Sánchez-Page, Beatriz, Pérez-Torrente, Jesús J., Jiménez, M. Victoria, Ministerio de Economía y Competitividad (España), Agencia Estatal de Investigación (España), Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (España), Gobierno de Aragón, Diputación General de Aragón, and European Commission
Memoria presentada por Beatriz Sánchez Page, graduada en Química y Máster en Química Molecular y Catálisis Homogénea, para optar al grado de Doctor en Ciencias, en el programa de Doctorado en Química Inorgánica. Esta Tesis Doctoral se presenta en la modalidad de Tesis por compendio de publicaciones., [ES]: El trabajo desarrollado en esta Memoria se ha centrado en el diseño, síntesis, caracterización y estudios de estabilidad de compuestos moleculares de rodio e iridio soportados en materiales nanoestructurados de carbono. La actividad catalítica de los nuevos materiales híbridos y la de los complejos moleculares relacionados de rodio e iridio se ha evaluado en la hidrosililación de alquinos y en la oxidación química y electroquímica de agua, respectivamente. Los complejos de rodio(I) y (III) soportados en un óxido de grafeno reducido térmicamente a 400 ºC por enlace covalente carbono-nitrógeno entre un ligando NHC mesoiónico (4-fenil-3-metil-1,2,3-triazol-5-ilideno) y la pared del grafeno, Rh(I)/Rh(III)-NHC@TRGO, y los complejos moleculares relacionados muestran alta actividad en la hidrosililación de alquinos y una excelente regio- y estereoselectividad al isómero cinético β-(Z)-vinilsilano. Concretamente, el catalizador ciclometalado [Cp*RhI(C,C')-Triaz] (Triaz = 1,4-difenil-3-metil-1,2,3-triazol-5-ilideno) es un catalizador sobresaliente en la hidrosililación de alquinos terminales, alifáticos y aromáticos, a temperatura ambiente con completa regio- y estereoselectividad al isómero β(Z)-vinilsilano. Por otro lado, aunque el catalizador híbrido relacionado de rodio(III)-triazolilideno no es activo a temperatura ambiente, muestra la misma actividad y selectividad que el catalizador homogéneo a 60 °C. Adicionalmente, los catalizadores híbridos basados en grafeno modificado Rh-NHC@TRGO son completamente reciclables en la hidrosililación de alquinos con excelente control de la selectividad β-(Z). Los estudios por DFT del mecanismo de hidrosililación para el catalizador molecular de Rh(III) evidencian la posible participación de un mecanismo bifuncional metal-ligando basado en una ciclometalación reversible. Los materiales híbridos basados en complejos Ir(I)-NHC anclados a nanotubos de carbono a través de grupos éster, Ir(I)-NHC@CNT, son catalizadores eficientes en la oxidación química y electroquímica de agua. El estudio ha revelado que tanto los catalizadores moleculares homogéneos como los heterogéneos que poseen un ligando NHC funcionalizado con un grupo sulfonato son mucho más activos que los catalizadores moleculares relacionados con ligandos NHC no hidrosolubles, tanto en la oxidación química de agua, con CAN como oxidante de sacrificio, como en la oxidación electroquímica en la que se alcanzan valores de TOF de hasta 22000 h-1 a 1.4 V para el catalizador híbrido NHC-sulfonato. Por otro lado, se ha observado que la estructura grafítica del soporte juega un papel importante en el rendimiento electrocatalítico de oxidación de agua con complejos de iridio(I)-NHC soportados por enlace carbonato a dos óxidos de grafeno de diferente estructura grafítica. Se ha comprobado que el desplazamiento del ligando cloruro en los centros metálicos de iridio por grupos oxigenados de la pared nanoestructurada del grafeno tiene un impacto negativo en la actividad electrocatalítica del catalizador híbrido resultante., [EN]: The work developed in this Memory has been focused on the design, synthesis, characterization and stability studies of rhodium and iridium molecular compounds supported on carbon nanostructured materials. The catalytic activity of the new hybrid materials together and that of related molecular complexes of rhodium and iridium has been evaluated in the hydrosilylation of alkynes and in the chemical and electrochemical water oxidation, respectively. Rhodium(I) and (III) complexes supported on a thermally reduced graphene oxide at 400 °C by carbon‐nitrogen covalent bond between a mesoionic NHC ligand (4‐phenyl‐3‐methyl‐1,2,3‐triazole‐5‐ylidene) and the graphene wall, Rh(I)/Rh(III)‐NHC@TRGO, and related molecular complexes show high catalytic activity in hydrosilylation of alkynes with excellent regio‐ and stereoselectivity to the kinetic β‐(Z) vinylsilane isomer. Remarkably, the cyclometalated catalyst [Cp*RhI(C,C')‐Triaz] (Triaz = 1,4‐diphenyl‐3‐methyl‐1,2,3‐triazol‐5‐ylidene) shows an outstanding performance in the hydrosilylation of terminal, aliphatic and aromatic, alkynes with various hydrosilanes at room temperature with full regio‐ and stereoselectivity to β‐(Z)‐vinylsilanes. On the other hand, the related rhodium(III) triazolylidene hybrid catalyst is not active at room temperature although it shows an excellent catalytic performance at 60 °C. In addition, the hybrid catalysts based on modified graphene, Rh‐NHC@TRGO, are fully recyclable in alkyne hydrosilylation with excellent β-(Z) selectivity control. DFT studies on the alkyne hydrosilylation mechanism by the Rh(III) molecular catalyst point to the possible participation of a bifunctional metal‐ligand mechanism based on a reversible cyclometalation. The hybrid materials based on Ir(I)‐NHC complexes covalent attached to carbon nanotubes through ester functions, Ir(I)‐NHC@CNT, are efficient chemical and electrochemical water oxidation catalysts. The study has revealed that both homogeneous and heterogeneous molecular catalysts featuring NHC ligands functionalized with a sulfonate group are much more active than the related molecular catalysts lacking hydrosoluble NHC ligands, both in water chemical oxidation, using CAN as a sacrificial oxidant, or in electrochemical oxidation with TOF values up to 22000 h‐1 at 1.4 V for the sulfonate functionalized hybrid catalyst. On the other hand, it has been observed that the graphitic structure of the supports plays an important role in the water oxidation electrocatalytic performance of Ir(I)‐NHC complexes supported by carbonate bonding to two graphene oxides with different graphitic structure. A negative impact on the electrocatalytic activity has been found for the hybrid catalysts where the chloride ligand in the coordination sphere of the iridium metal centers has been displaced by oxygenated groups on the graphene nanostructured wall., Projects CTQ2016-75884-P, RTI2018-098537-B-C22, PID2019-103965GB-100, CTQ2013-42532-P and the Regional Governments of Aragón/FEDER/DGA 2014-2020 “Building Europe from Aragón” (groups E42_17R and E12_17R) and Principado de Asturias (FEDER: IDI/2018/000121).