Co-N/m-C高效催化空气下醇直接氧化成酯

酯类在有机合成中作为基础材料广泛地应用于精细化学品, 农用化学品, 药物等的生产中. 传统生产酯的方法需要用到羧酸, 酸酐, 酰卤或酮类, 并经过多步反应完成. 往往会造成原材料的浪费, 并伴随副产物的产生. 因此用醇代替酸或其衍生物与另一种醇反应直接氧化酯化合成相应的酯具有很大的经济意义. 目前已有基于贵金属(如钌, 钯和金)的将醇类直接氧化为酯类的催化剂的研究, 但是贵金属的价格及其有限的资源限制了其在实际生产中的应用. 从经济发展和环境保护的角度出发, 开发基于非贵金属的用于醇氧化酯化的催化剂有重要意义.近年来, 碳材料由于成本低? 稳定性高? 电化学性能优异的特点而广泛应用于材料? 化学催化和电化学催化等领域. 此外, 杂原子和金属的引入可以在一定程度上调节材料的组成, 电子结构和表面物理化学性质而进一步构建新的活性位点, 增强碳材料的催化性能. 另外, 由于多孔碳材料具有较大的比表面积和多样的孔结构, 作为催化剂载体比普通碳材料更优越, 使得底物更容易接触活性部位, 同时提高氧的传输能力. 然而, 活性钴物种因在热解过程中容易发生团聚而使原子催化效率降低. 因此设计和制备高分散且高效的催化剂对于实现醇氧化为酯有重要意义.钴基氮掺杂碳材料是一种有潜力的能将醇直接氧化到酯的经济, 高效, 环保的催化剂. 本文提出了一种方便, 快捷, 高效的醇直接氧化成酯的方法, 即利用直接热解大分子前驱体制备钴改性N掺杂介孔碳材料(Co-N/m-C), 用于醇直接氧化成酯反应中, 其中以900 oC下焙烧所制的催化剂活性最高. 该催化剂对于苯甲醇直接有氧氧化成苯甲酸甲酯反应的TOF值高达107.6 h?1, 远高于目前所报道的过渡金属基纳米催化剂的, 这得益于超分散钴物种与材料中吡啶氮之间的强配位作用及大的介孔比表面积. 对于不同结构的醇, 包括苄基醇, 烯丙基醇和杂环醇, 也能高收率地得到相应酯, 说明该催化剂具有普适性. 另外, Co-N/m-C-900催化剂经循环使用六次后没有显著的活性损失, 表明了该催化剂具有一定的稳定性.

Superior performance of Co-N/m-C for direct oxidation of alcohols to esters under air

A convenient, expeditious, and high-efficiency protocol for the transformation of alcohols into esters using a Co-modified N-doped mesoporous carbon material (Co-N/m-C) as the catalyst is proposed. The catalyst was prepared through direct pyrolysis of a macromolecular precursor. The catalyst prepared using a pyrolysis temperature of 900 °C (labeled Co-N/m-C-900) exhibited the best per-formance. The strong coordination between the ultra-dispersed cobalt species and the pyridine nitrogen as well as the large area of the mesoporous surface resulted in a high turnover frequency value (107.6 mol methyl benzoate mol–1 Co h–1) for the direct aerobic oxidation of benzyl alcohol to methyl benzoate. This value is much higher than those of state-of-the-art transition-metal-based nanocatalysts reported in the literature. Moreover, the catalyst exhibited general applicability to various structurally diverse alcohols, including benzylic, allylic, and heterocyclic alcohols, achieving the target esters in high yields. In addition, a preliminary evaluation revealed that Co-N/m-C-900 can be used six times without significant activity loss. In general, the process was rapid, simple, and cost-effective.