铜催化CO2和1-苯基丙炔的氢羧基化反应机理及区域选择性

采用密度泛函理论(DFT)方法研究了在还原剂(EtO)₃SiH存在下, 铜(I) (Cl₂IPrCuF)催化CO₂插入1-苯基丙炔生成α,β不饱和羧酸的反应机理. 计算结果表明, Cl₂IPrCuF 首先与(EtO)₃SiH 生成活性催化剂Cl₂IPrCuH,然后经历三个步骤完成催化反应: (1) Cl₂IPrCuH 与1-苯基丙炔加成生成烯基铜中间体. 由于炔烃的不对称性,烯基铜中间体有两种同分异构体, 最后可导致生成两种对应的α,β不饱和羧酸衍生物; (2) CO₂插入烯基铜中间体得到羧基铜中间体; (3) (EtO)₃SiH 与羧基铜中间体发生σ转位反应形成最终产物, 同时重新生成催化剂Cl₂IPrCuH. 理论研究还表明, 生成两种α,β不饱和羧酸衍生物的反应路径所对应的决速步骤不同, 在Path a 中炔烃插入反应和CO₂插入反应都可能是整个催化反应的决速步骤, 自由能垒分别为68.6 和67.8 kJ·mol^-1, 而在Path b中, 仅炔烃插入反应是整个催化反应的决速步骤, 自由能垒为78.7 kJ·mol^-1. 此结果很好地给出了实验上两种α,β不饱和羧酸衍生物收率不同的原因. 炔烃与Cl₂IPrCuH的加成决定了反应的区域选择性, 其中电子效应是影响反应区域选择性的主要原因.     

微量热法研究燃料电池PtRu/C催化剂的CO微分吸附热

用微量热法技术测量CO的微分吸附热以探测碳负载的单金属Pt,Ru及双金属Pt-Ru催化剂的CO表面吸附位.结果表明,单金属Pt催化剂显示出最高的初始微分吸附热(q_initial=125 kJ·mol^-1);单金属Ru催化剂具有最低的初始微分吸附热(q_initial=109 kJ·mol^-1);三种双金属PtRu催化剂的初始微分吸附热(q_initial=124～112 kJ·mol^-1)界于两种单金属之间.当双金属PtRu催化剂Pt:Ru原子比为1:2时,催化剂Pt原子表面上的强CO吸附位(> 112 kJ·mol^-1)被Ru原子所覆盖而完全消失.     

简单的配体改变调控钌配合物催化还原CO2的活性：硼基配体的对位效应和Ru―H键的性质

开发高效的催化剂用于催化还原CO₂转化为甲酸和它的盐类已经成为研究的热点,是因为将CO₂转化为C1产物不仅可以解决CO₂的含量升高带来的环境问题,还可以解决化石能源燃烧日趋严重的问题。贵金属配合物催化CO₂转化为甲酸和甲酸盐类是目前这类反应最有效的方式,尤其是Ru、Ir和Rh等贵金属。我们之前的研究结果表明Ir(Ⅲ), Ru(Ⅱ)类配合物催化还原CO₂转化为甲酸盐的活性是由配合物Ru―H键的成键性质决定的。它们能高活性的催化CO₂是由于它们都含有同一种特点的Ru―H键,是由Ru的sd²杂化轨道和H的1s轨道杂化而成的,而且这一特点可以被活性氢的对位配体显著影响。鉴于硼基配体具有强的对位效应,我们基于高活性的均相催化剂Ru(PNP)(CO)H₂ (PNP = 2, 6-二(二叔丁基磷甲基)-吡啶)设计了Ru-PNP-HBcat和Ru-PNP-HBpin,并计算了二者催化还原CO₂的活性。Bcat和Bpin配体是实验上常用的硼基配体。我们的计算结果表明Ru-PNP-HBcat和Ru-PNP-HBpin有比Ru-PNP-H₂更长的Ru―H键、亲核性更强的活性氢,其Ru―H键中的Ru原子的d轨道杂化成分的贡献也比Ru-PNP-H₂的更少。相应地Ru-PNP-HBcat和Ru-PNP-HBpin活化CO₂的能垒比Ru-PNP-H₂低。而且Ru-PNP-H₂、Ru-PNP-HBcat和Ru-PNP-HBpin催化CO₂转化为甲酸盐的能垒分别为76.2、67.8、54.4 kJ∙mol^-1,表明Ru-PNP-HBpin具有最高的催化活性。因此,钌配合物催化还原CO₂的活性可由硼基配体强的对位效应和Ru―H键的成键性质来调控。     

铑催化吲哚与乙烯基三乙氧基硅烷的C—H烯基化反应

研究了铑催化N-嘧啶吲哚与乙烯基三乙氧基硅烷的C—H烯基化反应. 在以二氯（五甲基环戊二烯基）合铑(Ⅲ)二聚体{[RhCp*Cl₂]₂(Cp*: 五甲基环戊二烯基)}为催化剂, Cu(OAc)₂为氧化剂, AgF为添加剂, 1,2-二氯乙烷为溶剂及反应温度为90 ℃条件下, 以42%~88%的收率得到末端吲哚乙烯衍生物. 动力学同位素效应实验结果为K_H/K_D=5.7∶1, 表明C—H键断裂可能是反应过程中的决速步骤. 竞争性实验结果表明, 含有供电子取代基的底物比吸电子取代基的底物反应活性高, 反应可能经历亲电性C—H键活化过程. 推测了可能的反应机理, 主要包括配位、 C—H键活化、 转金属化、 还原消除和氧化等步骤. 将此方法应用于一种δ-咔啉衍生物的制备.     

镍催化氮杂环丁酮和丁二烯环加成反应机制的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)方法对镍催化1-Boc-3-氮杂环丁酮和2,3-二甲基-1,3-丁二烯的环加成反应进行了理论研究. 计算结果表明, 该反应采用氧化加成机制而非实验推测的β-碳消除机制. 氧化加成机制主要由3个基元反应步骤组成, 分别为氮杂环丁酮底物中C—C(=O)键的氧化加成、 二烯顺式插入Ni—C(=O)键、 以及还原消除生成八元氮杂环产物, 其中烯烃插入是整个反应的决速步骤, 反应能垒为86.74 kJ/mol. 通过探讨烯烃分别插入到Ni—C(=O) 键和Ni—C(sp³) 键的2种反应途径分析了烯烃插入步骤的区域选择性, 得到了与实验数据基本一致的结果.     

铁催化芳基格氏试剂的联芳交叉偶联的反应机理

利用密度泛函理论(DFT)计算研究了[Fe(MgBr)₂]催化的邻氯苯乙稀与溴代苯基镁反应生成联芳化合物的交叉偶联反应的机理. 研究了两个机理. 机理A包括三个基本步骤: (I) 氧化[Fe(MgBr)₂]生成[Ar-Fe(MgBr)],(II) 加成产生[Ar-(phenyl)-Fe(MgBr)₂], (III) 还原消除回到[Fe(MgBr)₂]. 机理B不形成[Ar-Fe(MgBr)]. 在第一步,溴代苯基镁在[Cl-Mg-Br]离解形成[Ar-Fe(MgBr)]之前直接进攻氧化加成后的中间体. 考虑溶剂效应后, 机理B优于机理A. 无论机理A还是机理B, 整个催化循环过程的决速步骤都是[Ar-(phenyl)-Fe(MgBr)₂]的还原消除再生催化剂[Fe(MgBr)₂]的步骤, 使用导体极化连续模型(CPCM)方法计算其在四氢呋喃溶剂中的吉布斯自由能(ΔG_sol)是82.98 kJ·mol^-1.     

1-乙基-3-甲基咪唑丙氨酸离子液体热力学性质的研究

用中和法合成了氨基酸离子液体1-乙基-3-甲基咪唑丙氨酸([C₂mim][Ala]),并利用恒温环境的溶解反应热量计,在(288.15±0.01) K-(308.15±0.01) K温度范围内每隔5 K,测定不同质量摩尔浓度离子液体在水中的溶解焓(Δ_solH_m^θ).根据Archer的方法,通过线性拟合得到了该离子液体的标准摩尔溶解焓(Δ_sol),并计算了其相对表观摩尔溶解焓(^ΦL).在298.15 K下,根据Glasser经验方法得到了格子能U_POT = 566 kJ·mol^-1,并计算了其阴阳离子水化焓值(ΔH⁺ + ΔH^-) = -620 kJ·mol^-1及阴离子水化焓ΔH^-([Ala]^-) = -387 kJ·mol^-1.此外,估算了[C₂mim][Ala]水溶液的热容(C_p(sol))和表观摩尔热容(^ΦC_p).     

有机胺盐酸盐/B(C6F5)3催化的酸与炔烃选择性加成反应研究

一直以来寻找直接有效的乙烯基官能化合成方法的研究备受关注. 报道了一种新型的有机胺盐酸盐/B(C₆F₅)₃ (BCF)体系催化炔烃与氢氯酸或羧酸的加成反应方法, 可选择性地在炔烃的C(2)位氯代或羧化. 研究了在有机胺盐酸盐/BCF体系催化下, 不同取代的炔烃与无机酸HCl的氢氯化加成反应. 在2,2,4,4-四甲基哌啶盐酸盐/BCF([TMPH]⁺[Cl-B(C₆F₅)₃]^-)催化下, 等物质的量的炔烃和HCl反应时, 端基芳炔的C(2)位一加成产物的比例可高达90%以上, 而端基烷基炔烃的选择性较芳炔差, 叔丁基乙炔的一加成产物只占到67%. 报道了非金属催化剂路易斯酸BCF催化的炔烃与羧酸CF₃COOH的烯醇酯化反应, 端基芳炔的C(2)位烯醇酯化产率可达95%以上, 而二苯基乙炔及非芳香性端基炔的反应活性较低. 首次实现了非金属催化剂FLPs参与催化的炔烃与酸的选择性氢氯化和烯醇酯化加成反应.     

铝卟啉配合物催化二氧化碳与环氧丙烷共聚反应

铝卟啉是一类土壤环境友好的金属卟啉,尽管早在1978年Inoue就已经发现它可以催化CO₂和环氧丙烷的共聚反应,但是该催化体系一直面临催化活性低、聚合物相对分子质量低等难题。 本文通过改变铝卟啉催化剂配体中苯环上取代基的种类和位置,制备出中心金属电子环境差异化的铝卟啉,并以双三苯基膦氯化铵(PPNCl)为助催化剂,探讨其对CO₂与环氧丙烷的共聚反应的催化行为。 结果表明,当铝卟啉中苯环上2,4位同时被Cl^-取代后,在90 ℃和3 MPa压力下,转化频率(TOF)达到2672 h^-1。 当利用离去能力较强的对甲苯磺酸基团(OTs^-)作为铝卟啉的轴向配体,可以合成出数均相对分子质量达1.84×10⁵的脂肪族聚碳酸酯。     

H2XP…SHY复合物中磷键与硫键的理论研究

用从头算量子化学方法MP2 与CCSD(T)研究了H₂XP和SHY (X, Y=H, F, Cl, Br)分子的P与S之间形成的磷键X―P…S与硫键Y―S…P的本质与规律以及取代基X与Y对成键的影响. 计算结果表明, 硫键比磷键强, 连接在Lewis 酸上的取代基的电负性增大导致形成的磷键或硫键增强, 键能增大, 对单体的结构和性质的影响也增大; 而连接在Lewis 碱上的取代基效应则相反. 硫键键能为8.37-23.45 kJ·mol^-1, 最强的硫键结构是Y 电负性最大而X 电负性最小的HFS…PH₃, CCSD(T)计算的键能是16.04 kJ·mol^-1; 磷键键能为7.54-14.65 kJ·mol^-1, 最强的磷键结构是X 电负性最大而Y 电负性最小的H₂FP…SH₂, CCSD(T)计算的键能是12.52 kJ·mol^-1. 对磷键与硫键能量贡献较大的是交换与静电作用. 分子间超共轭lp(S)-σ^*(PX)与lp(P)-σ^*(SY)对磷键与硫键的形成起着重要作用, 它导致单体的极化, 其中硫键的极化效应较大, 从而有一定的共价特征.     

2, 6-二甲氧基-2-嘧啶氧基-N-芳基苄胺衍生物的酸催化Smiles重排反应动力学

研究了酸催化下的2, 6-二甲氧基-2-嘧啶氧基-N-芳基苄胺衍生物Smiles重排反应的动力学,考察了盐酸的初始浓度、溶剂、反应温度和取代基对反应速率的影响。结果表明,盐酸的初始浓度增加,重排反应速率加快;在单一溶剂中反应速率的顺序为:甲醇>乙醇>二甲基亚砜>乙腈,而在甲醇/水(1:1, V/V)的混合溶剂中反应速率明显增加,其表观反应速率常数(k_obs)值是甲醇溶剂中的5.27倍;在25-45 ℃温度范围内,各衍生物的反应速率随着温度的升高而加快,其活化能(73.99-76.92 kJ·mol^-1)、活化焓(71.57-74.38 kJ·mol^-1)及Gibbs自由能(81.51-85.77 kJ·mol^-1)数值相近,仅活化熵(-24.38 --47.11 J·K^-1·mol^-1)有一定的差别;取代基常数和表观速率常数之间呈现一定的线性关系,环上吸电子基团的存在有利于反应速率的提高;实验验证了反应机理的合理性。     

LiCl-KCl-CeCl3熔盐结构与热力学的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法,研究了LiCl-KCl-CeCl₃熔盐中CeCl₃的结构性质和热力学,获得了LiCl-KCl-CeCl₃熔盐中密度与组成、密度与温度的关系数据;径向分布函数g_Ce-Cl(r)的第一个峰位置为0.259nm, Ce³⁺对应的第一个配位数约为6.9;混合熔盐中计算数据与纯熔盐中数据的差异可以解释为混合熔盐中Ce³⁺和Cl^-的相互作用比纯的CeCl₃更强; LiCl-KCl熔盐中Ce³⁺的自扩散活化能为22.5 kJ·mol^-1,从活化能的本质来说, Ce³⁺自扩散所需要克服的能垒要略低于U³⁺(25.8 kJ·mol^-1)。当Ce³⁺的摩尔分数从0.005增加到0.05时,其指前因子从31.9×10^-5 cm²·s^-1减少到21.8×10^-5 cm²·s^-1;随着Ce³⁺摩尔分数从0.005增长到0.05,单位体积内(忽略总体积的变化)Ce³⁺的增加意味着其扩散阻力增加,而自扩散的能力降低,导致了指前因子的减小。     

ZnO逆修饰小尺寸Cu/SiO2催化剂及其在CO2加氢制甲醇中的应用

Cu-ZnO is broadly used as a catalyst in CO₂ reduction to produce methanol, but fabricating small-sized Cu-ZnO catalysts with strong Cu-ZnO interactions remains a challenge. In this work, a simple, low-cost method is proposed to synthesize small-sized Cu-ZnO/SiO₂ with high activity and controllable Cu-ZnO interactions derived from copper silicate nanotubes. A series of Cu-ZnO/SiO₂ samples with different amounts of ZnO were prepared. The activities of the as-prepared catalysts for methanol synthesis were tested, and the results revealed a volcano relationship with the weight fraction of ZnO. At 523 K, the methanol selectivity increased from 20% to 67% when 14% ZnO was added to the Cu/SiO₂ catalyst, while the conversion of CO₂ increased first and then decreased with the addition of ZnO. The optimum space time yield (STY) of 244 g·kg^-1·h^-1 was obtained on C-SiO₂-7%ZnO at 543 K under 4.5 MPa H₂/CO₂. Furthermore, the synergistic effect of Cu and ZnO was studied by high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), powder X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), in situ diffuse-reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS), and temperature-programmed reduction (TPR) analyses. The HRTEM images showed that the Cu particles come in contact with ZnO more frequently with increased addition of ZnO, indicating that the catalysts with higher ZnO contents have a greater probability of formation of the Cu-ZnO interface, which promotes the catalytical activity of Cu-ZnO/SiO₂. Meanwhile, the HRTEM images, XRD patterns, and TPR results showed that the addition of excess ZnO leads to an increase in the size of the Cu particles, which in turn decreases the total number of active sites and further degrades the activity of the catalysts. The activation energy (E_a) for methanol synthesis and reverse water gas shift (RWGS) was calculated based on the results of the catalytical test. With the addition of ZnO, E_a for methanol synthesis decreased from 72.5 to 34.8 kJ·mol^-1, while that for RWGS increased from 61.3 to 102.7 kJ·mol^-1, illustrating that ZnO promotes the synergistic effect of Cu-ZnO. The results of XPS and in situ DRIFTS showed that the amount of Cu⁺ species decreases with the addition of ZnO, indicating that the Cu-ZnO interface serves as the active site. The Cu surface area and the turnover frequency (TOF) of methanol were calculated based on the H₂-TPR curves. The TOF of methanol on the Cu-ZnO/SiO₂ catalysts at 543 K increased from 1.5 × 10^-3 to 3.9 × 10^-3 s^-1 with the addition of ZnO, which further confirmed the promotion effect of the Cu-ZnO interface on the methanol synthesis. This study provides a method to construct Cu-ZnO interfaces based on copper silicate and to investigate the influence of ZnO on Cu-ZnO/SiO₂ catalysts.     

苯在Au(100)表面化学吸附的周期性密度泛函理论研究

采用局域密度泛函理论(LDA)的VWN方法, 结合周期平板模型, 在DNP基组下, 研究了苯分子在Au(100)面的吸附情况. 构型优化的结果表明, 苯分子在穴位吸附活性最高, 吸附能为－184.8～－184.3 kJ•mol^-1, 苯环发生扭曲, C—C键明显拉长, 出现了介于苯和1,4-环己二烯之间的船状构型, 船头的2个C原子从sp²杂化重新进行sp³杂化. 苯分子在桥位和顶位的吸附活性较低, 吸附能分别为－156.7～－145.3 kJ•mol^-1、－116.5～－117.0 kJ•mol^-1, 苯分子构型有稍微的改变. 轨道分析的结果还表明, 吸附之后苯分子的轨道简并度降低, 苯分子的LUMO轨道和邻近Au原子的d_z²轨道叠加比较好, 两个对位的C原子以双σ形式连接到表面邻近的Au原子上.     

阴离子功能化大孔树脂用于二氧化硫的多位点高效捕集

提出了一种针对大孔树脂阴离子功能化的新策略并合成了一系列阴离子功能化大孔树脂[IRA-900][An],在20 ℃和101.3 kPa的吸附条件下实现了对SO₂的超高吸附容量(> 10 mmol·g^-1)。和常规唑基阴离子功能化大孔树脂相比,聚咪唑基硼酸阴离子功能化的大孔树脂[IRA-900][B(Im)₄]在低压条件下仍然展现了卓越的SO₂捕集能力。吸附实验发现,[IRA-900][B(Im)₄]在10.13 kPa和20 ℃的低压环境中能够保持10.62 mmol·g^-1的超高SO₂吸附量。通过红外谱学研究以及密度泛函理论(DFT)计算来进行吸附机理探究,发现聚唑基硼酸阴离子[B(Im)₄]具有独特的正四面体构型,从而打破了阴离子上N负位点之间的电子流动和共轭效应。在[IRA-900][B(Im)₄]捕集SO₂过程中,阴离子连续和SO₂分子发生化学相互作用时,吸附焓变无明显下降。因此,一个[B(Im)₄]阴离子能够提供四个有效的作用位点和SO₂发生化学吸附作用,从而在低压条件下,[IRA-900][B(Im)₄]仍然实现了超高的SO₂捕集能力。此外,我们对阴离子功能化大孔树脂[IRA-900][B(Im)₄]在低压条件下对SO₂吸附的循环稳定性做了探究。结果发现,在20 ℃和10.13 kPa的吸附环境中以及70 ℃的脱附条件下,[IRA-900][B(Im)₄]展现了良好的循环稳定性,具有极大的工业应用价值。最后,这种阴离子功能化的策略以及多位点捕集方法对实现烟气环境中SO₂的高效捕集开拓了新的思路。     

CTAB对四磺酸基酞菁钴与Na2S反应的影响

研究了十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）对四磺酸基酞菁钴(CoTsPc)与Na₂S反应的影响，发现在CTAB存在下CoTsPc与Na₂S更易发生氧化还原反应生成轴向配合物HSCo(I)TsPc. 讨论了CTAB对该反应的作用机理. 采用多波长、双系数法解析反应平衡混合物的紫外吸收光谱，计算了该反应生成物的组成和反应的平衡常数. 从温度对反应平衡常数影响，得到了该反应的热力学数据. 在CTAB浓度为8.36×10^-3 mol•L^-1及303 K时，反应的ΔGΘ、ΔHΘ和ΔSΘ分别为－17.28 kJ•mol^-1、84.1 kJ•mol^-1 和335 J•mol^-1•K^-1.     

四丁基季鏻羧酸盐离子液体的物理化学性质与CO2溶解度

在298.15-348.15 K温度范围内,测定了四种四丁基季鏻羧酸盐离子液体([P₄₄₄₄][CA])的密度、粘度、折射率、电导率等物理化学性质,得出了其随温度的变化关系,并获得了不同温度下该类离子液体的热膨胀系数。其次,在1个大气压和313.15 K温度下,测定了CO₂在该类离子液体中的溶解度,结果表明,四丁基季鏻丁酸盐吸收CO₂的性能最好,吸收量为0.4 mol·mol^-1,平衡时间小于5 min。