Quantum chemical study of the catalytic properties of Fe(o) and Fe(+) in the industrial synthesis of urea

see the original item page
in the repository's web site and access all digital files if the item*

PhD thesis (EN)

2008 (EN)
Μελέτη των καταλυτικών ιδιοτήτων των Fe(o) και Fe(+) στη βιομηχανική σύνθεση της ουρίας με υπολογιστικές κβαντοχημικές μεθόδους
Quantum chemical study of the catalytic properties of Fe(o) and Fe(+) in the industrial synthesis of urea

Καριπίδης, Παρασκευάς

The present Thesis deals with the theoretical investigation of the prospective catalytic ability of Fe and Fe+ in the synthesis of urea from NH3 and CO2, according to the equation: The study has been carried out with the help of modern quantum chemical methods based on Density Functional Theory (DFT). The calculations have been performed at the UB3LYP/6-311G(d,p) level of theory for the Fe complexes, and the UB3LYP/6-31+G(d,p) and UB3LYP/dGnZVPm levels for the Fe+ complexes. The choice of these methods has been based on the results of extended test calculations performed on small model systems of Fe και Fe+, respectively. The structural and energetic properties of all possible reactants and products involved in the synthesis have initially been calculated, where two spin-states have been found to lie close in energy. These are the high-spin quintet (S = 2) and the intermediate-spin triplet (S = 1) states for Fe complexes, and the high-spin sextet (S = 5/2) and the intermediate-spin quartet (S = 3/2) states for Fe+ ones. Inter alia, the Fe- and Fe+-assisted CO2 decomposition in the absence and in the presence of up to three ancillary NH3 ligands has been explored for the two rival spin-states of each catalyst, according to the equation: Fe0/+ + xNH3 + CO2 → [Fe(NH3)x(CO2)]0/+ → [Fe(NH3)x(CO)(O)]0/+, where x = 0, 1, 2 or 3. Two possible pathways have been considered, namely the insertion mechanism and the addition mechanism, and the numerical results suggest that the former is kinetically favored over the latter. Moreover, the presence of the extra NH3 ligands substantially accelerates the process making it exothermic and spontaneous, hence plausible, under mild conditions. For the synthesis of urea two main mechanisms have been found to be of fundamental importance: i) mechanism A′, involving the CO2 decomposition in the first step of the procedure and ii) mechanism B′, involving the carbamic acid, H2NCOOH, and the isocyanic acid, HN=C=O, formation en route to the urea synthesis. Furthermore, the catalytic efficiency of Fe and Fe+ in the presence of excess ammonia (NH3:CO2 = 3) has thoroughly been explored. The rate and efficiency of the individual catalytic cycles proposed have been assessed via kinetic analysis. According to the theoretical findings, mechanism A′ is generally preferred over mechanism B′, while the presence of excess ammonia results in increased rates, irrespectively of the catalyst used. Fe atoms are predicted to exhibit better catalytic ability and enhanced efficiency over the urea synthesis, even though the procedure in this case is endothermic. On the other hand, Fe+ ions give lower rates of synthesis, whereas the process is strongly exothermic
Η παρούσα διατριβή αφορά την κβαντοχηµική µελέτη των πιθανών καταλυτικών ιδιοτήτων των Fe και Fe+ στη σύνθεση της ουρίας από NH3 και CO2, σύµφωνα µε τη χηµική εξίσωση: Η µελέτη πραγµατοποιήθηκε µε τη βοήθεια σύγχρονων κβαντοχηµικών µεθόδων οι οποίες στηρίζονται στη Θεωρία Συναρτησιακής Πυκνότητας (DFT). Για τα σύµπλοκα του Fe οι υπολογισµοί πραγµατοποιήθηκαν στο επίπεδο UB3LYP/6-311G(d,p), ενώ για τα σύµπλοκα του ιόντος Fe+ στα επίπεδα UB3LYP/6-31+G(d,p) και UB3LYP/dGnZVPm. Η επιλογή αυτών των επιπέδων των υπολογιστικών τεχνικών βασίστηκε στα αποτελέσµατα εκτεταµένων δοκιµαστικών υπολογισµών σε µικρά, µοντέλα συστήµατα των Fe και Fe+, αντίστοιχα. Αρχικά υπολογίστηκαν τα δοµικά και ενεργειακά χαρακτηριστικά των πιθανών αντιδρώντων και προϊόντων συµπλόκων της σύνθεσης, από όπου διαπιστώθηκε ότι δύο καταστάσεις spin βρίσκονται κοντά σε ενέργεια. Πρόκειται για την υψηλού spin πενταπλή (S = 2) και την ενδιάµεσου spin τριπλή (S = 1) κατάσταση των συµπλόκων του Fe και για την υψηλού spin εξαπλή (S = 5/2) και την ενδιάµεσου spin τετραπλή (S = 3/2) κατάσταση των συµπλόκων του Fe+. Μεταξύ άλλων, πραγµατοποιήθηκε εκτενής διερεύνηση της διάσπασης του CO2 τόσο από “γυµνά” άτοµα ή ιόντα σιδήρου, όσο και παρουσία ενός, δύο ή τριών µορίων NH3, για τις δύο επίµαχες πολλαπλότητες spin των αντίστοιχων καταλυτικών συστηµάτων: Fe0/+ + xNH3 + CO2 → [Fe(NH3)x(CO2)]0/+ → [Fe(NH3)x(CO)(O)]0/+, όπου x = 0, 1, 2 και 3. Μελετήθηκαν δύο πιθανοί µηχανισµοί διάσπασης, ο µηχανισµός παρεµβολής και ο µηχανισµός προσθήκης, από τους οποίους ο πρώτος είναι κινητικά ευνοϊκότερος. Επίσης, η παρουσία των ligands ΝΗ3 φαίνεται να επιταχύνει σηµαντικά τη διάσπαση και ταυτόχρονα την καθιστά εξώθερµη και αυθόρµητη και, κατά συνέπεια εφικτή, σε ήπιες συνθήκες. Όσον αφορά τη σύνθεση της ουρίας, διαπιστώθηκε ότι οι κυριότεροι µηχανισµοί είναι δύο: i) ο µηχανισµός Α′, ο οποίος βαίνει µέσω αρχικής διάσπασης του CO2 προς CO και O και ii) ο µηχανισµός Β′, ο οποίος βαίνει µέσω σχηµατισµού του καρβαµιδικού οξέος, H2NCOOH, και εν συνεχεία του ισοκυανικού οξέος, HN=C=O. Επίσης, µελετήθηκε η σύνθεση της ουρίας τόσο παρουσία στοιχειοµετρικής ποσότητας NH3 (ΝΗ3 : CO2 = 2 : 1), όσο και παρουσία περίσσειας ΝΗ3 (ΝΗ3 : CO2 = 3 : 1) στο µίγµα της αντίδρασης. Από την εκτεταµένη θεωρητική µελέτη προέκυψαν αρκετοί πιθανοί καταλυτικοί κύκλοι, για καθέναν από τους οποίους ακολούθησε κινητική µελέτη. Από τα αποτελέσµατα των µελετών αυτών διαπιστώθηκε ότι ο µηχανισµός Α′ είναι πολύ πιο ευνοϊκός σε σχέση µε το µηχανισµό Β′, ενώ η παρουσία περίσσειας ΝΗ3 οδηγεί πάντα σε µεγαλύτερες ταχύτητες σύνθεσης, ανεξάρτητα από το είδος του καταλύτη. Τέλος, προβλέπεται ότι τα άτοµα Fe έχουν καλύτερες καταλυτικές ιδιότητες και είναι δραστικότερα, έναντι των ιόντων Fe+. Παρόλα αυτά, στην πρώτη περίπτωση η σύνθεση είναι αρκετά ενδόθερµη, σε αντίθεση µε την δεύτερη όπου η αντίδραση είναι µεν αρκετά βραδύτερη, αλλά έντονα εξώθερµη

PhD Thesis / Διδακτορική Διατριβή

Διάσπαση CO2
Urea, Synthesis
Ουρία, Σύνθεση
DFT study
CO2 decomposition

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης (EL)
Aristotle University of Thessaloniki (EN)



Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Σχολή Θετικών Επιστημών, Τμήμα Χημείας

This record is part of 'IKEE', the Institutional Repository of Aristotle University of Thessaloniki's Library and Information Centre found at http://ikee.lib.auth.gr. Unless otherwise stated above, the record metadata were created by and belong to Aristotle University of Thessaloniki Library, Greece and are made available to the public under Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International license (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Unless otherwise stated in the record, the content and copyright of files and fulltext documents belong to their respective authors. Out-of-copyright content that was digitized, converted, processed, modified, etc by AUTh Library, is made available to the public under Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International license (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). You are kindly requested to make a reference to AUTh Library and the URL of the record containing the resource whenever you make use of this material.

*Institutions are responsible for keeping their URLs functional (digital file, item page in repository site)