z-PhS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])SPh réagit avec des sels de CuX, deux structures différentes sont obtenues : le CP 2D [Cu[indice inférieur 4] ([mu][indice inférieur 3]-I) [indice inférieur 4] ([mu]-Z-PhS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])SPh}[indice inférieur 2]] [indice inférieur n] contenant des SBUs de type « cubane fermé » et le complexe 0D [Cu[indice inférieur 2]Br[indice inférieur 2]{[mu]-Z-PhS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])SPh}[indice inférieur 2]]. De par la réaction de E-pTolS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])S-pTol avec CuI, le CP 2D [{Cu([mu][indice inférieur 3]-I)} [indice inférieur 2] ([mu]-E-pTolS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])S-pTol)]n contenant des rubans parallèles en escalier est obtenu, alors que la structure issue de CuBr n’a pas pu être résolue. Finalement, quand CuX réagit avec Z-pTolS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])S-pTol, les CPs 2D iso-structuraux [Cu[indice inférieur 2]X[indice inférieur 2]{[mu]-Z-pTolS(CH[indice inférieur 2]CH=CHCH[indice inférieur 2])S-pTol}[indice inférieur 2]] (X = I, Br) sont formés. Dans ce cas, contrairement, aux premières structures obtenues, les couches de ces CPs sont composées de grilles incorporant des SBUs rhomboédriques Cu[indice inférieur 2] ([mu][indice inférieur 2]-X) [indice inférieur 2] dont les distances Cu···Cu sont identiques d’une couche à l’autre. Les caractérisations habituelles en photophysique et en stabilités thermiques ont été menées sur ces matériaux. De plus, des calculs théoriques ont été réalisés afin de mieux comprendre les propriétés photophysiques de ces composés. La quatrième section, i.e. le chapitre 5, traite des réactions de CuX (Br, I, Cl) sur des ligands dithioétherbutynes (1,4-bis(pTolthio)but-2-yne et 1,4-bis(benzylthio)but-2-yne. Quand CuBr réagit avec 1,4-bis(pTolthio)but-2-yne, le CP 1D [{Cu([mu][indice inférieur 2]-Br) [indice inférieur 2]Cu}([mu]-pTolSCH[indice inférieur 2]C≡CCH[indice inférieur 2]S-pTol) [indice inférieur 2]] [indice inférieur n] est obtenu, alors que le CP 2D [{Cu[indice inférieur 4] ([mu][indice inférieur 3]-I) [indice inférieur 4]}([mu]-pTolSCH[indice inférieur 2]C≡CCH[indice inférieur 2]S-pTol) [indice inférieur 2]] [indice inférieur n], préalablement reporté, est formé.(2) La réaction des sels CuI et CuCl avec 1,4-bis(benzylthio)but-2-yne engendre la formation de complexes isomorphes 0D [{Cu([mu][indice inférieur 2]-X) [indice inférieur 2]Cu}([mu]-PhCH[indice inférieur 2]SCH[indice inférieur 2]C≡CCH[indice inférieur 2]SCH[indice inférieur 2]Ph) [indice inférieur 2]] (X = I, Br). Contrairement à l’utilisation de CuCl, qui avec PhCH[indice inférieur 2]SCH[indice inférieur 2]C≡CCH[indice inférieur 2]SCH[indice inférieur 2]Ph forme le CP 2D [{Cu[indice inférieur 2] ([mu][indice inférieur 2]-Cl)([mu] [indice inférieur 3]-Cl)}([mu]-PhCH[indice inférieur 2]SCH[indice inférieur 2]C≡CCH[indice inférieur 2]SCH[indice inférieur 2]Ph)] [indice inférieur n]. Notons que ce CP présente des propriétés de photophysique peu communes pour un dérivé chloré, car il émet de la lumière autour de 600 nm. La cinquième section, i.e. le chapitre 6, traite des réactions de CuI avec PhS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 8]SPh et pTolS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 8]S-pTol qui génèrent respectivement les CPs luminescents 1D [Cu[indice inférieur 4]I[indice inférieur 4]{[mu][indice inférieur 2]-PhS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 8]SPh}[indice inférieur 2]] [indice inférieur n] et 2D [Cu8I8{[mu]2-pTolS(CH2)8S-pTol}3(MeCN)2]n. Le CP 2D [Cu8I8{[mu]2-pTolS(CH2)8S-pTol}3 (MeCN)2]n présente un réseau qui n’avait jamais été rencontré dans la littérature auparavant, c.-à-d., des couches de polymère construites à partir de deux cubanes fermés pontés ensemble par un rhomboèdre comme SBUs. Leurs propriétés physiques et de stabilités thermiques ont été étudiées et présentent quelques différences notables. La sixième section, i.e. le chapitre 7, traite des réactions entre CuI avec le ligand flexible pTolS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 8]S-pTol dans le MeCN ou EtCN et p-[indice supérieur t]BuC[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]S(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 8]SC[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]-p-[indice supérieur t]Bu L2 dans EtCN. Les synthèses issues de pTolS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 8]S-pTol permettent l’obtention de CPs 2D [Cu[indice inférieur 8]I[indice inférieur 8]{pTolS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 8]S-pTol}[indice inférieur 3] (solvant) [indice inférieur 2]] [indice inférieur n] (1•MeCN et 1•EtCN) contenant des nœuds de connexion de type Cu[indice inférieur 8]I[indice inférieur 8]. Par opposition, l’utilisation du ligand p-[indice supérieur t]BuC[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]S(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 8]SC[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]-p-[indice supérieur t]Bu dans EtCN entraine la formation d’un CP 1D [Cu[indice inférieur 4]I[indice inférieur 4]{p-[indice supérieur t]BuC[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]S(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 8]SC[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]-p-[indice supérieur t]Bu}[indice inférieur 2] (EtCN) [indice inférieur 2]] [indice inférieur n] incorporant les SBUs de type cubane fermé. Les CPs 2D 1•MeCN et 1•EtCN, contrairement à 2•EtCN, présentent l’habilité de pouvoir perdre le solvant initialement incorporé dans leur structure sous vide et de le readsorber ou d’adsorber un autre solvant, chose qui peut être suivie à l’aide de la variation de la luminescence, la stabilité thermique, ou encore par diffraction des rayons X sur poudre. La septième section, i.e. le chapitre 8 traite des réactions, une fois encore, entre un ligand dithioéther, contenant un pont flexible butane (EtS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 4]SEt) et les sels CuX (X = I, Br). Dans ce cas, il se forme avec le CuI un CP luminescent 2D [Cu[indice inférieur 4]I[indice inférieur 4]{[mu]-EtS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 4]SEt}[indice inférieur 2]] [indice inférieur n], alors qu’il génère avec CuBr, le CP 3D [(Cu[indice inférieur 2]Br[indice inférieur 2]){[mu]-EtS(CH[indice inférieur 2]) [indice inférieur 4]SEt}][indice inférieur n] faiblement luminescent, construit sur des couches en parallèle pontées par les soufres doublement n-donneurs. Il est intéressant de remarquer qu’une migration de l’énergie d’excitation se produit dans le CP 3D (dérivé bromé) contrairement au CP 2D (dérivé iodé) sous excitation de haute intensité. Très peu d’exemples présentent ce type de processus parmi tous les CPs ( < 10). Pour conclure, les réactions entre les sels CuX (X = Cl, Br, I) avec des ligands thioéthers de types différents (mono-, di-thio, rigide ou flexible) peuvent offrir des matériaux de structures variables (CP 0D, 1D, 2D, 3D avec et sans cavités) présentant leurs propres spécificités (luminescence, stabilité thermique, adsorption de gaz, solvatochromisme, etc.). Le résultat le plus important à noter, en comparaison avec la littérature est, qu’il est très difficile, voire impossible, de pouvoir prédire la dimensionnalité, la structure et les propriétés dont résultera la coordination des ligands thioéthers sur des sels de CuX (X = Cl, Br, I). Par conséquent, de nombreuses combinaisons et études restent encore à être menées pour mieux comprendre ces matériaux et trouver la, ou les meilleures combinaisons possibles pour concevoir des MOFs luminescents à partir de CuX.

This thesis presents the synthesis, properties, and applications of two important classes of metal-organic frameworks (MOFs); lanthanide MOFs and hierarchical porous zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs). The materials have been characterized using a wide range of techniques including diffraction, imaging, various spectroscopic techniques, gas sorption, dynamical light scattering (DLS) and thermogravimetric analysis (TGA). In Chapter 1, the unique features of MOFs and ZIFs as well as their potential applications are summarized. In Chapter 2, different characterization techniques are presented. Chapter 3 describes a family of new isoreticular lanthanide MOFs synthesized using tri-topic linkers of different sizes, H3L1-H3L4, denoted SUMOF-7I-IV (Ln) (SU; Stockholm University, Ln = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu and Gd, Paper I). The SUMOF-7I-III (Ln) contain permanent pores and exhibit exceptionally high thermal and chemical stability. The luminescence properties of SUMOF-7IIs are reported (Paper II). The influences of Ln ions and the tri-topic linkers as well as solvent molecules on the luminescence properties are investigated. Furthermore, the potential of SUMOF-7II (La) for selective sensing of Fe (III) ions and the amino acid tryptophan is demonstrated (Paper III).  Chapter 4 presents a simple, fast and scalable approach for the synthesis of hierarchical porous zeolitic imidazolate framework ZIF-8 and ZIF-67 using triethylamine (TEA)-assisted approach (Paper IV). Organic dye molecules and proteins are encapsulated directly into the ZIFs using the one-pot method. The photophysical properties of the dyes are improved through the encapsulation into ZIF-8 nanoparticles (Paper IV). The porosity and surface area of the ZIF materials can be tuned using the different amounts of dye or TEA. To further simplify the synthesis of hierarchical porous ZIF-8, a template-free approach is presented using sodium hydroxide, which at low concentrations induces the formation of zinc hydroxide nitrate nanosheets that serve as in situ sacrificial templates (Chapter 5, Paper V). A 2D leaf-like ZIF (ZIF-L) is also obtained using the method. The hierarchical porous ZIF-8 and ZIF-L show good performance for CO2 sorption. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 2: Manuscript. Paper 5: Manuscript.</p>

This work explores the use of computational methods to aid in the design of Metal Organic Frameworks (MOFs) for use as CO2 scrubbers in carbon capture and storage applications. One of the main challenges in this field is in identifying important MOF design characteristics which optimize the complex interactions governing surface adsorption. We approach this in a high-throughput manner, determining properties important to CO2 adsorption from generating and sampling a large materials search space. The utilization of MOFs as potential carbon scrubbing agents is a recent phenomenon, as such, many of the computational tools necessary to perform high-throughput screening of MOFs and subsequent analysis are either underdeveloped or non-existent. A large portion of this work therefore involved the development of novel tools designed specifically for this task. The chapters in this work are contiguous with the goal of designing MOFs for CO¬2 capture, and somewhat chronological in order and complexity, meaning as time and expertise progressed, more advanced tools were developed and utilized for the purposes of computational MOF discovery. Initial work towards MOF design involved the detailed analysis of two experimental structures; CALF-15 and CALF-16 using classical molecular dynamics, grand canonical Monte Carlo simulations, and DFT to determine the structural features which promote CO2 adsorption. An unprecedented level of agreement was found between theory and experiment, as we are able to capture, with simulation, the X-ray resolved binding sites of CO2 in the confined pores of CALF-15. Molecular simulation was then used to provide a detailed breakdown of the energy contributions from nearby functional groups in both CALF-15 and CALF-16. A large database of hypothetical MOF structures is constructed for the purposes of screening for CO2 adsorption. The database contains 1.3 million hypothetical structures, generated with an algorithm which snaps together rigid molecular building blocks extracted from existing MOF crystal structures. The algorithm for constructing the hypothetical MOFs and the building blocks themselves were all developed in-house to form the resulting database. The topological, chemical, and physical features of these MOFs are compared to recently developed materials databases to demonstrate the larger structural and chemical space sampled by our database. In order to rapidly and accurately describe the electrostatic interactions of CO2 in the hypothetical database of MOFs, parameters were developed for use with the charge equilibration method. This method assigns partial charges on the framework atoms based on a set of parameters assigned to each atom type. An evolutionary algorithm was used to optimize the charge equilibration parameters on a set of 543 hypothetical MOFs such that the partial charges generated would reproduce each MOFs DFT-derived electrostatic potential. Validation of these parameters was performed by comparing the CO2 adsorption from the charge equilibration method vs DFT-derived charges on a separate set of 693 MOFs. Our parameter set were found to reproduce DFT-derived CO2 adsorption extremely well using only a fraction of the time, making this method ideal for rapid and accurate high-throughput MOF screening. A database of 325,000 MOFs was then screened for CO2 capture and storage applications. From this study we identify important binding pockets for CO2 in MOFs using a binding site analysis tool. This tool uses a pattern recognition method to compare the 3-D configurations of thousands of pore structures surrounding strong CO2 adsorption sites, and present common features found amongst them. For the purposes of developing larger databases which sample a more diverse materials space, a novel MOF construction tool is devloped which builds MOFs based on abstract graphs. The graph theoretical foundations of this method are discussed and several examples of MOF construction are presented to demonstrate its use. Notably, not only can it build existing MOFs with complicated geometries, but it can sample a wide range of unique structures not yet discovered by experimental means.

Reducing anthropogenic carbon dioxide emissions from coal-fired power plants is an important step in mitigating climate change. To implement carbon dioxide capture technologies, materials capable of removing carbon dioxide efficiently are required. Currently, liquid amine technology is used for carbon dioxide capture. However, the mechanism for carbon dioxide removal in liquid amine requires extraordinary amounts of energy input. Alternatively, solid sorbents such as metal-organic frameworks (MOFs) show promising potentials as a type of material for carbon dioxide capture. Due their varying structural properties, MOFs can be configured for specific purposes. Certain MOFs carry a net charge on their frameworks, which may allow for increased interactions with carbon dioxide molecules. In this work, charged MOFs were studied for their potential in carbon dioxide capture. Due to the massive number of MOFs available, computational methods were employed for the study. This project includes three major components: (1) the development of novel computational methods to simulate the gas adsorption properties in charged materials, (2) a diverse database of 47,244 hypothetical charged MOFs was constructed to represent the capabilities of charged MOFs, and (3) screening of high performing charged MOFs for carbon capture application by combining the previous two portions of the project. The methods developed in this work include fitting intermolecular interaction parameters to quantum mechanical calculations in periodic systems with net charges. No methods have been reported in literature for such parameter fittings, even in well studied materials such as zeolites. Therefore, the gas adsorption estimation method for charged materials developed in this work is proprietary. Also, databases of hypothetical MOFs with framework net charges have never been reported previously in literature. By screening the charged MOFs in the database with the methods developed, gas adsorption capabilities were evaluated. The adsorption properties of a neutral group of hypothetical MOFs were also obtained for a baseline comparison. Between the two groups of MOFs, charged MOFs were found to outperform neutral MOFs in three key aspects. Firstly, charged MOFs were able to adsorb an average of three times as much carbon dioxide than the neutral group. Secondly, charged MOFs were capable of removing twice the amount of carbon dioxide per adsorption/desorption cycle than the neutral MOFs. Lastly, charged MOFs were able to selectively adsorb much more carbon dioxide over other gasses present in the carbon dioxide capture situations. Specific structural features that resulted in the selectiveness of adsorption in charged MOFs were identified. Also, positive correlations were found between the adsorption of carbon dioxide and the charge present in the MOFs. As seen in the results, charges present in MOFs can greatly increase their ability to remove carbon dioxide. Charged MOFs in the hypothetical database not only outperformed neutral MOFs, certain top performers were also found to exceed the requirements for post-combustion carbon capture application. Therefore, charged MOFs were shown to be a possible material for future carbon dioxide capture. The proprietary methods developed in this work can not only be used to simulate gas adsorptions in charged MOFs, but also for other porous materials, regardless of net charges presented in their systems. Also, the database constructed in this work can be utilized in multiple ways. Aside from carbon dioxide capture capabilities, the charged MOFs in the database can be screened for other gas separations and catalysis via high throughput screening. The database and the computational methods developed in this work pave the way for discovering the capabilities of charged materials.

The crystal growth of nanoporous materials is different from most other classes of material in that their framework architectures contain periodic arrangement of pores or voids in which there is no direct bonding between adjacent units of the framework. This poses a variety of questions as to how such parts of framework develop during the crystallization process, atomistically and energetically. Here we use the nanoporous metal-organic framework, ZIF-8 as a prototypical material to obtain a basic understanding of the growth of a nanoporous material. The crystals of ZIF-8 produced in the N,N-dimethylformamide solvent [ZIF-8(DMF)] and methanol-co-N,N-dimethylformamide solvent [ZIF-8(MeOH)] are both rhombic dodecahedron in shape with a much smaller crystal size in the latter. In the study of the kinetics of ZIF-8(DMF) crystallization, we get a good agreement in the values of activation energies using both Avrami-Erofe’ev-Hancock-Sharp and Gualtieri’s models, i.e. about 120 kJ mol-1 for nucleation, and 95 kJ mol-1 for crystal growth process. The study of kinetics of ZIF-8 surface growth, by in situ AFM, with ZIF-8(DMF) as seed crystal that are grown in the methanolic growth solution we see faster rate in the <100> directions than the <110> directions, with the most probable activation energy of about 80 kJ mol-1 in both directions. This is the first example of in situ AFM being used to obtain activation energy for a surface growth in MOF. We also reveal here that growth process of ZIF-8 occurs through the nucleation and spreading of successive metastable unenclosed sub-steps to eventually form stable terrace steps of the enclosed framework structure in which this process is reliant on the presence of nonframework species to connect the framework species that have voids between them. The experiments also enable identification of some of the fundamental units in the growth process and the stable crystal surface plane. Further, the spreading of terraces at high supersaturation condition (early state) is fairly isotropic as is seen through the formation of almost-rounded terraces on the surface of ZIF-8. The growth direction becomes clear as the supersaturation condition nears to equilibrium (later stage) by the formation of rhombohedral terraces with pointy ends growing along the <100>, and <110> directions and straight edges growing perpendicular to the <111> direction. Formation of this rhombohedral morphology is explained by a coarse grain approach similar to that used in the Kossel model by making assumptions that the sodalite cage is the growth unit and attachment of one sodalite cage in each growth direction is the rate determining step for the formation of a new row of sodalite cages in each direction. Finally, based on the profiles of growth spirals formed from screw dislocations on the ZIF-8 surface obtained from the ex situ AFM images and ICE theory, plausible screw dislocations with Burgers’ vector of 1/2 <111> and <100>, but not <110>, are deduced. Some of the findings in this work will be applicable to numerous nanoporous materials, and the work in general will support efforts to synthesize and design new framework materials and to control the crystal properties of these materials.

The metal-organic material (MOFs) are considered promising as catalysts in the gas storage and processing and, more recently, as a stationary phases for pre-concentration of analytes on the basis of some properties such as the ability to incorporate a variety of chemical species, thermal stability, surface area and pore volume adjustable. In this study, the MOFs were synthesized according to the hydrothermal synthesis method for 72 hours at a temperature of 180°C. The MOFs heteronuclear of Nd3+ ions containing with 10%, 50% and 90% of Eu3+ ions with the organic ligand pyridine-2,6-dicarboxylic acid (H2DPA) was characterized by elemental analysis, infrared spectroscopy, thermal analysis, calorimetric analysis, spectroscopy luminescence, X-ray crystallography, scanning electron microscopy and N2 adsorption-desorption. Analyses indicated that there was formation of new MOFs whose structural formula suggested by the data of elemental analysis and X-ray crystallography was [(Nd1-xEux)2(DPA)3(H2O)3].H2O (x = 0,1; 0,5 and 0,9). The infrared spectroscopy collaborated with the indication that there was coordination of the metal with the ligand H2DPA because the displacement of the bands observed in the ligand MOFs spectra. The luminescence study showed transitions characteristics of Eu3+ ions and Nd3+ ions in the visible region and infrared, respectively, and the system power transfer mechanisms. According to the N2 adsorption-desorption data the MOFs formed a three-dimensional microporous structure and data channels X-ray crystallography indicated that the crystallization occurred in the monoclinic system with space group P21/c. The MOFs were tested as sorbent in the extraction of pesticides in chicken eggs matrix quantified by gas chromatography-mass spectroscopy (GC-MS) and soursop matrix quantified by high performance liquid chromatography (HPLC) method described by Navickiene, enabling satisfactory recoveries compared to the commercial adsorbent Florisil®. / Os materiais metal-orgânicos (MOFs) são considerados promissores como catalisadores, na estocagem e processamento de gás, e, recentemente, como fase estacionária para pré-concentração de analitos em função de algumas propriedades como: capacidade de incorporar uma variedade de espécies químicas, estabilidade térmica, área superficial e volume de poros ajustáveis. Neste trabalho, MOFs foram sintetizados segundo o método de síntese hidrotermal durante 72 horas em uma temperatura de 180°C. Os MOFs heteronucleares de íons Nd3+ contendo 10%, 50% e 90% de íons Eu3+ tendo como ligante orgânico o ácido piridina-2,6-dicarboxílico (H2DPA) foram caracterizados por análise elementar, espectroscopia de infravermelho, análise térmica, análise calorimétrica, espectroscopia de luminescência, cristalografia de raios-X, microscopia eletrônica de varredura e adsorção-dessorção de nitrogênio. As análises indicaram que houve a formação de novos MOFs, cuja fórmula estrutural sugerida pelos dados da análise elementar e cristalografia de raios-X foi [(Nd1-xEux)2(DPA)3(H2O)3].H2O (x = 0,1; 0,5 e 0,9). A espectroscopia do infravermelho colaborou com a indicação de que houve coordenação dos metais com o ligante H2DPA devido ao deslocamento observado das bandas do ligante nos espectros dos MOFs. O estudo de luminescência mostrou as transições características dos íons Eu3+ e Nd3+ na região do visível e infravermelho, respectivamente bem como os mecanismos de transferência de energia do sistema. De acordo com os dados de adsorção-dessorção de N2 os MOFs formaram uma estrutura tridimensional com canais microporosos e os dados de cristalografia de raios-X indicaram que a cristalização ocorreu em sistema monoclínico com grupo espacial P21/c. Os MOFs foram testados como sorvente na extração de pesticidas na matriz de ovos de galinha quantificado por cromatografia gasosa acoplada a espectroscopia de massas (CG-MS) e na matriz de graviola quantificado por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE) método descrito por Navickiene, possibilitando recuperações satisfatórias quando comparados ao adsorvente comercial Florisil®.

[EN] This thesis summarizes our efforts to contribute to the development of novel heterogeneous catalysts based on Metal-Organic Framework compounds (MOFs) with a remarkable high thermal and chemical resistance; namely MIL-101 and UiO-66 type compounds. Special emphasis has been placed in the simultaneous introduction of two different active sites, either accidentally or intentionally through linker functionalization or post-synthesis encapsulation. This strategy could lead to multifunctional catalysts that can act together synergistically in a dual activation mechanism or can catalyze two (or more) consecutive reactions in a cascade process. Accordingly, the results presented are organized into two blocks, depending on the number of reaction steps catalyzed by the MOF compound: One step reactions and Multistep reaction processes. Throughout this study, we have duly evaluated the true potential of the MOF with respect to other existing homogeneous and heterogeneous catalysts, and we have also assessed the stability and reusability of the material, which are two of the major objections raised when catalytic applications of MOFs are considered. In the first block of results, the catalytic activity of various MOFs containing inorganic building blocks based on either Zn2+ (MOF-5 and IRMOF-3) or Zr4+ ions (UiO-66 type compounds) is evaluated for single step reactions. In particular, Chapter 1 describes the use of Zn2+ MOFs as catalysts for the Knoevenagel condensation of benzaldehyde and ethyl cyanoacetate. The possible role of defects associated to either partial hydrolysis of the network or inclusion of ZnO particles during the MOF crystallization, have been considered to reevaluate previous existing reports and to explain the (somewhat unexpected) activity of MOF-5 for this reaction. To complete this block of results, we have assessed the performance of MOFs containing Zr oxoclusters as catalysts for the esterification of biomass derived carboxylic compounds: free fatty acids (Chapter 2) and levulinic acid (Chapter 3). Again, the role of lattice defects, associated to linker deficiencies, together with eventual dual activation mechanisms of the carboxylic compound and the alcohol, are considered to explain the observed trends in the catalytic activities of the compounds. In Chapter 4, we describe the preparation of a bifunctional catalyst based on Pd nanoparticles encapsulated inside the mesoporous cages of MIL-101, and its use as catalyst for the one-pot conversion of citronellal into menthol. This transformation consists in a two step process in which the Cr3+ of the MOF first catalyze citronellal isomerization to isopulegol, followed by the hydrogenation of the terminal C=C bond with H2 catalyzed by the encapsulated Pd nanoparticles. Finally, the use of bifunctional metal/acid catalysts for multistep reactions has been further explored in Chapter 5. To the previous Pd compound, we added new bifunctional MOFs, containing either encapsulated Pt nanoparticles or isolated Pd or Pt complexes attached to the organic linkers of the MOF. We discuss the use of these compounds, and the relevance of the acid properties of the material introduced by the Cr3+ nodes, for the one-pot sequential reduction of nitroarenes and reductive amination of carbonyl compounds. This preparative two-steps reaction has been exploited to synthesize various secondary arylamines, while suitable intramolecular variants have been successfully used to prepare N-containing heterocycles: quinolines, pyrrols, and 3-arylpyrrolidines. / [ES] Esta tesis doctoral resume nuestros esfuerzos por contribuir al desarrollo de nuevos catalizadores heterogéneos basados en compuestos Metal-Orgánicos (MOFs) con una notable resistencia térmica y química; es decir, MIL-101 y UiO-66. Hemos puesto un especial énfasis en la introducción simultánea de dos centros activos distintos, ya sea accidentalmente o intencionadamente mediante funcionalización de los ligandos orgánicos del MOF o por encapsulación. Esta estrategia puede dar lugar a catalizadores multifuncionales capaces de actuar sinérgicamente a través de mecanismos de activación dual, o de catalizar dos (o más) reacciones consecutivas en un proceso en cascada. En consecuencia, los resultados presentados se organizan en dos bloques, atendiendo al número de etapas catalizadas por el MOF: reacciones en una sola etapa o reacciones multietapa. A lo largo de este estudio hemos evaluado apropiadamente el verdadero potencial del MOF como catalizador con respecto a otros catalizadores homogéneos y heterogéneos existentes, así como su estabilidad y reusabilidad, ya que se trata de las dos objeciones más importantes que se plantean al considerar el uso de los MOFs para aplicaciones catalíticas. En el primer bloque de resultados se ha evaluado la actividad catalítica de varios MOF con subunidades inorgánicas basadas en iones Zn2+ (MOF-5 e IRMOF-3) o Zr4+ (compuestos tipo UiO-66) para reacciones en una sola etapa. En particular, el Capítulo 1 describe el uso de MOFs de Zn2+ como catalizadores para la reacción de condensación de Knoevenagel entre el benzaldehído y el cianoacetato de etilo. Se ha tenido en cuenta el posible papel de los defectos asociados a la hidrólisis parcial de la red o a la inclusión de partículas de ZnO durante la síntesis del MOF, lo que nos ha permitido reexaminar los resultados previamente publicados en la literatura y explicar la (algo inesperada) actividad catalítica del MOF-5 para esta reacción. Para completar este bloque de resultados, hemos evaluado el comportamiento catalítico de MOFs con oxoagregados de Zr como catalizadores para la esterificación de compuestos carboxílicos derivados de la biomasa: ácidos grasos libres (Capítulo 2) y ácido levulínico (Capítulo 3). De nuevo, hemos considerado el papel de los defectos de red, asociados a deficiencia de ligando, junto con la eventual existencia de mecanismos de activación dual del ácido carboxílico y del alcohol, para explicar las tendencias observadas en la actividad catalítica de los compuestos estudiados. En el Capítulo 4 describimos la preparación de un catalizador bifuncional basado en nanopartículas de Pd en el interior de los poros del MIL-101, así como el uso de este material como catalizador para la conversión en un solo recipiente de reacción (one-pot) de citronelal en mentol. Esta transformación consiste en un proceso en dos etapas en el que los iones Cr3+ del MOF catalizan en primer lugar la isomerización de citronelal a isopulegol, seguida de la hidrogenación de los enlaces C=C terminales con H2 catalizada por las nanopartículas de Pd. Finalmente, en el Capítulo 5 hemos profundizado en el uso de catalizadores bifuncionales metal/ácido para reacciones multietapa. Al material de Pd antes descrito, añadimos otros MOFs bifuncionales conteniendo nanopartículas de Pt o complejos metálicos mononucleares de Pd o Pt unidos a los ligandos orgánicos del MOF. En este capítulo discutimos el uso de estos compuestos, y la relevancia de las propiedades ácidas del material introducidas por los nodos de Cr3+, para la reducción secuencial de compuestos nitroarénicos y la aminación reductiva de compuestos carbonílicos en one-pot. Esta reacción en dos pasos se ha usado para sintetizar varias arilaminas secundarias, mientras que el uso de variantes intramoleculares de esta reacción nos ha permitido preparar compuestos N-heterocíclicos: quinolinas, pirroles y 3-arilpirrolidinas. / [CAT] Aquesta tesi doctoral resumeix els nostres esforços per contribuir al desenvolupament de nous catalitzadors heterogenis basats en compostos Metall-Orgànics (MOFs) amb una notable resistència tèrmica i química; és a dir, MIL-101 i UiO-66. Hem dedicat un especial èmfasi en la introducció simultània de dos centres actius diferents, ja sigui de forma accidental o intencionada mitjançant la funcionalització dels lligands orgànics del MOF o per encapsulament. Aquesta estratègia pot donar lloc a catalitzadors multifuncionals capaços d'actuar sinèrgicament a través de mecanismes d'activació dual, o de catalitzar dues (o més) reaccions consecutives en un procés en cascada. D'acord amb això, els resultats presentats s'organitzen en dos blocs, tenint en compte el nombre d'etapes catalitzades pel MOF: reaccions en una sola etapa o reaccions multietapa. Al llarg d'aquest estudi hem avaluat degudament el vertader potencial del MOF com a catalitzador respecte a altres catalitzadors homogenis i heterogenis existents, així com la seva estabilitat i reusabilitat, ja que aquestes són dues de les objeccions més importants que es plantegen quan es considera l'ús dels MOFs per a aplicacions catalítiques. En el primer bloc de resultats s'ha avaluat l'activitat catalítica de varis MOFs amb subunitats inorgàniques basades en ions Zn2+ (MOF-5 i IRMOF-3) o Zr4+ (composts tipus UiO-66) per a reaccions en una sola etapa. En particular, el Capítol 1 descriu l'ús de MOFs de Zn2+ com a catalitzadors per a la reacció de condensació de Knoevenagel entre el benzaldehid i el cianoacetat d'etil. S'ha tingut en compte el possible paper dels defectes associats a la hidròlisi parcial de la xarxa o a la inclusió de partícules de ZnO durant la síntesi del MOF, el que ens ha permès reexaminar els resultats previs publicats en la literatura i explicar la (un poc inesperada) activitat catalítica del MOF-5 per a aquesta reacció. Per completar aquest bloc de resultats, hem avaluat el comportament catalític de MOFs amb oxoagregats de Zr com a catalitzadors per a l'esterificació de composts carboxílics derivats de la biomassa: Àcids grassos lliure (Capítol 2) i àcid levulínic (Capítol 3). Novament, hem considerat el paper dels defectes de xarxa, associats a deficiències de lligand orgànic, junt amb l'eventual existència de mecanismes d'activació dual de l'àcid carboxílic i de l'alcohol, per poder explicar les tendències observades en l'activitat catalítica dels composts estudiats. En el Capítol 4 descrivim la preparació d'un catalitzador bifuncional basat en nanopartícules de Pd encapsulades a l'interior de les cavitats mesoporoses del MIL-101, així com l'ús d'aquest material com a catalitzador per a la conversió en un sol recipient de reacció (one-pot) de citronelal a mentol. Aquest transformació consisteix en un procés en dues etapes en el que els ions Cr3+ del MOF catalitzen en primer lloc la isomerització de citronelal a isopulegol, seguida de la hidrogenació dels enllaços C=C terminals amb H2 catalitzada per les nanopartícules de Pd. Finalment, al Capítol 5 hem aprofundit en l'ús de catalitzadors bifuncionals metall/àcid per a reaccions multietapa. Al material de Pd descrit abans, hem afegit altres MOFs bifuncionals que contenen nanopartícules de Pt encapsulades o complexes metàl¿lics mononuclears de Pd ò Pt units als lligands orgànics del MOF. En aquest capítol discutim l'ús d'aquests composts, i la rellevància de les propietats àcides del material introduïdes pels nodes de Cr3+, per a la reducció seqüencial de composts nitroarènics y la aminació reductiva de composts carbonílics en one-pot. Aquesta reacció en dos passos s'ha emprat per a sintetitzar varies arilamines secundàries, mentre que l'ús de variants intramoleculars d'aquesta reacció ens ha permès preparar composts N-heterocíclics: quinolines, pirrols i 3-arilpirrolidines. / García Cirujano, FC. (2016). Desarrollo de materiales Metal-Orgánicos (MOFs) como catalizadores heterogéneos para reacciones en una o varias etapas [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/64071 / TESIS

Cuando un cromóforo absorbe un fotón de energía adecuada, éste puede generar estados excitados singletes y éstos se pueden relajar dando otro estado excitado de menor energía, primer estado excitado singlete (S1). Ésta último puede relajarse alcanzando otro estado excitado como son el estado electrónico triplete (T0). Ambos estados electrónicos excitados, S1 y T0 pueden sufrir relajación al estado fundamental, mediante un proceso emisivo o no emisivo (fluorescencia y fosforescencia). Los estados excitados electrónicos son más susceptibles de sufrir oxidación o reducción en presencia de agentes dadores (D) o aceptores (A) que los estados fundamentales. La transferencia electrónica fotoinducida puede originarse tanto desde el estado electrónico excitado singlete S1, como del triplete T0, siempre que la energía de estos sea superior a la energía de las especies resultantes. Este proceso de transferencia electrónica fotoinducida, da lugar a un estado de separación de cargas (So-/Do+ o So+/Ao-). Desde los años ochenta, los procesos de transferencia electrónica fotoinducida han sido objeto de un intenso estudio, resultado del cual han surgido algunas aplicaciones de interés comercial, merecen una especial mención las celdas fotovoltaicas, fotocromismo y electroluminiscencia. Basándonos en estos principios, la presente tesis doctoral persigue la caracterización y la determinación del comportamiento de estados de separación de carga, mediante el empleo de técnicas fotofísicas y en especial de destello láser. Como se puede ver, los capítulos 3, 4 y 5 se centran en el estudio de estos estados de separación de carga en copolímeros derivados de fluoreno y unidades dadoras y aceptoras de electrones, para la determinación de los estados transitorios generados por absorción de un fotón, y en determinar si estos espectros transitorios corresponden o no a estados de separación de carga. También se estudia el comportamiento electrocrómico del copolímero PF4Ox. El capítulo 6 de la tesis estudian la transferencia electrónica fotoinducida en materiales sólidos con morfología de partícula esférica, que contiene viológeno y difenilantraceno como agentes aceptores y dadores de electrones, formando parte de la estructura o en el interior de los poros, donde la falta de difusión sirve para prolongar notablemente el tiempo de vida de ion radical resultante de la transferencia electrónica y establecer su potencial y utilidad en el desarrollo en celdas electroluminiscentes. El capítulo 7 estudia la generación fotocatalítica de hidrógeno con luz visible por irradiación de la pareja [Ru(bpy)2/3+-MV++ en presencia de cucurbit[n]uriles, estableciendo cuál de estas capsulas orgánicas influye favorablemente en la eficiencia global del proceso mediante la técnica de fotolisis de destello laser. Finalmente se estudia el comportamiento como semiconductor de los nuevos materiales reticulares metal orgánico, donde la absorción de un fotón puede conducir a una transferencia electrónica. / De Miguel De La Torre, M. (2012). Estudio de los fenómenos de transferencia electrónica fotoinducida en nuevos polifluorenos, sistemas conteniendo viológeno y materiales reticulares metal-orgánico [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/15578 / Palancia

Esta tesis doctoral resume nuestros esfuerzos por contribuir al desarrollo de nuevos catalizadores heterogéneos basados en compuestos Metal-Orgánico estructurados (MOFs). Para ello, y con el fin de cubrir un amplio espectro de posibilidades en el diseño de catalizadores basados en MOFs, se han considerado distintos materiales en los que los centros catalíticos se encuentran situados en los nodos metálicos, en los ligandos orgánicos o encapsulados en el interior del sistema poroso del material. En consecuencia, los resultados presentados se organizan en tres bloques, en función de dónde se localizan los centros activos dentro del material. A lo largo de este estudio se ha prestado especial interés en evaluar el verdadero potencial de los MOFs con respecto a otros catalizadores homogéneos y heterogéneos existentes, así como en determinar su estabilidad y reusabilidad, ya que se trata de las dos objeciones más importantes que se plantean al considerar el uso de los MOFs para aplicaciones catalíticas. En el primer bloque de resultados se ha evaluado la actividad catalítica de varios MOF con iones Cu2+ en los nodos metálicos en reacciones que pueden ser catalizadas por otros catalizadores homogéneos y heterogéneos que contienen este mismo tipo de centros. En particular, varios MOFs de cobre han demostrado ser catalizadores heterogéneos activos, selectivos, estables y reusables para la oxidación aeróbica de alquenos activados (Capítulo 1), acoplamiento oxidativo C-O por activación directa de enlaces C-H (Capítulo 2), síntesis regio-selectiva de triazoles por adición “click” de azidas a alquinos (Capítulo 3), así como para la síntesis de propargilaminas y derivados heterocíclicos mediante reacciones de acomplamiento de multicomponentes. (Capítulo 4). Para completar este bloque de resultados, en el capítulo 5 se evalúa el comportamiento de MOFs con oxo-agregados de Zr con propiedades semiconductoras como fotocatalizadores para la generación de H2 por disociación de agua . En el capítulo 6 se describe el desarrollo de un nuevo método de modificación post-síntesis que permite convertir los grupos amino libres en los ligandos de un MOF en especies quelante tipo oxamato, lo que nos permite introducir centros catalíticos metálicos adicionales directamente anclados a las paredes del MOF. El potencial de esta estrategia se demuestra a través de la introducción de iones Cu2+ y el estudio de la actividad catalítica de los materiales resultantes en reacciones típicas catalizadas por los nuevos centros, como las ya descritas en los Capítulos 3 y 4. Como último bloque de esta tesis, en el Capítulo 7 se describe la preparación de nanopartículas de Pd encapsuladas en el interior de MOFs de Zr (UiO-66 y UiO-67) mediante adsorción en fase gas de un precursor de Pd seguida de descomposición/reducción mediante irradiación con luz UV. La localización de las nanopartículas metálicas exclusivamente en el interior de las cavidades estructurales confiere al material propiedades de selectividad de forma, como demostramos para la reducción selectiva de compuestos carbonílicos con diferente impedimento estérico a los correspondientes alcoholes. / Luz Mínguez, I. (2014). Materiales metal orgánicos estructurados como catalizadores heterogéneos [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/48489 / TESIS

In this thesis a study is focused on the synthesis of organic compounds of interest in Fine Chemistry and biomass derivatives by design of more sustainable chemical processes and the use of heterogeneous catalysts with the optimal properties for each reaction. In the first approach, it has been carried out the synthesis of nitriles, compounds of great application in the chemical and pharmaceutical industry, by the dehydration of aldoximes in the presence of different heterogeneous catalysts with both acidic and basic properties. Catalytic studies showed that the best results in terms of nitrile yield and selectivity are obtained with catalysts having Lewis acid centers. Among them, the iron MOFs (MIL-100 (Fe) and Fe (BTC)) proved to be the most suitable catalysts for this reaction obtaining excellent yields and selectivity towards nitriles. By means of a post synthesis treatment with ammonium fluoride it was possible to increase the catalytic activity of MIL-100 (Fe) increasing its BET area and pore volume. Studies using IR spectroscopy and XPS analysis led to the conclusion that the catalytic activity of MIL-100 (Fe) is related to the Fe species of the crystalline lattice. It has been shown that MIL-100 (Fe) -NH4F is stable and reusable in several consecutive reaction cycles without loss of activity and has been successfully applied to the synthesis of a wide variety of nitriles. On the other hand, the synthesis of nitriles from aldoximes was carried out in the presence of several metal oxides, being cerium oxide the most active catalyst. The acid-base properties of the metal oxides were studied by the adsorption of probe molecules on their surface analyzed by IR spectroscopy. Thus, a relationship between the acid-base properties of the oxides with their catalytic activity was established, being the oxides with the strongest basic centers such as CeO2 and MgO the most active catalysts. Based on the IR studies of the aldoxime dehydration reaction on the surface of MgO and CeO2 in situ, a mechanism of reaction was proposed. Excellent yields were obtained for aromatic, aliphatic and cyclic nitriles using cerium oxide as the catalyst. In addition, CeO2 proved to be a stable and reusable catalyst being possible to be reused during four consecutive cycles without loss in its catalytic activity. The study was expanded to obtain different amides and esters with pharmacological properties from aldoximes by one-pot processes using the nanocrystalline cerium oxide as a catalyst. Finally, the work is focused on obtaining products derived from biomass, specifically on the synthesis of DFF and furylidenpropanenitrile derivatives with potential application as monomers. The DFF was obtained by carrying out the oxidation of 5-HMF in the presence of several MOFs as heterogeneous catalysts. It was shown that using the MIL-100 (Fe)-NH4F/TEMPO/NaNO2 as catalyst system for the oxidation of 5-HMF it is possible to obtain 100% yield and 100 % selectivity to DFF. In addition, this catalytic system was used for the oxidation of different primary and secondary alcohols obtaining good yields to the corresponding carbonyl compounds. Finally, in a second step the synthesis of furylidenepropanenitrile derivatives was carried out by Knoevenagel condensation between previously obtained DFF and active methylene compounds (malononitrile and ethyl cyanoacetate) obtaining excellent yields to the desired products. ¿ / En la presente tesis doctoral se ha llevado a cabo un estudio de la síntesis de compuestos orgánicos de interés en Química Fina y derivados de la biomasa, mediante el diseño de procesos químicos más sostenibles y el empleo de catalizadores heterogéneos con las propiedades optimas para cada reacción. Se ha llevado a cabo la síntesis de nitrilos, compuestos de gran aplicación en la industria química y farmacéutica, mediante la deshidratación de aldoximas en presencia de diferentes catalizadores heterogéneos, tanto ácidos como básicos. Los estudios catalíticos mostraron que los mejores resultados en cuanto al rendimiento y selectividad a nitrilo se obtienen con catalizadores que poseen centros ácidos de Lewis. Entre ellos, los MOFs de hierro (MIL-100 (Fe) y Fe (BTC)) resultaron ser los catalizadores más adecuados para esta reacción, obteniendo excelentes rendimientos y selectividades hacia los nitrilos. Mediante un tratamiento post síntesis con fluoruro amónico se consiguió aumentar la actividad catalítica del MIL-100 (Fe) debido a un incremento de su área BET y volumen de poro. Los estudios mediante la espectroscopia IR y el análisis XPS permitieron llegar a la conclusión que la actividad catalítica del MIL-100 (Fe) está relacionada con las especies de Fe de la red cristalina. Se ha mostrado que el MIL-100 (Fe)-NH4F es estable y reutilizable en varios ciclos de reacción consecutivos sin pérdida de actividad y se ha aplicado con éxito a la síntesis de una gran variedad de nitrilos. Por otro lado, la síntesis de nitrilos a partir de aldoximas se llevo a cabo en presencia de varios óxidos metálicos, siendo el óxido de cerio nanocristallino el catalizador más activo. Las propiedades ácido-base de los óxidos metálicos se estudiaron por espectroscopia IR, mediante la adsorción de moleculas sonda. Así, se estableció la relación entre las propiedades ácido-base de los óxidos con su actividad catalítica, siendo los óxidos con los centros básicos más fuertes como el CeO2 y MgO los más activos. A partir de los estudios de IR in situ de la reacción de deshidratación de aldoxima sobre la superficie del MgO y CeO2 se propuso que en el mecanismo de reacción intervienen tanto los centros ácidos de Lewis como los centros básicos. Con el óxido de cerio como catalizador se obtuvieron excelentes rendimientos a nitrilos tanto aromáticos, como alifáticos y cíclicos. Además, el CeO2 resultó ser un catalizador estable y reutilizable siendo posible su reutilización durante cuatro ciclos consecutivos sin perdida en su actividad catalítica. El estudio se amplió a la obtención diferentes amidas y ésteres con propiedades farmacológicas a partir de aldoximas mediante procesos multietapa utilizando el óxido de cerio nanocristalino como catalizador. Por último, el trabajo se centró en la obtención de productos derivados de la biomasa, concretamente en la síntesis de DFF y derivados de furilidenpropanonitrilo con potencial aplicación como monómeros. La síntesis de DFF se llevo a cabo mediante la oxidación de 5-HMF empleando varios MOFs como catalizadores heterogéneos. Se mostró que empleando el sistema catalítico MIL-100 (Fe)-NH4F/TEMPO/NaNO2 para la oxidación de 5-HMF es posible obtener un 100 % de rendimiento y un 100 % de selectividad a DFF. Además, este sistema catalítico se empleó para la oxidación de diferentes alcoholes primarios y segundarios obteniendo buenos rendimientos a los compuestos carbonílicos correspondientes. Finalmente, en una segunda etapa se llevo a cabo la síntesis de derivados de furilidenpropanonitrilo mediante la condensación de Knoevenagel entre DFF obtenido previamente y compuestos con grupos metileno activo (malononitrilo y cianoacetato de etilo) obteniendo excelentes rendimientos a los productos deseados. / En la present tesi doctoral s'ha dut a terme un estudi de la síntesi de compostos orgànics d'interés en Química Fina i derivats de la biomassa mitjançant del disseny de processos químics més sostenibles i l'ocupació dels catalitzadors heterogenis amb les propietats òptimes per a cada reacció. S'ha dut a terme la síntesi de nitrils, compostos de gran aplicació en la indústria química i farmacèutica, mitjançant la deshidratació d'aldoximes en presència de diferents catalitzadors heterogenis tant àcids com bàsics. Els estudis catalítics van mostrar que els millors resultats quant al rendiment i selectivitat cap a nitril s'obtenen amb catalitzadors que posseeixen els centres àcids de Lewis. Entre ells, els MOFs de ferro (MIL-100 (Fe) i Fe (BTC)) van resultar ser els catalitzadors més adequats per a esta reacció obtenint excel¿lents rendiments i selectivitats cap a nitrils. Mitjançant d'un tractament post síntesi amb fluorur amònic es va aconseguir augmentar l'activitat catalítica del MIL-100 (Fe) incrementant la seua àrea BET i volum de porus. Els estudis mitjançant de l'espectroscòpia IR i l'anàlisi XPS van permetre arribar a la conclusió que l'activitat catalítica del MIL-100 (Fe) està relacionada amb les espècies de Fe de la xarxa cristal¿lina. S'ha mostrat que el MIL-100 (Fe)-NH4F és estable i reutilitzable en diversos cicles de reacció consecutius sense pèrdua d'activitat i s'ha aplicat amb èxit a la síntesi d'una gran varietat de nitrils. D'altra banda, la síntesi de nitrils a partir d'aldoximes es duc a terme en presència de diversos òxids metàl¿lics sent l'òxid de ceri nanocristal¿lí el catalitzador més actiu. Les propietats àcid-base dels òxids metàl¿lics es van estudiar mitjançant de l'adsorció de molècules sonda sobre la superfície analitzada per espectroscòpia IR. Així, es va establir una relació entre les propietats àcid-base dels òxids amb la seua activitat catalítica, sent els òxids amb els centres bàsics més forts com el CeO2 i MgO els més actius. Basant-se en els estudis in situ de la reacció de deshidratació d'aldoxima sobre la superfície de MgO i CeO2 analitzats per espectroscòpia IR es va proposar un mecanisme de reacció. Amb òxid de ceri com a catalitzador es van obtindre excel¿lents rendiments a nitrils tant aromàtics, com alifàtics i cíclics. A més, el CeO2 va resultar ser un catalitzador estable i reutilitzable sent possible el seu reutilització durant quatre cicles consecutius sense perduda en la seua activitat catalítica. L'estudi es va ampliar a l'obtenció diferents amides i estores amb propietats farmacològiques a partir d'aldoximes mitjançant de processos multietapa utilitzant l'òxid de ceri nanocristal¿lí com a catalitzador. Finalment, el treball es va centrar en l'obtenció de productes derivats de la biomassa, concretament en la síntesi de DFF i derivats de furilidenpropanonitril amb potencial aplicació com monòmers. La síntesi de DFF es du a terme mitjançant d'oxidació de 5-HMF emprant diversos MOFs com a catalitzadors heterogenis. Es va mostrar que emprant el sistema catalític MIL-100 (Fe)-NH4F/TEMPO/NaNO2 per a l'oxidació de 5-HMF és possible obtindre un 100 % de rendiment i un 100 % de selectivitat a DFF. A més, aquest sistema catalític es va emprar per a l'oxidació de diferents alcohols primaris i secundaris obtenint bons rendiments als compostos carbonílics corresponents. Finalment, en una segona etapa es du a terme la síntesi de derivats de furilidenpropanonitril mitjançant de la condensació de Knoevenagel entre DFF obtingut prèviament i compostos metilens actius (malononitril i cianoacetat d'etil) obtenint excel¿lents rendiments als productes desitjats. / Rapeyko, A. (2017). Materiales Metalorgánicos estructurados (MOFs) y óxidos metálicos como catalizadores heterogéneos para la obtención de compuestos de química fina y valorización de biomasa [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90473 / TESIS