Theoretical studies on transition metal catalyzed carbon dioxide fixation

Abstract

S’han dut a terme estudis teòrics amb la finalitat d’avaluar mecanismes de reacció per a processos de fixació de CO2, catalitzats per complexos de metalls de transició. D’aquesta forma, s’han descrit detalladament els passos del mecanisme de reacció (reaccions d’opertura d’anell, inserció de CO2 i tancament de l’anell) per la formació de carbonats cíclics a partir de CO2 i diferents epòxids, sota l’acció catalítica de complexos de Zn(salen), conjuntament amb Nbu4X (X = I, Br). Les energies d’activació calculades DFT calculationsmitjançant DFT són qualitatives, seguint la línea dels resultats experimentals. Per altra banda, es va considerar un catalitzador d’alumini realment actiu per estudiar aquesta reacció però des d’un punt de vista quantitatiu. D’aquesta forma, es va examinar l’activitat del sistema catalític mitjançant el càlcul teòric de les freqüències de repetició (TOFs). Els resultats obtinguts es varen trobar en el mateix ordre de magnitud que en el cas dels experiments. L’últim mecanimse estudiat involucra la eracció de copolimerització entre CO2 i òxid de ciclohexè, catalitzat per un sistema binari format per l’esmentat complex d’alumini i NBu4I. Es van suposar tres possibles rutes per descriure la reacció depenent del nombre de catalitzadors involucrats en la reacció de propagació. Els resultats sugereixen que la copolimerització alternada és més favorable respecte la formació de carbonat cíclic. A més dels estudis anteriors, es van utilitzar mètodes d’espectrometria de masses de mobilitat d’ions (IM-MS) per a proporcionar informació estructural sobre una sèrie de complexos de metalls de transició involucrats en catàlisi homogènia. Es varen determinar les seccions eficaces de col•lisió (CCS) teòriques i es van ser comparades amb les resultants dels experiments de IM-MS. El resultat obtingut concordava perfectament entre ambdues metodologies.

Se han llevado a cabo estudios teóricos con el fin de evaluar mecanismos de reacción para procesos de fijación de CO2 catalizados por complejos de metales de transición. De este modo, se describieron detalladamente los pasos del mecanismo de reacción (reacciones de apertura de anillo, de inserción de CO2 y de cierre de anillo) para la formación catalítica de carbonatos cíclicos a partir de CO2 y diferentes epóxidos, basada en complejos de Zn(salen), conjuntamente con NBu4X (X = I, Br). Se encontró que las energías de activación DFT calculadas están de manera cualitativa en línea con los resultados experimentales. Por otra parte, se consideró un catalizador de aluminio altamente activo para estudiar la misma reacción, pero desde un punto de vista cuantitativo. Así pues, se examinó la actividad del sistema catalizador mediante el cálculo teórico de las frecuencias de repetición (TOFs). Estas últimas resultaron en el mismo orden de magnitud que los experimentos. El último de los mecanismos estudiados aquí involucra la reacción de copolimerización entre CO2 y óxido de ciclohexeno catalizada por el sistema binario compuesto por dicho complejo de aluminio y NBu4I. Se encontraron tres posibles rutas para describir la reacción dependiendo el número de catalizadores involucrados en la reacción de propagación. Los resultados sugieren que la copolimerización alternada es más favorable con respecto a la formación del carbonato cíclico. Además de los estudios anteriores, se usaron métodos de espectrometría de masas de movilidad iónica (IM-MS) para proporcionar información estructural sobre una serie de complejos de metales de transición involucrados en catálisis homogénea. Se determinaron las secciones eficaces de colisión (CCS) teóricas y se compararon con las resultantes de los experimentos IM-MS. Se encontró un excelente acuerdo entre el resultado de ambas metodologías.

Theoretical studies have been conducted in order to evaluate reaction mechanisms for CO2 fixation processes catalyzed by transition metal complexes. Thus, detailed mechanistic steps (ring-opening, CO2 insertion and ring-closing reactions) were described for the catalytic formation of cyclic carbonates from CO2 and a series of epoxides based on Zn(salen) complexes, in conjunction with NBu4X(X=I, Br). The computed DFT activation energies were found to be qualitatively in line with the experimental findings. Moreover, a highly active Al catalyst (derived from amino triphenolate ligands) was considered to study the same reaction, but from a quantitative point of view. In light of this, the activity of this catalyst system was examined by means of the theoretical calculation of frequencies (TOFs). The latter resulted in the same order of magnitude as the experiments. The last mechanism studied here comprises the copolymerization reaction between CO2 and cyclohexene oxide mediated by the binary system composed of the aforementioned Al complex species and NBu4I. Three possible pathways were found to describe the reaction depending on the number of Al complexes involved in the propagation step. Results suggest that the alternating copolymerization should be the most favorable pathway over the formation of the five-membered cyclic carbonate product. In addition to the above studies, methods of ion mobility mass spectrometry (IM-MS) have been employed to provide structural information on a series of transition metal complexes involved in homogeneous catalysis. Theoretical collision cross sections (CCSs) were determined and compared with those resulting from IM-MS experiments. The outcome from both methodologies yielded excellent agreement.