Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41054
ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-5995-5683
Tipo do documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Título: Síntese de compostos organometálicos de rutênio como catalisadores da desidrogenação do ácido fórmico
Título(s) alternativo(s): Synthesis of organometallic ruthenium compounds as catalysts for formic acid dehydrogenation
Autor(es): Prado, Cássio Roberto Arantes do
Primeiro orientador: Bogado, André Luiz
Primeiro membro da banca: Lima, Renata Galvão de
Segundo membro da banca: Oliveira, Guedmiller Souza de
Terceiro membro da banca: Mandelli, Dalmo
Quarto membro da banca: Lima Neto, Benedito dos Santos
Resumo: O presente trabalho propõe a síntese de novos compostos organometálicos para serem aplicados como catalisadores na reação de desidrogenação do ácido fórmico. O ácido fórmico foi escolhido por conter 4,4 % de hidrogênio, sendo uma boa fonte de hidrogênio molecular (H2). O metal escolhido foi o rutênio e o p-cimeno e compostos diimínicos foram utilizados como ligantes. As diiminas foram sintetizadas a partir de reações de condensação entre diferentes tipos de anilinas e o glioxal. Os complexos têm fórmula geral [RuCl(η6-areno)(N-N)](PF6), onde η6-areno = para-cimeno e N-N = α-diiminas; (1) = 2,6-dimetilanilina, (2) = 2,4-dimetilanilina, (3) = 2,4,6-trimetilanilina, (4) = 2,6-diisopropilanilina, (5) = bifenilamina, (6) = 4-fluoranilina, (7) = 4-cloroanilina e (8) = cicloexilamina. Suas características foram estudadas por diversas técnicas experimentais, como a espectroscopia de absorção eletrônica na região do UV/Vis, na região do infravermelho, ressonância magnética nuclear de 1H e de 13C e análise elementar (C, H, N). O passo seguinte foi a realização das sínteses dos complexos de rutênio a serem empregados como catalisadores, seguido pelo estudo de suas propriedades. Pelo infravermelho foi possível observar bandas referentes ao estiramento da ligação entre o rutênio e o nitrogênio em regiões próximas a 430 cm-1, indicando a coordenação dos ligantes diimínicos ao metal, verificando também a presença da banda referente ao contra-íon PF6, que se localizam na região de 800 cm-1. As análises por RMN de 1H dos complexos apresentaram sinais em torno de 8 ppm, referentes aos núcleos de hidrogênio ligados aos carbonos imínicos, além de sinais na região compreendida entre 4 e 6 ppm, característicos dos hidrogênios do anel do p-cimemo. Os espectros de RMN 13C mostraram sinais acima de 150 ppm, que são atribuídos aos carbonos diretamente ligados ao nitrogênio da diimina e entre 78-100 ppm, relacionado aos carbonos do anel do pcimeno. As análises elementares estão de acordo com os teores de C, N e H para as estruturas sugeridas. Cálculos de TD-DFT mostraram a possibilidade da formação de confôrmeros para os complexos obtidos, devido a orientação do anel do p-cimeno em relação aos demais ligantes. O estudo catalítico começou pela determinação da razão catalisador/ácido fórmico, partindo-se do complexo precursor como referência, sendo definida a proporção 1:1200 como a mais ideal. Logo após, os complexos sintetizados que continham o p-cimeno e as α-diiminas como ligantes foram utilizados como catalisadores. O melhor resultado foi para o complexo (1), que teve conversão média de 88,45 ± 1,18% e TOF médio de 584,59 ± 21,02 h-1, com uma segunda adição de ácido fórmico atingindo uma conversão de 93 % e TOF igual a 889 h-1. A análise por cromatografia gasosa utilizando um detector de condutividade térmica (TCD) confirmou que os produtos obtidos na reação eram o H2 e o CO2, sem a presença de CO, efetivando a reação envolvida como a desidrogenação do ácido fórmico. Estudo da variação da base indicou a necessidade de uma base de Brønsted-Lowry, como trietilamina (NEt3). A presença de bases de Lewis promoveu o decréscimo da atividade catalítica., O estudo da variação da temperatura permitiu através das equações de Arrhenius e de Eyring a determinação de parâmetros físico-químicos da reação, tais como: energia de ativação (Ea), variação da energia livre de Gibbs de ativação e variação da entropia de ativação da reação. Estes resultados indicaram que a reação é espontânea (ΔG‡ = + 12,22 kJ mol-1), em um mecanismo dissociativo (ΔS‡ = 49,50 eu). A partir dos resultados de cinética, de termodinâmica do estado ativado, e cálculos de DFT, um mecanismo para a desidrogenação do ácido fórmico foi proposto, onde ocorre a formação de um hidreto complexo como intermediário de reação e a base de Brønsted-Lowry atua como um ativador do sistema. Foi realizada a síntese do hidreto complexo, um dos intermediários do mecanismo proposto. A análise por infravermelho deste composto apresentou uma banda em 2111 cm-1, característica do estiramento da ligação Ru-H. O último passo foi o acompanhamento da reação entre o hidreto complexo e o HNEt3+Cl- por UV/Vis, com objetivo de regenerar a formação do complexo contendo o ligante clorido (1).
Abstract: The present work proposes the synthesis of new organometallic compounds to be applied as catalysts in the dehydrogenation reaction of formic acid. Formic acid was chosen because it contains 4.4% hydrogen, being a good source of molecular hydrogen (H2). The metal chosen was ruthenium and p-cymene and diimine compounds were used as ligands. Diimines were synthesized from condensation reactions between different types of anilines and glyoxal. The complexes have the general formula [RuCl(η6-arene)(N-N)](PF6), where η6-arene = para-cymene and N-N = α-diimines; (1) = 2,6-dimethylaniline, (2) = 2,4-dimethylaniline, (3) = 2,4,6-trimethylaniline, (4) = 2,6-diisopropylaniline, (5) = biphenylamine, (6 ) = 4-fluoroaniline, (7) = 4-chloroaniline and (8) = cyclohexylamine. Its characteristics were studied by various experimental techniques, such as electronic absorption spectroscopy in the UV/Vis region, in the infrared region, 1H and 13C nuclear magnetic resonance and elemental analysis (C, H, N). The next step was to carry out the syntheses of the ruthenium complexes to be used as catalysts, followed by the study of their properties. Using infrared, it was possible to observe bands referring to the stretching of the bond between ruthenium and nitrogen in regions close to 430 cm-1, indicating the coordination of the diimine ligands to the metal, also verifying the presence of the band referring to the PF6 counter-ion, which is located in the region of 800 cm-1. 1H NMR analyzes of the complexes showed signals around 8 ppm, referring to the hydrogen nuclei linked to the imine carbons, in addition to signals in the region between 4 and 6 ppm, characteristic of the hydrogens of the p-cymene ring. The 13C NMR spectra showed signals above 150 ppm, which are attributed to the carbons directly linked to the diimine nitrogen and between 78-100 ppm, related to the carbons of the p-cymene ring. Elemental analyzes are in agreement with the C, N and H contents for the suggested structures. TD-DFT calculations showed the possibility of forming conformers for the complexes obtained, due to the orientation of the p-cymene ring in relation to the other ligands. The catalytic study began by determining the catalyst/formic acid ratio, starting from the precursor complex as a reference, with the ratio 1:1200 being defined as the most ideal. Soon after, the synthesized complexes containing p-cymene and α-diimines as ligands were used as catalysts. The best result was for complex (1), which had an average conversion of 88.45 ± 1.18% and average TOF of 584.59 ± 21.02 h-1, with a second addition of formic acid reaching a conversion of 92.61% and TOF equal to 889 h-1. Analysis by gas chromatography using a thermal conductivity detector (TCD) confirmed that the products obtained in the reaction were H2 and CO2, without the presence of CO, effecting the reaction involved as the dehydrogenation of formic acid. Study of base variation indicated the need for a Brønsted-Lowry base, such as triethylamine (NEt3). The presence of Lewis bases promoted a decrease in catalytic activity. The study of temperature variation allowed, through the Arrhenius and Eyring equations, the determination of physical-chemical parameters of the reaction, such as: activation energy (Ea), variation of the Gibbs free energy of activation and variation of the entropy of activation of the reaction. These results indicated that the reaction is spontaneous (ΔG‡ = + 12.22 kJ mol-1), in a dissociative mechanism (ΔS‡ = 49.50 eu). From the results of kinetics, thermodynamics of the activated state, and DFT calculations, a mechanism for the dehydrogenation of formic acid was proposed, where the formation of a complex hydride occurs as a reaction intermediate and the Brønsted-Lowry base acts as a system activator. The synthesis of complex hydride, one of the intermediates of the proposed mechanism, was carried out. Infrared analysis of this compound showed a band at 2111 cm-1, characteristic of the stretching of the Ru-H bond. The last step was to monitor the reaction between the complex hydride and HNEt3+Cl- by UV/Vis, with the aim of regenerating the formation of the complex containing the chloride ligand (1).
Palavras-chave: hidrogênio
rutênio
desidrogenação
ácido fórmico
hydrogen
ruthenium
dehydrogenation
formic acid
Área(s) do CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA INORGANICA::COMPOSTOS ORGANO-METALICOS
Assunto: Química
Compostos organometálicos
Compostos de rutênio
Ácido acrílico
Idioma: por
País: Brasil
Editora: Universidade Federal de Uberlândia
Programa: Programa de Pós-graduação em Química
Referência: PRADO, Cássio Roberto Arantes do. Síntese de compostos organometálicos de rutênio como catalisadores da desidrogenação do ácido fórmico. 2023. 246 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.567.
Identificador do documento: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.567
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41054
Data de defesa: 20-Out-2023
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS): ODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos.
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