IRMOF-3, ¿un catalizador bifuncional inintencionado?

Debido a la elevada actividad catalítica del material metal-orgánico estructurado IRMOF-3 para la condensación de Knoevenagel y al interés que presentan los materiales con grupos funcionales con actividad catalítica, el presente trabajo fin de máster trata del estudio de la reacción de Knoevenagel entre el benzaldehído y el cianoacetato de etilo empleando como catalizadores heterogéneos, materiales metal orgánicos de zinc en donde están presentes grupos amino en el ligando espaciador y de la influencia de estos en la actividad catalítica del material metal-orgánico.García Cirujano, F. (2011). IRMOF-3, ¿un catalizador bifuncional inintencionado?. http://hdl.handle.net/10251/15738Archivo delegad

Desarrollo de materiales Metal-Orgánicos (MOFs) como catalizadores heterogéneos para reacciones en una o varias etapas

[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.[CA] 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/10251/64071TESI

Conversion of Levulinic acid into chemicals: Synthesis of biomass derived levulinate esters over Zr-containing MOFs

Zr-containing metal-organic frameworks (MOFs) formed by either terephthalate (UiO-66) or 2-aminoterephthalate ligancls (UiO-66-NH2) are active and stable catalysts for the acid catalyzed esterification of levulinic acid with EtOH, n-BuOH and long-chain biomass derived alcohols, with activities comparable (in some cases superior) to other solid acid catalysts previously repotted. The effect of functional group substitution at the ligand benzene ring, alcohol chain length, particle size and contents of defects on the catalytic activity of the MOFs are studied in detail. In UiO-66-NH2, a dual acid-base activation mechanism is proposed, in which levulinic acid is activated on Zr sites and the alcohol at the amino groups of the ligand. Large variations of the catalytic activity from batch to batch suggest that the active sites are located at defect positions associated to ligand deficiency of the solid. Particle size seems to have a minor impact only in UiO-66-NH2, in which diffusion of levulinic acid is somehow hindered due to the amino groups present in the linkers.Financial support from the Consolider-Ingenio 2010 (project MULTICAT, CSD-2009-0050), the SEVER OCHOA program (project SEV-2012-0267), and the Spanish Ministry of Science and Innovation (project MAT2011-29020-C02-01) is gratefully acknowledged.García Cirujano, F.; Corma Canós, A.; Llabrés I Xamena, FX. (2015). Conversion of Levulinic acid into chemicals: Synthesis of biomass derived levulinate esters over Zr-containing MOFs. Chemical Engineering Science. 124:52-60. doi:10.1016/j.ces.2014.09.047S526012

Nature of active sites on UiO-66 and beneficial influence of water in the catalysis of Fischer esterification

[EN] Zirconium terephthalate UiO-66 type metal organic frameworks (MOFs) are known to be highly active, stable and reusable catalysts for the esterification of carboxylic acids with alcohols. Moreover, when defects are present in the structure of these MOFs, coordinatively unsaturated Zr ions with Lewis acid properties are created, which increase the catalytic activity of the resulting defective solids. In the present work, molecular modeling techniques combined with new experimental data on various defective hydrated and dehydrated materials allow to unravel the nature and role of defective active sites in the Fischer esterification and the role of coordinated water molecules to provide additional Bronsted sites. Periodic models of UiO-66 and UiO-66-NH2 catalysts have been used to unravel the reaction mechanism on hydrated and dehydrated materials. Various adsorption modes of water and methanol are investigated. The proposed mechanisms are in line with experimental observations that amino groups yield a reduction in the reaction barriers, although they have a passive role in modulating the electronic structure of the material. Water has a beneficial role on the reaction cycle by providing extra Bronsted sites and by providing stabilization for various intermediates through hydrogen bonds. (C) 2017 The Authors. Published by Elsevier Inc.This work is supported by the Fund for Scientific Research Flanders (FWO) (project number 3G048612), the Research Board of Ghent University (BOF) and BELSPO in the frame of IAP/7/05. This project has received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Sklodowska-Curie grant agreement No. 641887 (project acronym: DEFNET). Funding was also received from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme [consolidator ERC grant agreement no. 647755-DYNPOR (2015-2020)]. Computational resources (Stevin Supercomputer Infrastructure) and services were provided by Ghent University. Financial support from the Generalitat Valenciana (project AICO/2015/065), the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (program Severo Ochoa SEV20120267), and the Spanish Ministry of Science and Innovation (project MAT2014-52085-C2-1-P) is gratefully acknowledged.Caratelli, C.; Hajek, J.; García Cirujano, F.; Warroquier, M.; Llabrés I Xamena, FX.; Van Speybroeck, V. (2017). Nature of active sites on UiO-66 and beneficial influence of water in the catalysis of Fischer esterification. Journal of Catalysis. 352:401-414. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2017.06.014S40141435

Anion Exchange and Catalytic Functionalization of the Zirconium-Based Metal-Organic Framework DUT-67

[EN] A postsynthetic treatment with diluted solutions of the inorganic HCl or H2SO4 acids was applied to functionalize the eight connected Zr-based metal-organic framework DUT-67 (DUT = Dresden University of Technology). During the treatment, it is possible to remove and exchange the pristine modulator (formate) by Cl(-)or SO(4)(2-)anions. The position of the chlorine in the crystal structure of DUT-67 after HCl treatment could be determined by single-crystal X-ray diffraction analysis. Moreover, by means of the acidic treatment the polarity of the network as well as its Bronsted acid strength are increased, which have a crucial impact on the catalytic performance. The improved catalytic activity of the acid-treated materials was demonstrated in the esterification of levulinic acid with ethanol.This project received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Sklodowska-Curie Grant No. 641887 (project acronym: DEFNET). The Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (program "Severo Ochoa"), the Spanish Ministry of Science and Innovation (Project No. MAT2014-52085-C2-1-P), and the German Research Foundation (Project No. KA 1698/19-1) are also acknowledged for financial support.Drache, F.; García Cirujano, F.; Nguyen, KD.; Bon, V.; Senkovska, I.; Llabrés I Xamena, FX.; Kaskel, S. (2018). Anion Exchange and Catalytic Functionalization of the Zirconium-Based Metal-Organic Framework DUT-67. Crystal Growth & Design. 18(9):5492-5500. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.8b00832S5492550018

Selective Implantation of Diamines for Cooperative Catalysis in Isoreticular Heterometallic Titanium-Organic Frameworks

This is the peer reviewed version of the following article: Selective Implantation of Diamines for Cooperative Catalysis in Isoreticular Heterometallic Titanium-Organic Frameworks, which has been published in final form at https://doi.org/10.1002/anie.202100176. This article may be used for non-commercial purposes in accordance with Wiley Terms and Conditions for Self-Archiving.[EN] We introduce the first example of isoreticular titanium-organic frameworks, MUV-10 and MUV-12, to show how the different affinity of hard Ti(IV) and soft Ca(II) metal sites can be used to direct selective grafting of amines. This enables the combination of Lewis acid titanium centers and available -NH, sites in two sizeable pores for cooperative cycloaddition of CO2 to epoxides at room temperature and atmospheric pressure. The selective grafting of molecules to heterometallic clusters adds up to the pool of methodologies available for controlling the positioning and distribution of chemical functions in precise positions of the framework required for definitive control of pore chemistry.This work was supported by the EU (ERC Stg Chem-fs-MOF 714122) and Spanish Government (CTQ2017-83486-P, RTI2018-098568-A-I00 & CEX2019-000919-M). E.L.-M. and S.T. thanks the Spanish Government for their Juan de la Cierva Fellowship (FJCI-2017-32956) and Ramon y Cajal contract (RYC-2016-1981), respectively. A.R.G. acknowledges funding from Generalitat Valencia (ACIF/2020/090)and Fondo Social Europeo. N.M.P. thanks the European Union for a Marie Sklodowska-Curie Global Fellowship (H2020MSCA-IF-2016-GF-749359-EnanSET) and to the "2020 Postdoctoral Junior Leader-Retaining Fellowship, la Caixa Foundation (ID 100010434 and fellowship code LCF/BQ/PR20/11770014)". F.G.C. acknowledges the support of a fellowship from "la Caixa" Foundation (ID 100010434 and the fellowship code LCF/BQ/PI19/11690011). S.N. thanks financial support by the Ministerio de Ciencia, Innovacion y Universidades (RTI 2018-099482-A-I00 project), Fundacion Ramon Areces (XVIII Concurso Nacional para la Adjudicacion de Ayudas a la Investigacion en Ciencias de la Vida y de la Materia, 2016) and Agencia Valenciana de la Innovacion (AVI-GVA, Carboagua project, INNEST/2020/111).López-Maya, E.; Padial, NM.; Castells-Gil, J.; Ganivet, CR.; Rubio-Gaspar, A.; García Cirujano, F.; Almora-Barrios, N.... (2021). Selective Implantation of Diamines for Cooperative Catalysis in Isoreticular Heterometallic Titanium-Organic Frameworks. Angewandte Chemie International Edition. 60(21):11868-11873. https://doi.org/10.1002/anie.2021001761186811873602