Ligno-cellulosic biomass from agricultural and forest residues is an alternative to chemicals and fuels production, minimizing our dependence on fossil raw materials. However, nowadays the processes for the valorization of biomass are more expensive than the conventional petrochemical processes. For this reason, we think it is a major challenge for chemists to develop efficient catalytic routes to convert biomass and/or its derivatives into chemical products of industrial interest. In this doctoral thesis, solid catalysts based on different metals (i.e. Pd, Pt, and Ru) supported on metal oxides with different chemical and surface properties (i.e. Al2O3, ZrO2, MgO, etc.) were developed. These materials were applied to the study of catalytic processes, to carry out different transformations of biomass derived-compounds through cascade reactions, thus obtaining high added-value chemical products. The studied transformations of biomass derived-compounds included platform compounds derived from fractions with a high content of cellulose and hemi-cellulose (i.e. furfural and 2-methyl furan) as well as those derived from lignin-rich fractions. For the furfural hydrogenation process, it was determined that the supported Pt-based catalysts were highly selective to furfuryl alcohol independently the type of catalyst support. On the other hand, excellent yields to tetrahydro-furfuryl alcohol were obtained by using Ru/Al2O3 and Ru/ZrO2 catalysts. Best results were attained with the later catalyst, also showing great stability with re-uses, even in aqueous reaction media. Furthermore, it has been shown that the different polymorphs presented by the ZrO2 have an influence on the catalytic activity of these materials. For the reductive-etherification process of furfural with various alcohols (i.e. butanol, pentanol, etc.) through a cascade-type reactive process, catalysts based on Pd supported on different metal oxides were developed. The best results were reached with Pd/ZrO2 and Pd/TiO2, which were active and high selective for the synthesis of furfuryl ethers, compounds having application as fuel additives. Starting from another furanic-derivative (i.e. 2-methyl furan), it was developed a hydrolysis/condensation process using ionic exchange polymeric resin as a solid acid catalyst in combination with a green reagent/solvent system (2-MF/water-ethanol), which has advantages over previously reported processes that use mineral or organic acids. The products obtained through this process are interesting intermediates for the production of hydrocarbons in the range of diesel fuels. Finally, has been studied the catalytic transformation of phenolic compounds derived from lignin into an aqueous mixture, through the hydrogenation/hydrodeoxygenation process catalyzed by Pd, Pt and Ru based materials supported over different metal oxides. It has been demonstrated that the hydrodeoxygenation capacity of these materials shows to be dependent on the type of metal and the type of catalyst support. The Ru and Pd catalysts have reached the best yield for hydrodeoxygenation (HDO) products; additionally, those materials have shown activity for the upgrading of an organic fraction derived from lignin depolymerization process, with good yields to phenolic monomers and C6-C8 alcohols. Summarizing, the work here developed shows how through the study of different solid multifunctional catalysts, and working under suitable reaction conditions, catalytic processes can be developed to transform biomass-derived platform compounds into a series of chemical products with diverse and interesting applications. / La biomasa de tipo ligno-celulósica proveniente de residuos agrícolas y forestales se presenta como una alternativa para la producción de productos químicos y combustibles, reduciendo así nuestra dependencia de las materias primas de origen fósil. Sin embargo, actualmente los procesos para la valorización de la biomasa resultan más costosos que los procesos petroquímicos convencionales. Por ello pensamos que un importante desafío para los químicos es desarrollar rutas catalíticas eficientes para convertir la biomasa y/o sus derivados en productos de interés industrial. En esta tesis doctoral se desarrollaron catalizadores sólidos basados en distintos metales (i.e. Pd, Pt y Ru) soportados sobre óxidos metálicos (i.e. Al2O3, ZrO2, MgO, etc.) con variadas propiedades químicas y superficiales. Estos catalizadores han sido aplicados en el estudio de procesos catalíticos, para poder llevar a cabo distintas transformaciones de compuestos derivados de biomasa mediante reacciones en cascada, obteniendo productos químicos de alto valor añadido. Las valorizaciones de derivados de biomasa estudiadas comprendieron tanto compuestos plataforma derivados de fracciones ricas en celulosa y hemi-celulosa (i.e. furfural y 2-metilfurano) como de aquellos derivados de fracciones ricas en lignina. Para el proceso de hidrogenación de furfural se ha determinado que los catalizadores basados en Pt soportado resultaron altamente selectivos al alcohol furfurílico independientemente del tipo de soporte del catalizador. Por otro lado, se lograron excelentes rendimientos al alcohol tetrahidro-furfurílico al utilizar catalizadores del tipo Ru/Al2O3 y Ru/ZrO2. Con este último se alcanzaron los mejores resultados, mostrando gran estabilidad con los re-usos, incluso en medios de reacción acuosos. Además, se ha demostrado que la presencia de distintos polimorfos del ZrO2 influyen en la actividad catalítica de estos materiales. Para el proceso de eterificación-reductiva de furfural con diversos alcoholes (i.e. butanol, pentanol, etc.) mediante un proceso en cascada se han desarrollado catalizadores basados en Pd soportado sobre distintos óxidos metálicos. Los mejores resultados se obtuvieron para los catalizadores Pd/ZrO2 y Pd/TiO2 que resultaron activos y selectivos para la síntesis de éteres furfurílicos, compuestos con aplicación como aditivos de combustibles. Partiendo de otro derivado furánico (i.e. 2-metilfurano) se ha desarrollado un proceso de hidrólisis/condensación que utiliza un catalizador sólido ácido tipo resina polimérica de intercambio iónico en combinación con un sistema reactivo/disolvente benigno (2-MF/agua-etanol), el cual resulta ventajoso con respecto a los procesos hasta ahora conocidos que utilizan ácidos minerales u orgánicos. Los productos obtenidos mediante este proceso son interesantes intermedios para la producción de hidrocarburos en el rango de la fracción diésel. Por último, se ha estudiado la transformación catalítica de compuestos fenólicos derivados de la lignina en una mezcla acuosa a través del proceso de hidrogenación/hidrodesoxigenación catalizada por materiales basados en Pd, Pt y Ru soportados sobre distintos óxidos metálicos, demostrándose que la capacidad de hidrodesoxigenación de estos materiales resultó ser dependiente del tipo de metal y del tipo de soporte utilizado. Con catalizadores de Ru y Pd se alcanzaron los mejores rendimientos a productos de hidrodesoxigenación (HDO), resultando además activos para la mejora de una fracción de oligómeros derivados de la despolimerización de lignina, con buenos rendimientos a monómeros fenólicos y C6-C8 alcoholes. En definitiva, el trabajo aquí desarrollado muestra como a través del estudio de distintos catalizadores sólidos multifuncionales y bajo adecuadas condiciones de reacción, se pueden desarrollar procesos catalíticos para transformar compuestos plataforma derivados de la biomasa en una serie de produ / La biomassa del tipus ligno-cel·lulòsica provinent de residus agrícoles i forestals, es presenta com una alternativa a la producció de productes químics i/o combustibles; per tant, es redueix així la nostra dependència de les matèries primes d'origen fòssils. Actualment els processos de transformació de biomassa per a l'obtenció d'hidrocarburs i productes químics, resulten més costosos que els processos convencionals. Per això pensem que un important desafiament per als químics és intentar desenvolupar noves rutes catalítiques per a convertir la biomassa i els seus derivats en combustibles i productes químics a través de processos sostenibles i econòmicament viables. En aquesta tesi doctoral es van desenvolupar catalitzadors sòlids basats en diferents metalls (i.e. Pd, Pt i Ru) suportats sobre òxids metàl·lics (i.e. Al2O3, ZrO2, MgO, etc.) amb variades propietats químiques i superficials. Aquests catalitzadors han estat aplicats en l'estudi de processos catalítics, per poder dur a terme diferents transformacions de compostos derivats de biomassa mitjançant reaccions en cascada, obtenint productes químics d'alt valor afegit. Les valoracions de derivats de biomassa estudiades van comprendre tant compostos plataforma derivats de fraccions riques en cel·lulosa i hemi-cel·lulosa (i.e. furfural i 2-metilfura) com d'aquells derivats de fraccions riques en lignina. Per al procés d'hidrogenació de furfural s'ha determinat que els catalitzadors basats en Pt suportat van ser altament selectius a l'alcohol furfurílic independentment del tipus de suport del catalitzador. D'altra banda, s'aconsegueixen excel·lents rendiments a l'alcohol tetrahidro-furfurílic al utilitzar catalitzadors del tipus Ru/Al2O3 i Ru/ZrO2. Amb aquest últim es van assolir els millors resultats, mostrant gran estabilitat amb els re-usos, fins i tot en mitjans de reacció aquosos. A més, s'ha demostrat que la presència de diferents polimorfs del ZrO2 influeixen en l'activitat catalítica d'aquests materials. Per al procés d'eterificació-reductiva de furfural amb diversos alcohols (i.e. butanol, pentanol, etc.) mitjançant un procés en cascada s'han desenvolupat catalitzadors basats en Pd suportat sobre diferents òxids metàl·lics. Els millors resultats es van obtenir per als catalitzadors Pd/ZrO2 i Pd/TiO2 que van resultar actius i selectius per a la síntesi d'èters furfurílics, compostos amb aplicació com a additius de combustibles. Partint d'un altre derivat furànic (i.e. 2-metilfura) s'ha desenvolupat un procés d'hidròlisi / condensació que utilitza un catalitzador sòlid àcid tipus resina polimèrica d'intercanvi iònic en combinació amb un sistema reactiu / dissolvent benigne (2-MF / aigua-etanol) , el qual va ser avantatjós pel que fa als processos fins ara coneguts que utilitzen àcids minerals o orgànics. Els productes obtinguts mitjançant aquest procés són interessants intermedis per a la producció d'hidrocarburs en el rang de la fracció de dièsel. Finalment, s'ha estudiat la transformació catalítica de compostos fenòlics derivats de la lignina en una barreja aquosa durant el procés d'hidrogenació/hidrodesoxigenació catalitzada per materials basats en Pd, Pt i Ru suportats sobre diferents òxids metàl·lics, demostrant-se que la capacitat de hidrodesoxigenació d'aquests materials depèn del tipus de metall i del tipus de suport utilitzat. Amb catalitzadors de Ru i Pd es van aconseguir els millors rendiments a productes d'hidrodesoxigenació (HDO), resultant a més actius per a la millora d'una fracció de oligòmers derivats de la despolimerització de lignina, amb bons rendiments a monòmers fenòlics i alcohols de cadena C6-C8. En definitiva, el treball aquí desenvolupat mostra com a través de l'estudi de diferents catalitzadors sòlids multifuncionals i sota adequades condicions de reacció, es poden desenvolupar processos catalítics per transformar compostos plataforma derivats de la b / Chávez Sifontes, MH. (2017). Procesos Catalíticos Sostenibles para la Transformación de Derivados de Biomasa en Productos Químicos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90528

[ES] La presente tesis doctoral, se ha centrado principalmente en el diseño racional, síntesis, caracterización y evaluación catalítica de nanomateriales mono- y bimetálicos multifuncionales, con la estructura adecuada para promover de manera eficiente procesos de activación hidrogenativa de imidas cíclicas para obtener un gran número de lactamas, estructuras altamente interesantes en campos tan diversos como la industria farmacéutica o el desarrollo de polímeros. Por un lado, se ha desarrollado un nanomaterial bimetálico [AgRe/Al2O3], que ha mostrado una alta eficiencia, robustez y reusabilidad para promover la hidrodesoxigenación de imidas cíclicas. Mediante el uso de técnicas de vanguardia de caracterización de superficies sólidas se ha podido manifestar que la formación de una fase mixta AgReO4 no ha sido inocente para lograr las mejores propiedades catalíticas. La gran aplicabilidad del protocolo sintético se ha demostrado con la obtención de más de 60 compuestos de interés, partiendo de una gran variedad de imidas cíclicas (simétricas y asimétricas) promovida por el sistema [AgRe/Al2O3] y generándose agua como único subproducto de reacción. Por otro lado, se ha diseñado un sistema basado en nanopartículas de Ag con un tamaño medio de 2.2 nm dispersas sobre la matriz de gamma-Al2O3, y se ha demostrado su gran eficiencia para promover la monohidrogenación de ftalimidas a omega-hidroxilactamas. La evaluación de la influencia del grado de dispersión de los nanoagregados metálicos, las propiedades ácidas de Lewis junto con todos los resultados catalíticos obtenidos, han permitido proponer que la existencia de centros activos fruto de la combinación cooperativa entre especies de Ag metálica con habilidad para adsorber y disociar H2, y especies ácidas de Lewis de Al3+ encargadas de aumentar la electrofilia del enlace (C=O) de la imida, constituye el factor fundamental para alcanzar las mejores prestaciones catalíticas del sistema.. Bajo las condiciones de reacción optimizadas, se ha conseguido acceder a más de15 omega-hidroxilactamas distintas. Finalmente, se ha desarrollado con éxito un sistema sólido tipo composite [Ag(12.5%)/Al2O3]-[HBETA] estable y reusable, resultado de la combinación física del nanomaterial [Ag/Al2O3] y una zeolita protónica con topología BEA y relación molar (Si/Al = 10.5), que muestra una excelente eficiencia para promover la funcionalización hidrogenativa one-pot de uno de los grupos carbonilo de ftalimidas generando las correspondientes isoindolinonas C3-funcionalizadas con excelentes rendimientos. En presencia de hidrógeno molecular y agentes nucleófilos de diversa naturaleza, tales como alcoholes, aminas, nitrobencenos y sustratos aromáticos, se ha podido llevar a cabo hidrogenación parcial de uno de los carbonilos de una variedad de ftalimidas seguida de la formación selectiva de un nuevo enlace C-O, C-N o C-C conduciendo a la obtención de más de 30 derivados de isoindolinona funcionalizados en posición contigua al átomo de nitrógeno. Es muy destacable el empleo por primera vez, de nitrobencenos directamente como pronucleófilos en este tipo de procesos hidrogenativos. / [CA] La present tesi doctoral s'ha centrat principalment en el disseny racional, síntesi, caracterització i avaluació catalítica de nanomaterials mono- i bimetàl·lics multifuncionals, amb l'estructura adequada per promoure de manera eficient processos d'activació hidrogenativa d'imides cícliques per obtenir un gran nombre de lactames, estructures altament interessants per les propietats que presenen en camps tan diversos com la indústria farmacéutica i el desenvolupament de polímers. D'una banda, s'ha desenvolupat un nanomaterial bimetàl·lic [AgRe/Al2O3], que ha mostrat una elevada eficiència, robustesa i reutilitzabilitat per promoure la hidrodesoxigenació d'imides cícliques. Mitjançant l'ús de tècniques a l'avantguarda de la caracterització de superfícies sòlides, s'ha pogut manifestar com la formació d'una fase mixta AgReO4 no ha estat innocent per aconseguir les millors propietats catalítiques. La gran aplicabilitat del protocol sintètic s'ha demostrat amb l'obtenció de més de 60 compostos d'interès partint d'una gran varietat d'imides cíc·liques (simètriques i asimètriques) promoguda pel sistema [AgRe/Al2O3] i generant-se aigua com a únic subproducte de la reacció. D'altra banda, s'ha dissenyat un sistema basat en nanopartícules d'Ag amb una mida mitjana de 2.2 nm disperses sobre la matriu de gamma-Al2O3, i s'ha demostrat la seua gran eficiència per promoure la monohidrogenació de ftalimides a omega-hidroxilactames. L'avaluació de la influència del grau de dispersió dels nanoagregats metàl·lics, les propietats àcides de Lewis juntament amb tots els resultats catalítics obtinguts, han permès proposar que l'existència de centres actius com a combinació cooperativa entre espècies d'Ag metàl·lica amb habilitat per adsorbir i dissociar H2, i espècies àcides de Lewis d'Al3+ encarregades d'augmentar l'electrofília de l'enllaç (C=O) de la imida, constitueix el factor fonamental per aconseguir les millors prestacions catalítiques del sistema emprat. Sota les condicions de reacció optimitzades, s'ha aconseguit accedir a més de 15 omega-hidroxilactames diferents. Finalment, s'ha desenvolupat amb èxit un sistema sòlid tipus composite [Ag(12.5%)/Al2O3]-[HBETA] estable i reutilitzable, resultat de la combinació física del nanomaterial [Ag/Al2O3] i una zeolita protònica amb topologia BEA i relació molar (Si/Al = 10.5), que ha mostrat una excel·lent eficiència per promoure la funcionalització hidrogenativa one-pot d'un dels grups carbonil de la ftalimida generant les corresponents isoindolinones C3-funcionalitzades amb excel·lents rendiments. En presència d'hidrogen molecular i nucleòfils de diversa naturalesa, com ara alcohols, amines, nitrobenzens i substrats aromàtics, s'ha pogut dur a terme la hidrogenació parcial d'un dels carbonils d'una varietat de ftalimides seguida de la formació selectiva d'un nou enllaç C-O, C-N o C-C, conduint a l'obtenció de més de 30 derivats d'isoindolinona funcionalitzats en posició contigua a l'àtom de nitrogen. És molt destacable l'ús per primera vegada, de nitrobenzens directament com a pronucleòfils en aquest tipus de processos hidrogenatius. / [EN] The present doctoral thesis has primarily focused on the rational design, synthesis, characterization, and catalytic evaluation of multifunctional mono- and bimetallic nanomaterials, with the appropriate structure to efficiently promote hydrogenative activation processes of cyclic imides to obtain a large number of lactams, highly interesting structures in the development of new drugs and polimers. On the one hand, a bimetallic nanomaterial [AgRe/Al2O3] has been developed, which has shown high efficiency, robustness, and reusability to promote the hydrodeoxygenation of cyclic imides. By using advanced techniques for characterizing solid surfaces, it has been demonstrated that the formation of a mixed AgReO4 phase has been crucial in achieving the best catalytic properties. The wide applicability of the synthetic protocol has been shown with the production of more than 60 compounds of interest from a wide variety of cyclic imides (symmetric and asymmetric), promoted by the [AgRe/Al2O3] system and with water as the only byproduct of the reaction. On the other hand, a system based on Ag nanoparticles with an average size of 2.2 nm dispersed on the gamma-Al2O3 matrix has been designed, and its great efficiency in promoting the monohydrogenation of phthalimides to omega-hydroxylactams has been demonstrated. Evaluating the influence of the dispersion degree of the metal nanoaggregates, the Lewis acidic properties along with all the catalytic results obtained has allowed proposing that the existence of active centers resulting from the cooperative combination between metallic Ag species with the ability to adsorb and dissociate H2, and Lewis acidic Al3+ species responsible for increasing the electrophilicity of the imide (C=O) bond, constitutes the fundamental factor for achieving the best catalytic performance of the employed system. Under optimized reaction conditions, it has been possible to access more than 15 different omega-hydroxylactams. Finally, a stable and reusable composite solid [Ag(12.5%)/Al2O3]-[HBETA] system has been successfully developed, resulting from the physical combination of the nanomaterial [Ag/Al2O3] and a protonic zeolite with BEA topology and molar ratio (Si/Al = 10.5) as an additive. This material shows excellent efficiency in promoting the one-pot hydrogenative functionalization of one of the carbonyl groups of the phthalimide, generating the corresponding C3-functionalized isoindolinones with excellent yields. In the presence of molecular hydrogen and diverse nucleophilic agents, such as alcohols, amines, nitrobenzenes, and aromatic substrates, it has been possible to carry out partial hydrogenation of one of the carbonyls of a variety of phthalimides followed by the selective formation of a new C-O, C-N, or C-C bond leading to the production of more than 30 isoindolinone derivatives functionalized in the position adjacent to the nitrogen atom. Notably, nitrobenzenes have been used directly as pronucleophiles in this type of hydrogenative process for the first time. / El meu agraïment a les entitats que hi han finançat el desenvolupament d’esta tesi doctoral, com les subvencions a l’excel·lència científica de júniors investigadors (SEJI/2019/006 i SEJI/2020/013) i el programa Prometeo (PROMETEO/2021/077) de la Generalitat Valenciana. També al programa Retos I+D+I del Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats (PID2019-109656RA-I0/AEI/10.13039/501100011033) i al projecte Repsol / Lluna Galán, C. (2024). Diseño de materiales multifuncionales basados en Ag y/o Re para el desarrollo de metodologías hidrogenativas de imidas cíclicas para la obtención de lactamas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/210910