Catalysis at gold-ligand interfaces: a frustrated Lewis pair mechanism for selective reduction reaction / Catalise na interface ouro-ligante: pares de Lewis frustrados aplicados em reações de redução seletivas

ABSTRACT

The interaction of the organic ligands with metal nanoparticle has a very important role for applications in catalysis, as well as other processes involving ligands that can activate or poison the surface of metal nanoparticles. Very little has been studied so far on the role of organic ligands used either in the preparation of nanoparticles for applications in catalysis or addition in the reaction to activate the catalyst. In this thesis, we have studied strategies for the synthesis of metal nanoparticles, their use as components for the preparation of supported catalysts and activation and deactivation processes involving the ligands used as stabilizers or purposely added to the reaction medium or support for stimulate new reactivity and selectivity in reactions of industrial interest, such as hydrogenation. Here, the concept of frustrated Lewis pairs (FLPs) has been expanded to surface-FLP analogous formed by combining gold nanoparticles (NPs) and Lewis bases, such as amines or phosphines, creating a new channel for the heterolytic cleavage of H2, and thereby performing selective hydrogenation reactions with gold. A first approach to improve the catalytic activity of gold nanoparticles was to analyze the effect of nitrogen-containing bases. The starting inactive gold nanoparticles became highly active for the selective hydrogenation of alkyne into cis-alkenes. The hydrogenation proceeded smoothly and fully selective using H2 as the hydrogen source and under relatively mild conditions (80 °C, 6 bar H2). Our studies also have revealed that the presence of capping ligands blocks the adsorption of the amine to the gold surface, avoiding the FLPs interface and thereby leading to low catalytic activity. When the capping ligands were removed from the catalyst surface and an amine ligand was added, the FLPs interface is recovered and an enhanced catalytic activity was observed. Furthermore, we have demonstrated the successful use of simple organophosphorus ligands to boost the catalytic activity of Au NPs for a range of important reduction reactions, namely, epoxides, N-oxides, sulfoxides, and alkynes. Furthermore, the choice of phosphorus-containing ligands resulted in a decrease in the amount necessary to reach high conversion and selectivity in comparison with our previous study with N-containing ligands. The ligand-to-metal ratio decreased from 100 (amine/Au) to 1 (phosphite/Au). The synthesis of gold nanoparticles supported on N-doped carbon supports was used as an alternative method for the synthesis of a heterogeneous active gold catalyst for selective hydrogenations. The main advantage with respect to previous studies was to avoid the addition of external ligands, in large excess, for the activation of gold surfaces via FLP, making the whole process environmentally and economically attractive

RESUMO

A interação dos ligantes orgânicos com nanopartículas de metal certamente tem um papel muito importante para aplicações em catálise, bem como outros processos envolvendo ligantes que podem ativar ou envenenar a superfície de nanopartículas metálicas. Até agora, muito pouco foi estudado sobre o papel dos ligantes orgânicos utilizados na preparação de nanopartículas para aplicações em catálise ou adição na reação para ativar o catalisador. Nesta tese, foram estudadas estratégias para a síntese de nanopartículas metálicas, seu uso como componentes para a preparação de catalisadores suportados e processos de ativação e desativação envolvendo ligantes empregados como estabilizantes ou propositalmente adicionados ao meio de reação ou suporte para estimular novas reatividades e seletividade em reações de interesse industrial, como reações de hidrogenação. Aqui, o conceito de pares de Lewis frustrados (FLPs) foi expandido para o seu análogo de superfície formado pela combinação de nanopartículas (NPs) de ouro e bases de Lewis, como aminas ou fosfinas, criando um novo canal para a clivagem heterolítica de H2 e, assim, realizando reações seletivas de hidrogenação com ouro. Uma primeira abordagem para melhorar a atividade catalítica das nanopartículas de ouro foi analisar o efeito de bases contendo nitrogênio. As nanopartículas de ouro inicialmente inativas tornaram-se altamente ativas para a hidrogenação seletiva de alquino em cis-alquenos. A hidrogenação prosseguiu foi factível e totalmente seletiva usando H2 como fonte de hidrogênio e sob condições relativamente amenas (80 °C, 6 bar de H2). Nossos estudos também revelaram que a presença de estabilizantes pode bloquear a adsorção da base na superfície do ouro, impedindo a formação da interface FLPs e, portanto, levando a baixa atividade catalítica. Quando os estabilizantes foram removidos da superfície do catalisador e um ligante foi adicionado, o FLPs é formado sendo a atividade catalítica aprimorada. Além disso, demonstramos o uso bem-sucedido de ligantes organofosforados atuando como ativadores de Au NPs em uma série de importantes reações de redução, como, epóxidos, N-óxidos, sulfóxidos e alquinos. Além disso, a escolha do ligante fosforado resultou em uma diminuição na quantidade necessária para alcançar alta conversão mantendo a seletividade inalterada. A relação ligante/metal diminuiu de 100/1 (amina/Au) para 1/1 (fosfito/Au). A síntese de nanopartículas de ouro suportadas em carbono dopado com nitrogênio foi utilizada como método alternativo para a síntese de um catalisador heterogêneo de ouro ativo para hidrogenações seletivas. A principal vantagem em relação aos estudos anteriores foi evitar a adição de ligantes externos, em grande excesso, para a ativação de superfícies de ouro via FLP, tornando todo o processo ambiental e economicamente atraente