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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.46.2017.tde-30112016-104332
Document
Author
Full name
Marco Aurélio Suller Garcia
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2016
Supervisor
Committee
Rossi, Liane Marcia (President)
Assaf, José Mansur
Gomes, Pedro Miguel Vidinha
Marzorati, Liliana
Monteiro, Adriano Lisboa
Title in Portuguese
Nanopartículas de Ródio: componentes para a preparação de catalisadores para reações de hidroformilação de olefinas
Keywords in Portuguese
Aldeídos
Alquenos
Funcionalização
Hidroformilação
Nanopartículas de ródio
Suporte magnético
Abstract in Portuguese
A importância que a catálise representa para a sociedade pode ser vista em números: 90% dos processos da indústria química e mais de 20% de todos os produtos industriais comercializados no mundo utilizam uma ou mais etapas catalíticas. Assim, desenvolver catalisadores eficientes, ativos e seletivos é a solução para criar tecnologias mais limpas e sustentáveis. Além disso, reações químicas que geram novas ligações C-C estão entre as transformações mais relevantes na química orgânica e são a base desse trabalho. Os catalisadores de ródio apresentados aqui fazem parte de um trabalho minucioso de desenvolvimento, síntese e caracterização de nanopartículas e suportes magnéticos funcionais que foram utilizados em transformações de diversas moléculas. O estudo inicial com nanopartículas de ródio suportadas, em reações de hidrogenação do cicloexeno, serviu para a compreensão de como se comportam essas nanoestruturas e da influência que diferentes ligantes orgânicos e estabilizantes podem ter em uma aplicação catalítica bastante conhecida. O sistema catalítico mostrou-se bastante ativo e reutilizável,despertando o nosso interesse ao seu aperfeiçoamento para aplicação em reações de hidroformilação. Antes da síntese de catalisadores suportados, estudos com nanopartículasnão-suportadas mostraram que um sistema modificado pela adição de fosfinas era necessário para ativação do catalisador e que o estabilizante utilizado afetava a atividade catalítica. Assim, para possibilitar o ancoramento eficiente das espécies ativas, uma modificação da superfície do suporte magnético com a metildifenilfosfina foi realizada. A fosfina funcionalizada sobre o suporte viabilizou sua interação com as espécies ativas e evitou a sua lixiviação, possibilitando o reuso do catalisador. A reação de hidroformilação do oct-1-eno atingiu 96% de conversão e 82% de seletividade para aldeídos, em 6 horas a 80°C. A carga metálica do catalisador foi de apenas 0,2%. Buscando aumentar a eficiência na etapa de imobilização do metal e uma melhor atividade catalítica que possibilitasse o uso de substratos mais complexos, o suporte magnético foi modificado com um polímero hiper-ramificado. Essa modificação possibilitou aumentar a quantidade de grupos fosfinas sobre o suporte, assim como levou a um significativo aumento na carga de metal. A reação de hidroformilação de produtos naturais foi possível e, com o composto estragol, conversões de 100% foram alcançadas em 6 horas, com seletividade de 70% para aldeídos. Mesmo com evidências que sugerem a formação de espécies ativas moleculares, o suporte modificado possibilitou que o catalisador mantivesse sua atividade e seletividade por pelo menos seis reações sucessivas. Os materiais desenvolvidos apresentaram estabilidade quando manuseados ao ar, sem prejudicar sua vida útil e fácil separação.
Title in English
Rhodium Nanoparticles: components for the preparation of catalysts for hydroformylation
Keywords in English
Aldehydes
alkenes
Functionalization
Hydroformylation
Magnetic support
Rhodium nanoparticles
Abstract in English
The importance of catalysis to society may be seen in numbers: 90% of chemical production processes and more than 20% of all industrial products sold in the world use one or more catalytic steps. Thus, the development of efficient, active, and selective catalysts is crucial for creating cleaner and sustainable technologies. In addition, chemical reactions that generate new C-C bonds are among the most important transformations in organic chemistry and are the basis of this work. Rhodium catalysts presented herein are part of a careful investigation, which included the development, synthesis and characterization of metal nanoparticles and magnetic functional supports for use in the transformation of various molecules. The initial study of supported rhodium nanoparticles in cyclohexene hydrogenation reactions has driven our understanding of the behavior of these nanostructures, and the influence that different ligands and stabilizers may have in a well-known catalytic application. The identification of a highly active and recyclable catalytic system aroused our interest for its improvement for application in hydroformylation reactions. Prior to the synthesis of supported catalysts, studies with non-supported nanoparticles revealed that a modified system with the addition of phosphines was required for activation of the catalyst and the stabilizer used affected the catalytic activity. Thus, to enable efficient immobilization of the active species, the surface of the magnetic support was modified with methyldiphenylphosphine. The catalyst preparation removed, at least partially, the stabilizer adsorbed on the nanoparticles surfaces. The phosphine-functionalized support anchored the active species and avoided their leaching, allowing the reuse of the catalyst. The hydroformylation reaction of oct-1-ene reached 96% of conversion and 82% of selectivity to aldehydes, in 6 hours at 80°C. The metal loading of the catalyst was only 0.2%. Seeking to increase the efficiency in metal immobilization step and a better catalytic activity that would enable the use of more complex substrates, the magnetic support was modified with a hyperbranched polymer, which allowed an increase in the amount of external phosphines, as well as a significant increase in metal loading on the support. The hydroformylation reaction of natural products was possible and, with the estragole compound, 100% of conversion was achieved in 6 hours with 70% of selectivity to aldehydes. Despite evidence that suggests the formation of active molecular species, the modified support has enabled the catalyst to retain its activity and selectivity for at least six successive reactions. The materials developed could be handled in air without damaging their catalytic activity, durability and separation properties.
 
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Publishing Date
2017-02-16
 
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