Engineering catalytic sites for oxidation and condensation reactions using metal-organic frameworks or graphene-based materials

Abstract

[ES] La presente tesis doctoral ha mostrado la posibilidad de diseñar sitios activos de MOFs y materiales basados en grafeno para ser utilizados como catalizadores con actividad mejorada para reacciones de oxidación y condensación. Específicamente, el desarrollo de una combinación de metales MIL-101(Cr,Fe) ha dado como resultado un catalizador con actividad catalítica mejorada para la reacción de Prins entre ß-pineno y formaldehído con respecto al MIL-101(Cr) o el inestable MIL-101(Fe) en las condiciones de reacción estudiadas. La presencia de iones Fe3+ en los nodos metálicos del MIL-101(Cr, Fe) aumenta la densidad y la fuerza de los sitios ácidos de Lewis del material, mientras que la presencia de Cr+3 en los nodos metálicos proporciona estabilidad al catalizador. Además, esta Tesis ha demostrado que la presencia de grupos NO2 en el ligando orgánico tereftalato de MIL-101(Cr) aumenta la densidad y la fuerza de los sitios ácidos de Lewis del material. Por lo tanto, MIL-101(Cr)-NO2 exhibe una actividad catalítica superior para la síntesis de bencimidazoles a partir de o-fenilendiaminas y derivados de benzaldehído, así como para la oxidación aeróbica del tiofenol y la desulfuración oxidativa aeróbica de dibenzotiofenos. Esta Tesis también ha demostrado que la selección de un agente reductor apropiado como la hidroquinona para la preparación de rGO a partir de GO aumenta la densidad de los sitios activos para promover las oxidaciones aeróbicas de tiofenol e indano.

[CA] La present Tesi doctoral ha mostrat la possibilitat de dissenyar llocs actius de MOFs i materials basats en grafè per ser utilitzats com a catalitzadors amb activitat millorada per a reaccions d'oxidació i condensació. Específicament, el desenvolupament d'una combinació de metalls MIL-101(Cr,Fe) ha donat com a resultat un catalitzador amb activitat catalítica millorada per a la reacció de Prins entre ß-pinè i formaldehíd pel que fa a MIL-101(Cr) o l'inestable MIL-101(Fe) en les condicions de reacció estudiades. La presència de ions Fe3+ en els nodes metàl·lics de MIL-101(Cr,Fe) augmenta la densitat i la força dels llocs àcids de Lewis del material, mentre que la presència de Cr3+ en els nodes metàl·lics proporciona estabilitat al catalitzador. A més a més, aquesta Tesi ha demostrat que la presència de grups NO2 al lligam orgànic tereftalat de MIL-101(Cr) augmenta la densitat i la força dels llocs àcids de Lewis del material. Per tant, MIL 101(Cr)-NO2 exhibeix una activitat catalítica superior per a la síntesis de bencimidazols a partir de o-fenilendiamines i derivats de benzaldehid, així com per a l'oxidació aeròbica del tiofenol i la desulfuració oxidativa aeròbica de dibenzotiofens. Aquesta Tesi també ha demostrat que la sel·lecció d'un agent reductor apropiat com la hidroquinona per a la preparació de rGO a partir de GO augmenta la densitat dels llocs actius per a promoure les oxidacions aeròbiques de tiofenol i indano.

[EN] The present doctoral thesis has shown the possibility of engineering the active sites of MOFs and graphene-based materials as catalysts with enhanced activity for oxidation and condensation reactions. Specifically, the development of a mixed-metal MIL-101(Cr, Fe) has resulted in a catalyst with enhanced catalytic activity for the Prins reaction between ß-pinene and formaldehyde with respect to the use of MIL-101(Cr) or the unstable MIL 101(Fe) under the studied reaction conditions. The presence of Fe3+ ions in the metal nodes of the MIL-101(Cr, Fe) increases the density and strength of the Lewis acid sites of the material and the presence of Cr3+ in the metal nodes provides catalyst stability. Furthermore, this thesis has demonstrated that the presence of NO2 groups in the terephthalate organic ligand of MIL 101(Cr) increases the density and strength of Lewis acid sites of the material. Thus, MIL-101(Cr)-NO2 exhibits a superior catalytic activity for the synthesis of benzimidazoles from o-phenylenediamines and benzaldehyde derivatives, as well as for the aerobic oxidation of thiophenol and the aerobic oxidative desulfuration of dibenzothiophenes. This thesis has also shown that the selection of an appropriate reducing agent (such as hydroquinone) for the preparation of rGO from GO increases the density of active sites and promotes the aerobic oxidations of thiophenol and indane.