Computational Modeling to Explore Solvent and Dynamic Effects in Molecular, Nano and Solid Catalysis

Abstract

La química computacional ha ajudat a la comunitat científica a entendre i millorar processos químics coneguts des de fa molts d’anys. Més concretament, dins l’àmbit de la catàlisis, la química computacional ha afavorit en la millora i desenvolupament de nous catalitzadors, fent que processos importants per la vida quotidiana siguin més eficient i sostenibles. Aquesta tesi està orientada a analitzar i estudiar els efectes que tenen el dissolvent i el fenòmens dinàmics en diversos processos catalítics. En el capítol 2, hem analitzat l’efecte de l’acidesa del dissolvent i del lligand sobre la selectivitat de la telomerització de l’isoprè catalitzada per complexes organometàl·lics de Pd usant càlculs dins la teoria del funcional de densitat. El capítol 3 està orientat cap a un estudi fonamental de les interaccions entre nanopartícules de Rh i diverses fosfines, tenint en compte els efectes de recobriment sobre la geometria i l’estructura electrònica d’aquestes. A més a més, el efectes dinàmics del dissolvent sobre aquestes interaccions han estat analitzades mitjançant tècniques de dinàmica molecular quàntica. En el capítol 4, proposem un mecanisme que explica la selectivitat observada experimentalment per la reacció d’intercanvi hidrogen/deuteri sobre diferents fosfines catalitzada per nanopartícules de Rh i de Ru. Finalment, en el capítol 5, mostrem el desenvolupament d’un camp de força reactiu ReaxFF per estudiar la reacció de deshidrogenació de propà per obtenir propè catalitzada per superfícies i nanopartícules de Pt.

La química computacional ha ayudado a la comunidad científica a entender y mejorar procesos químicos conocidos desde hace muchos años. Más específicamente, dentro del ámbito de la catálisis, la química computacional ha favorecido a la mejora y desarrollo de nuevos catalizadores, haciendo que procesos de la vida cuotidiana sean más eficientes y sostenibles. Esta tesis está orientada a analizar y estudiar los efectos que tienen el disolvente y los fenómenos dinámicos en diversos procesos catalíticos. En el capítulo 2 hemos analizado el efecto de la acidez del disolvente y del ligando sobre la selectividad de la telomerización del isopreno catalizada por complejos organometálicos de Pd usando cálculos dentro de la teoría del funcional de densidad. El capítulo 3 está orientado hacia el estudio fundamental de las interacciones entre nanopartículas de Rh y diversas fosfinas, teniendo en cuenta los efectos de recubrimiento sobre la geometría y la estructura electrónica de éstas. Además, los efectos dinámicos del disolvente sobre estas interacciones han sido analizadas mediante técnicas de dinámica molecular cuántica. En el capítulo 4, proponemos un mecanismo que explica la selectividad observada experimentalmente en la reacción de intercambio hidrógeno/deuterio sobre diferentes fosfinas catalizada por nanopartículas de Rh y Ru. Finalmente, en el capítulo 5, mostramos el desarrollo de un campo de fuerza reactivo ReaxFF, para estudiar la reacción de deshidrogenación del propano para obtener propeno catalizada por superficies y nanopartículas de Pt.

Computational chemistry helped the scientific community to understand and improve chemical processes known long time ago. Specifically, in the field of catalysis, computational chemistry favors the improvement and development of new catalysts, making important processes more efficient and sustainable. This thesis is devoted to analyzing and study the effects of the solvent and dynamic phenomena in several catalytic processes. In Chapter 2, we have studied the influence of the solvent acidity and the ligand on the selective telomerization of isoprene catalyzed by Pd organometallic complexes within the density functional theory. Chapter 3 is devoted to fundamentally analyze the interactions between several Rh nanoparticles with different phosphine ligands, considering the coverage effects of the geometry and electronic structure. Moreover, the dynamic effects of the solvent on these interactions have been analyzed by means of ab initio molecular dynamic techniques. In Chapter 4, we propose a plausible mechanism to explain the selectivity observed experimentally for the hydrogen/deuterium exchange reaction of several phosphine ligands catalyzed by Rh and Ru nanoparticles. Finally, Chapter 5 is devoted to the development of a ReaxFF reactive force field to study the propane dehydrogenation reaction to obtain propene catalyzed by Pt surfaces and nanoparticles.