木质纤维素中C-O键选择性活化和高效转化制化学品

高效转化来源丰富且可再生的木质纤维素制备化学品和燃料对建立可持续发展社会具有重要意义。木质纤维素利用的一条理想途径是将其主要成分纤维素、半纤维素和木质素在温和条件下高选择性地催化转化为关键平台化学品。本文综述了近年报道的有关纤维素、半纤维素和木质素或其模型分子中C–O键选择性活化生成葡萄糖、葡萄糖衍生物(包括葡萄糖苷、六元醇和葡萄糖酸)、木糖、阿拉伯糖和芳香化合物的新催化剂和新策略,阐述了决定催化性能的关键因素。本文还讨论了相关反应机理以深入理解C–O键选择性活化。纤维素由葡萄糖单元通过β-1,4-糖苷键连接而成,通过水解反应,选择性切断这些糖苷键可以获得葡萄糖或其低聚物。鉴于葡萄糖在水热条件下不稳定,发展纤维素温和条件下水解的酸催化剂至关重要。众多研究表明,均相酸催化剂(如无机酸,杂多酸等)具有强Br?nsted酸,在该水解反应中显示高的催化活性。另一方面,拥有强酸性基团-SO3H的固体酸也表现出优异的水解糖苷键性能,但是-SO3H官能团易于流失,限制了这类固体酸催化剂的循环使用。最近研究显示,一些催化剂尤其是碳材料上引入能够与纤维素形成氢键的官能团时,其催化纤维素水解性能显著增强。设计合成这类具备酸性位和氢键位协同效应的稳定固体酸催化剂是纤维素水解转化的一个颇具前景的研究方向。以醇替代水为溶剂实施纤维素醇解制葡萄糖苷是高效活化糖苷键的有效策略。杂多酸被证实为该醇解反应的高性能催化剂。在相同反应条件下,醇解产物葡萄糖苷较水解产物葡萄糖更为稳定,因此可以获得高的葡萄糖苷收率。开发稳定可重复利用的固体酸催化剂是纤维素醇解的关键。耦合水解与加氢或氧化反应可以直接将纤维素转化为相对稳定且具有广泛用途的多元醇或有机酸。目前已有一系列双功能催化剂被报道,这些催化剂通常组合了具备水解功能的液体酸或固体酸和具备加氢或氧化功能的贵金属或过渡金属(譬如Ru, Pt, Ni和Au)。其中杂多酸盐或含有磺酸官能团的固体酸负载Ru或Au双功能催化剂显示出优异的生成六元醇或葡萄糖酸的催化性能。半纤维素由葡萄糖、甘露糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖等单糖单元通过糖苷键连接而成,糖苷键选择性活化可生成各种单糖混合物。硫酸可以有效水解半纤维素,但是同时也易于催化所生成的单糖深度转化为呋喃及其衍生物。较之硫酸,酸性较弱的有机酸特别是二元羧酸(例如马来酸、草酸等)具有较高的单糖选择性。固体酸如酸性树脂,分子筛等亦可催化半纤维素水解反应,但树脂类催化剂中官能团的流失问题有待解决。木质素是由含甲氧基等取代基的苯丙烷单元通过一系列化学键连接而成的复杂大分子,其芳香单元间包括β-O-4,α-O-4和4-O-5等三种主要连接方式,选择性切断这些C–O键可获得高附加值的芳香化合物。水解和氢解是两类普遍用以活化木质素及其模型化合物C–O键的反应。酸和碱均可催化木质素及其模型化合物水解,但是通常需要苛刻条件获取高转化率。近期研究显示,通过对木质素Cα-OH预氧化,再以HCOOH/HCOONa实施水解反应,可以成功实现温和条件下有机溶剂提取木质素及其模型化合物的高效转化。另一方面,均相金属络合物(如Ni, Fe和Ru)或多相负载型金属催化剂(如Ni, Cu, Mo, Pt, Ru, Pd或Ru等)均可有效催化木质素及其模型化合物中C–O键氢解,获得芳烃化合物。在部分多相催化剂体系中,除C–O键活化断裂外,还伴随芳环深度加氢反应,产生较多环己烷衍生物。因此,设计合成具备氢解功能同时抑制过度加氢功能的催化剂是获得芳烃化合物的关键。     

三氟甲基烯烃的选择性C—F键活化最新进展（英文）

三氟甲基的选择性碳氟键活化是获得偕二氟类化合物的重要途径.鉴于三氟甲基烯烃在合成上的重要性以及反应选择性的多样性,近年来利用这类化合物的选择性碳氟键活化引起了极大的关注.综述了这一领域的研究进展,主要包括亲核加成/脱氟反应(S_N2’类型)、酸促进的脱氟傅克芳基化反应、(形式)原位脱氟官能团化反应以及过渡金属催化的迁移插入/脱氟反应.     

生物质转化中C―O/C―C键的活化断裂

生物质作为自然界中唯一可持续的有机碳来源,在解决环境和能源问题、创建一个碳中和的社会方面展现出巨大的潜力。木质生物质是由具有C―O/C―C键的基本结构单元构成的高分子化合物,活化、断裂这些C―O/C―C键是生物质高值化利用的关键,因此在过去十年中受到了广泛的关注。本文首先简要综述了生物质转化中C―O/C―C键催化断裂的现状,主要关注C―O/C―C键断裂的关键挑战和现有策略。我们的目标不是全面概述C―O/C―C键活化断裂的现况,而是提出与C―O/C―C键断裂相关的核心问题并且对未来的研究作出展望。我们选择了碳水化合物和木质素中几种具有代表性的C―O/C―C键来讨论它们在不同情况下协同催化断裂的机理,然后对未来的研究提出自己的见解。     

生物质转化中C―O/C―C键的活化断裂

Sustainable fuels and chemicals are receiving unprecedented attention worldwide in the context of achieving global carbon neutrality. Biomass, as the only natural and sustainable carbon-based source, shows great potential in addressing our current environmental/energy problems and in creating a carbon-neutral society. Lignocellulosic biomass is made up of basic structural units containing C―O/C―C bonds, and the catalytic cleavage of these C―O/C―C bonds is the key for biomass valorization; thus, garnering considerable attention in the past decade. This viewpoint begins with a brief report on the current status of catalytic activation/cleavage of C―O/C―C bonds during biomass conversion, and then goes on to discuss the key challenges experienced and possible strategies that can be implemented using cooperative catalysis. Our goal is not to provide a comprehensive overview of the activation/cleavage of the C―O/C―C bonds in biomass, but rather to highlight the core questions and challenges related to this process and the requirements for future investigations. We selected several representative C―O/C―C bonds in carbohydrates and lignin to discuss their catalytic mechanism in terms of total/selective bond cleavage, and then present our own insights for future studies. Therefore, this article mainly discusses the following two aspects: (1) The activation and cleavage of C―O bonds, which includes total and selective C―O bond cleavage in furan-based fuel precursors and lignin. When aiming to produce liquid fuels, including alkanes and arenes from biomass, the total cleavage of C―O bonds is essential. During the hydrodeoxygenation (HDO) of furan-based fuel precursors, various C―O bonds need to be cleaved, especially the C―O bond of each tetrahydrofuran ring, which has the highest bond energy. When compared with the total HDO of fuel precursors, the removal of the phenolic hydroxyl groups in lignin to produce arenes is more challenging because of the competition between the over-hydrogenation of the benzene rings and the cleavage of phenolic C―O bonds. The selective or partial cleavage of C―O/C―C bonds to form highly functionalized chemicals has recently attracted great interest and is believed to be a dynamic future research avenue. For example, the production of phenol from lignin or lignin-model compounds, through the selective removal of methoxy groups and para-side-chain groups, while preserving the phenolic hydroxyl groups, has been extensively explored in the past few years. (2) The other important aspect of this article is the cleavage of the C―C bonds in carbohydrates and lignin. The cleavage of carbohydrate C―C bonds occurs via retro-aldol condensation, which produces propylene glycol, ethylene glycol, ethanol, and lactic acid. The cleavage of C―C bonds in lignin is challenging because the bond energy of the C―C bonds is generally higher than that of the C―O bonds in lignin. Therefore, in this section, we discuss the cleavage of the strongest 5―5' bond in lignin. Finally, some subjective perspectives and future directions are provided, also highlighting several major challenges in this field.      

过渡金属催化的区域选择性芳烃C—H键氧化生成C—O键（英文）

近年来过渡金属催化的芳烃直接C—H氧化反应取得了重要进展,该策略被用于多种酚类化合物的制备.反应体系使用的过渡金属催化剂包括钯、铜、钌、铱等;氧化剂包括高价碘化合物、过硫酸盐、氧气等.此前已有多篇综述就特定的过渡金属或氧化剂参与的C—H氧化反应进行了详尽的讨论.本综述着重探讨过渡金属催化的邻、间、对位选择性的芳烃C—H氧化反应,并试图阐释上述区域选择性的产生机制,其中包括导向基团的螯合辅助作用、配体控制、底物自身因素等.在讨论部分提出了过渡金属催化的芳烃C—H氧化反应中存在的问题以及影响该策略发展应用的可能限制因素.     

V/P复合氧化物上C–H键活化的密度泛函研究（英文）

选择氧化催化剂通常为多组分复合氧化物.一般认为,高价过渡金属的端末双键氧(M=O)是烷烃活化的中心,而非金属端氧(NM=O)与烷烃活化无关.但近期的理论研究发现,复合氧化物中非金属端氧也可能参与烷烃活化.本文采用密度泛函方法(B3LYP)对比V=O和P=O的脱氢活性,并深入揭示二者的差异.H脱除反应可以视为是质子偶联电子传递的过程.对于V/P复合氧化物,V5+充当电子的受体,而V=O和P=O均可接受质子.由于P=O具有更强的质子化能力,导致PO–H键能比VO–H有利6–10 kcal/mol.对于烷烃活化,V=O和P=O脱氢的能垒均可与反应焓变很好地关联,但二者线性回归的截距相差6.2 kcal/mol,说明在相同的焓驱动下,P=O脱氢需要克服更高的能垒.根据Marcus模型,反应的能垒不仅取决去反应焓变,还与内部重组能有关.计算表明,在脱氢过程中,P=O需克服的重组能为128–140 kcal/mol,比V=O过程高出21–23 kcal/mol.这很好地解释了前面的计算结果.应该指出的是,除了反应热力学驱动和重组能外,在势能曲线相交处的电子耦合作用(?HAB?)亦对能量有一定的影响.丁烷选择氧化制顺酐可能经过2-丁烯,丁二烯,2,5-二氢呋喃和丁烯酸内酯等一系列中间体,共有8个H原子在反应过程中需要脱除.对于丁烷的脱氢,P=O的能垒仅比V=O低1.3 kcal/mol,说明初始反应时二者是竞争的.但对于2-丁烯和2,5-二氢呋喃,二者活化能的差距增加为6–7 kcal/mol,说明这时P=O脱氢将占主导.而对丁烯酸内酯活化,二者活化能的差异又缩小到2.5 kcal/mol,表明V=O又具有一定的竞争力.事实上,这种能垒的差异与端氧的亲核性密切相关.P=O更具亲核性,因此有利于被更具酸性的C–H键进攻.根据Evens的估计,烷烃C–H键的p Ka为50左右,而烯丙基性C–H为43.这就很好地解释了为什么2-丁烯和2,5-二氢呋喃更容易和P=O发生反应,而丁烷脱氢二者差异不大的原因.这些理论研究可以加深我们对复合氧化物催化剂上活性位点的认识,并为催化剂的理性设计提供理论支撑.     

双金属促进的均相碳氢键活化反应（英文）

近年来,过渡金属催化的碳氢键活化反应得到了快速的发展,已成为构建碳碳键及碳杂原子键的重要手段之一。利用双金属之间的协同效应,发展的双金属促进的碳氢键活化反应也引起了广泛的关注,并在均相催化领域里取得了良好的应用。双金属促进的碳氢键活化反应与单金属催化的碳氢键活化反应相比,能够表现出不同的化学选择性、区域选择性以及立体选择性,体现了其独特之处。本综述总结了各种双金属促进的碳氢键活化体系,同时依据实验和理论研究结果对可能的反应机理进行了探讨。     

三氧化钨基催化剂在纤维素选择性转化合成二元醇反应中的活性相态（英文）

纤维素是自然界最丰富的生物质资源,大量来源于农林废弃物.近年来,人们相继发展了以纤维素为原料合成高附加值化学品的多条路径,它们有望替代目前相应的化石资源路径.其中,以碳化钨(W₂C)、三氧化钨(WO₃)和钨酸(H₂WO₄)为代表的钨基催化剂表现出选择性断裂糖分子C-C键的独特催化性质,结合不同种类的共催化剂,可以将纤维素直接解聚转化为乙二醇、1,2-丙二醇、乙醇和乳酸等多种重要的C_2,3产物.然而,钨基催化剂在纤维素反应中的真实状态和活性相结构尚不确定.W₂C最早被报道可以高效催化纤维素直接转化为乙二醇.随后,我们发现晶态WO₃也具有相似的催化性能,W₂C在反应后其表面被WO₃所覆盖.在纤维素反应中,氢气可以将H₂WO₄还原为钨青铜(H_xWO₃)物种.本文以WO₃和H₂     

Murai反应中芳香酮邻位C–H键活化的区域选择性的理论研究

钌催化剂RuH_2(CO)(PPh_3)_3使Murai反应中芳香酮β位C–H键的催化活化反应具有极高的产率与选择性.本文采用密度泛函(DFT)方法研究了钌配合物催化芳香酮邻位C–H键活化的反应机理,剖析了芳香酮C–H键活化反应中产生区域选择性的原因.计算结果表明,C–H键的活化位垒为1.1 kcal/mol,从反应动态学角度很好地解释了该反应的区域选择性.通过路径a与路径b的比较,发现C=C双键更容易插入到Ru–H键而不是Ru–C键中.另外,无论C–C键形成(C–C活化过程)出现在路径a的烯烃插入基元反应,还是出现在路径b的还原消除基元反应,C–C键形成步骤都是整个催化反应的决速步骤.与路径a和b比较,反应路径c中C–C键形成过程的空间位阻较大,能垒也更高.     

铜–锑双金属合金高效电催化还原二氧化碳制乙烯（英文）

随着全球工业化进程的快速发展,日益增多的人类活动不仅加速化石燃料的消耗,还会导致温室气体二氧化碳(CO₂)的大量排放.同时,CO₂也是廉价、无毒无害、储量丰富的C₁资源,将其转化为有价值的化学品具有碳资源合理利用和环境保护的双重意义.近年来,采用电化学方法温和条件下还原CO₂为重要化学品和燃料引起广泛关注.其中,探索廉价电催化剂,高效催化还原CO₂为C₂产物仍是一个具有挑战性的课题.铜基催化剂由于自身低成本和可还原CO₂为多种碳氢产物的优点而备受关注.然而,铜基电催化材料具有选择性差、失活严重和效率低等缺点,并且在电催化还原CO₂过程中需要较高的过电位,反应过程中会受到氢气析出副反应的影响.为了得到一种化学性质稳定、高电流密度和高选择性等优点的材料在电催化CO₂还原中得到了广泛的研究.然而,单纯的铜催化剂对CO₂分子的活化以及反应中间体的吸附能力较低,导致了铜基材料催化...     

纳米金催化(杂环)芳基酯与卤代烷经由C—O键活化的酯交换反应（英文）

报道了一种纳米金催化(杂环)芳基酯与卤代烷经由C—O键活化的酯交换反应.在一系列负载金纳米颗粒和钯纳米颗粒催化剂中,粒径为3.63nm,负载量为3wt%的Au/γ-Al_2O_3催化剂表现出最佳催化活性.该催化剂重复使用五次后仍表现出较高活性.对反应前后催化剂的X射线光电子能谱(XPS)分析表明,该反应可能是通过以Au~0为始态的催化循环来进行的.     

Fe-N-C单原子催化剂的C-H键选择性氧化反应（英文）

C-H键活化是近年来发展最为迅速的研究领域之一,从自然界中广泛存在C-H键的简单底物为原料,利用C-H键直接活化策略来构建高附加值的化学品是一类具有高原子经济性的化学反应.然而,由于C-H键的稳定性使得C-H键的选择性官能团化过程具有极大的挑战.例如,烃类化合物的C-H选择性氧化生成醇/酮化合物在C1化学以及有机合成反应中占据重要地位,同时C-H键的高解离能以及氧化试剂的高活性往往使得这类反应的选择性难以调控.近日,中科院大连化学物理研究所张涛和王爱琴领导的团队在脂肪族、芳香族烃类化合物的C-H选择性氧化反应中取得新的研究进展.作者使用Fe-N-C单原子催化剂,化学计量的叔丁基过氧化氢为氧化剂,在室温条件下实现了烃类化合物的选择性氧化反应,一系列底物包括带有吸电子基团的硝基(-NO_2)、供电子基团的甲氧基(-OCH_3)、杂环化合物以及脂肪族化合物(环己烷)均可以高选择性(98%)实现转化.事实上,Fe-N-C单原子催化剂的活性与选择性可与均相催化剂([Cu((R,R)-BPBP)]+)相媲美,同时该催化剂在绿色水溶剂中表现出优异的循环稳定性.这项工作的另一个意义在于建立起多相催化领域中活性位点与反应性能之间的构效关系.通过HAADF-STEM,XPS,XAS,ESR及穆斯堡尔谱等表征手段,清楚地证明Fe-N-C催化剂中三价铁离子存在多种配位结构(FeN_x,x=4,5,6),催化剂活性与Fe-Nx的特定结构密切关联.C-H键选择性氧化反应的最高活性位点为中自旋FeN_5位点,其活性高出低自旋/高自旋的FeN_6位点一个数量级,是FeN_4位点活性的3倍之多.而该FeN_5结构的数量在Fe-N-C-700的单原子催化剂上仅占18%,说明Fe-N-C催化剂的活性具有很大的提升空间.文中报道的Fe-N_x-C催化剂可被认为是一类新型的单原子催化剂,其中,N_x基团为一种强有力的配体.由于单原子催化剂兼具均相催化剂孤立均一的活性位点及多相催化剂易于循环使用的优势,单原子催化剂有望成为连接均相催化与非均相催化的桥梁.目前,单原子催化剂已成为多相催化领域一个新的研究热点与前沿.这篇工作中的FeN_5位点与血红蛋白的Fe中心结构类似,从这个角度出发,FeN_5位点为连接酶催化剂与多相单原子催化剂提供了一个很好的案例.然而,FeN_5位点周围环境的细微变化都会直接影响其反应活性以及选择性,从而导致多相催化中的FeN_5具有较差的O_2活化能力.因此,设计更为高效的多相单原子催化剂,实现类似于酶催化中高效高选择性地活化底物分子,仍然具有很大的挑战与空间.     

竹浆纤维素转化制低碳多元醇反应中有机氮对金属催化剂稳定性影响的研究（英文）

采用等体积浸渍法制备了一系列多孔竹炭负载的有机氮掺杂的镍钨催化剂,并将其应用于催化竹浆纤维氢解制C_(2,3)多元醇反应。有机氮源与催化剂前驱体中Ni~(2+)络合,高温煅烧时载体表面碳、氮和金属离子相互作用后生成一定量的C_3N_4、氮化物和合金物相。通过XRD、XPS和TEM等表征手段分析了催化剂Ni-W/MBC表面物理化学性质与催化活性间的关系。结果表明,除了金属镍、氧化钨物相外,表面还含有Ni-W合金(NiWO_4为主);金属粒子表面包围了一层石墨化C_3N_4物相。XPS分析表明,有机氮源高温分解反应后形成了C_3N_4物相。在反应条件下,15%Ni-20%W/MBC@M-0.25催化剂得到乙二醇收率为55.8%,而未添加有机氮源的催化剂15%Ni-20%W/MBC获得的乙二醇收率仅为36.9%。催化剂稳定性实验结果表明,Ni-W合金和C_3N_4物相的形成显著增强了Ni-W/MB催化剂的稳定性,延长了催化剂寿命。     

多孔炭材料在纤维素催化转化中的应用（英文）

生物质作为自然界唯一可再生的有机碳资源,其利用受到了越来越多的关注.特别是随着能源和环境危机的日益加重,将生物质中非可食用部分催化转化为燃料及具有高附加值的化学品被认为是高效、环保、原子经济的绿色过程.同时,多孔炭材料具有丰富的孔道结构、优异的水热稳定性和大比表面积,是生物质催化转化反应中最常用的载体材料之一.兼之炭材料表面极性、亲疏水性的可调变性,及对酸碱溶剂的反应惰性,也使其无论在学术研究还是在工业应用中都具有特殊的优势.另外,随着纳米炭材料科学的飞速发展,合成孔径、形貌、及表面官能团可控的介孔炭和具有多级孔道结构的多孔炭材料成为可能,将其应用到纤维素催化转化过程中,对深入理解孔道结构、表面官能团对纤维素转化的作用,揭示催化反应作用机制,指导炭基催化剂的设计合成,均具有重要意义.在本综述中,我们首先对纤维素转化中多孔炭的孔道结构和表面官能团性质的独特作用进行了阐述.由于商业活性炭的孔径一般在微孔尺度,但纤维素及可溶低聚糖的分子体积较大,因而其在活性炭中的传质受到了极大的限制.通过模板法获得的介孔炭材料,可实现孔径在2–10 nm的可控合成,大大提高了反应物的扩散速率,使之能与催化活性位有效接触.但孔道过于狭长,在反应过程中堵塞的可能性增高,进而导致催化剂失活;因此,在介孔孔道的基础上,建立互通的多级孔道结构对反应物、中间物、和产物的扩散,及催化活性的保持更为有利.另一方面,炭材料表面的含氧官能团不仅具有加强1,4-糖苷键吸附的作用,还可以作为酸性活性中心催化水解反应的进行;尤其是在传统的水相纤维素催化转化过程中,亲水表面对多孔炭催化剂与反应物的接触非常有利.本文以纤维素水解及纤维素水解加氢反应为例,展开讨论了多孔炭作为固体酸及双功能催化剂载体的应用.在水解反应中,纤维素首先在热水中降解为可溶低聚糖,之后再与活性炭表面官能团反应;其中多孔炭的比表面积、酸量、及酸强度均是促进水解发生的正向因素.在水解加氢反应中,炭载贵金属催化剂作为最常用的加氢催化剂,可获得以六元醇为主的纤维素转化产物.除了加氢作用之外,贵金属小颗粒被证实可以通过氢溢流作用提供水解所需的H+,同时,正价的贵金属也可促进反应过程中的氢转移.另一方面,由于钨物种可催化逆羟醛缩合反应的发生,因此在反应体系中引入钨物种时,水解加氢的主要产物由六元醇变为乙二醇.需要特别指出的是,在纤维素催化水解加氢的过程中,多孔炭材料作为载体同样具有非常重要的作用:一方面,三维介孔的孔道结构不仅有利于反应物、产物的扩散,也有利于加氢金属催化剂的分散,进而提高金属的催化加氢能力;另一方面,当炭材料的表面化学性质改变时,也会影响产物的选择性分布,例如当炭表面显碱性时,由于异构化作用,丙二醇成为主要产物.本文最后,我们列举了一些新型多孔炭材料,包括杂原子改性的多孔炭材料和金属氧化物-炭复合多孔材料的合成方法及其在纤维素催化转化乃至生物质转化中的潜在应用.     

六方氮化硼催化的乙烷丙烷共脱氢:一种C–H键活化和机理研究的有效手段（英文）

乙烯、丙烯等低碳烯烃是化学工业重要的原料.目前工业化的低碳烷烃脱氢制烯烃技术均为直接脱氢技术,例如基于Pt-Sn催化剂的Oleflex工艺以及基于CrO_x的Catofin工艺.相对于直接脱氢,氧化脱氢具有不受热力学限制和避免积碳生成的优点.然而,传统的氧化脱氢催化剂(例如VO_x)难以抑制深度氧化副反应的发生,因而使目标产物烯烃的收率受到抑制.近年来,六方氮化硼(h-BN)对低碳烷烃氧化脱氢过程表现出的高催化活性以及高烯烃选择性,受到了国内外研究者的广泛关注.同时, h-BN在烷烃反应级数以及表观活化能等方面表现出明显不同于其他烷烃脱氢催化剂的性质.研究表明,气相自由基反应对h-BN的催化活性具有重要贡献.但是,烷烃表观反应级数为2这一现象始终没有得到较好的解释.本文针对该问题展开了探索.本文以乙烷和丙烷的混合烷烃作为反应物,研究h-BN催化的氧化脱氢过程.结果表明,丙烷的存在可以显著促进乙烷脱氢转化的速率,在580oC下,少量丙烷的引入可以使乙烷的转化率提高47%.同时,固定乙烷分压不变时,乙烷氧化脱氢速率对丙烷分压的表观反应级数为1.这说明...     

多孔有机聚合物负载钯作为高效C–C偶联反应多相催化剂（英文）

Pd催化的C-C均相偶联反应,如Suzuki,Heck和Sonogashira广泛应用于有机合成、药物化学、材料科学等领域.均相催化剂具有难分离和不易循环利用的缺点,因而其应用有所受限.因此,开发具有高稳定性和高活性以及可循环性的Pd负载的多相催化剂具有重要意义.多孔有机聚合物具有独特的多级孔结构以及良好的稳定性,因而为制备新型的多相催化剂提供了可能.本文将乙烯基修饰的1,10-菲罗啉有机配体与二乙烯基苯共聚得到了菲罗啉功能化的多孔有机聚合物(PCP-Phen),负载Pd(OAC)_2后所制催化剂(Pd/PCP-Phen)在Suzuki,Heck和Sonogashira等偶联反应中表现出优异的活性、选择性和稳定性.固体核磁和红外结果表明所合成的多孔有机聚合物具有1,10-菲罗啉有机配体;热重分析显示该聚合物具有较高的热稳定性;N_2吸附测试表明该多孔有机聚合物及其钯负载物均具有丰富的介孔结构(11.2和7.3 nm)和大的比表面积;扫描电镜和透射电镜结果确也证实了它们具有丰富的介孔结构.X射线光电子能结果表明,Pd/POP-Phen催化剂中Pd 3d_(5/2)和Pd 3d_(3/2)的结合能分别为337.6和343.1 eV,略低于Pd(OAc)_2的(338.6和343.8eV).同时,该催化剂的N 1s结合能为400.0 eV,高于POP-Phen的399.3 eV.由此可见,该催化剂中菲罗啉有机配体与Pd物种有很强的配位作用.将得到的Pd/POP-Phen催化剂用于Suzuki,Sonogashira以及Heck反应,对于Suzuki反应,当以溴苯和苯硼酸为底物,乙醇和水(2:3)为溶剂时,反应30 min联苯的产率高于99%;而在菲罗啉和醋酸钯(Pd/Phen)混合均相催化剂作用下,同样条件下转化率仅为1.7%.可见,Pd/POP-Phen多相催化剂在Suzuki反应中的催化活性高于均相催化剂.更为重要的是,该催化剂在循环使用五次后并未见明显的失活,且在反应液中也未检测到Pd,说明反应中金属物种基本上没有流失,与Pd/POP-Phen多相催化剂的高稳定性一致.当将反应物扩展到多种不同底物时,Pd/POP-Phen催化剂均显示出非常优异的催化性能.在Sonogashira和Heck反应中,该多相催化剂也有非常好的催化性能.在碘苯和苯乙炔为反应物的Sonogashira反应中,于120℃进行30 min后,转化率即可达99%以上,高于Pd/Phen均相催化剂(93%);且该反应在没有CuI参与下也可以进行,从而避免了副产物二苯炔的形成.在碘苯和丙烯酸甲酯为底物的Heck反应中,于130℃只需反应20 min转化率可达到99%,也优于相应的均相催化剂.循环实验表明,该催化剂具有很高的稳定性.Pd/POP-Phen多相催化剂表现出高于均相催化剂的活性,主要原因归于催化剂孔道中相对较高的反应物浓度.在多相催化反应中,因为其丰富的多孔结构对反应物具有很强的富集作用,从而使得多相催化剂里的反应物浓度大大高于均相催化剂.例如,在Suzuki反应中,溴苯在多相催化剂中的浓度是均相催化体系的14倍.     

特定位点沉积富电子钯实现醇氧化中超高碳氢键活化（英文）

C–H键活化是石油化工、制药及精细化学品工业中的一个关键步骤,负载型Pd基催化剂因其优异的催化活性而在该反应中得到广泛应用.在过去的研究中,人们发现引入第二金属组分能够改变Pd的配位结构和电子结构,进而影响其C–H键活化的催化性能.但是由于缺乏对Pd空间位置、电子结构和催化活性之间关系的深入理解,通过精确控制Pd电子结构来优化其催化活性这一设想仍难以实现.主要的挑战在于:(1)在特定的位点上沉积Pd;(2)连续调控Pd的表面电子结构;(3)精确表征低含量Pd样品中Pd的位置和电子结构.本文采用分步光沉积方法合成了Au Pdx/TiO₂催化剂.该方法首先利用光生电子的还原作用将Au Cl4-还原成Au纳米颗粒沉积在载体TiO₂上.由于Au具有高功函,光生电子会富集在Au上,因此在随后的Pd沉积过程中,Pd会优先沉积在Au表面形成Au@Pd核壳结构.Au表面不同位置具有不同的电荷,因此通过调控Au/Pd比例可以实现在不同的Au表面位点上沉积Pd.借助高灵敏度低能离子散射(HS-LEIS)技术,我们精确表征了表面层的Au/Pd原子比例,并与理论模型...     

电极表面第二配位环境对水氧化分子催化剂O–O键形成机理的调控（英文）

水氧化反应可以提供四个电子和四个质子,反应产物是可以资源化的氧气,因而,水氧化反应是大规模能源转化和存储技术理想的阳极反应.但是,由于水氧化反应具有较高的热力学能垒,涉及四个电子和四个质子的转移过程以及氧-氧键(O–O)的形成,是一个耗能高且动力学缓慢的复杂反应.因此,开发高效的水氧化催化剂来加速水氧化反应速率,对于能源转化和存储相关技术至关重要.然而,人们对水氧化催化剂的合理设计和在催化反应中提高反应活性的方法了解甚少,在温和条件下促进O–O键的有效形成仍然是一个根本性的挑战.迄今为止,关于水氧化分子催化剂的研究主要集中在催化剂的配位结构(第一配位环境)和催化效率之间的关系上,水氧化分子催化剂的第二配位环境对其催化活性的影响尚未得到充分研究.将催化剂引入到电极表面时,其催化环境和均相反应时完全不同.因此,水氧化催化剂在电极表面的催化反应动力学、质子耦合电子转移过程以及其O–O键形成机理可能发生改变.本文以4-乙烯基吡啶为轴向配体的[Ru(bda)](络合物1, bda=2,2’-联吡啶-6,6’-二羧酸)水氧化分子催化剂,通过电化学聚合的方法将络合物1固载在玻璃碳电极表面,用于研究第...     

单原子合金对烷基C-H键活化调控的理论研究（英文）

单原子合金是指活性金属原子分散在Cu、Ag或Au载体上所构成的催化剂,近年来已成为单原子催化研究中的一颗“新星”.单原子合金上孤立活性位点与载体金属的电子结构不同,具有奇异的电子结构,故通常表现出独特的催化行为.目前尚缺乏一种可靠的单原子合金催化特性描述符.本文系统地考察了甲烷、丙烷和乙苯在15种Rh、Ir、Ni、Pd和Pt掺杂Cu(111)、Ag(111)和Au(111)单原子合金上初始C-H键活化.密度泛函计算表明,烷基C-H键的活化能垒与d带中心和H原子吸附相关较差,而与反应能之间相关性较好.理论分析表明,C原子在顶位的吸附与C-H活化过渡态之间存在着轨道相互作用的相似性,不仅涉及到σ对■轨道给予,也涉及d_xy/d_yz轨道的π反馈.据此,C原子吸附能与甲烷、丙烷和乙苯C-H键活化能也具有很强的相关性(R²>0.9).     

碘介导下通过氧化性C—O键形成合成异噁唑类化合物（英文）

通过碘介导的氧化性C—O键形成反应由易得的α,β-不饱和肟合成了一系列单、双和三取代(芳基、烷基和/或烯基)的异噁唑类化合物.该合成方法具有不使用过渡金属、操作简单、反应条件温和、反应时间短,以及底物适用范围广等优点.