钴催化剂均相催化氢化以及脱氢反应的研究进展

近年来,铁、钴、镍和锰配合物催化体系在廉价金属催化领域取得了系列进展.由于其独特的性质和出色的催化性能,钴配合物在均相催化反应中最引人注目,所涉及的(脱氢)氢化反应在学术研究和化工行业中起着重要作用.本文根据氢化、转移氢化、无受体脱氢、脱氢偶联、借氢等反应类型总结了均相钴催化氢化、脱氢反应的研究进展,并概述了钴催化剂的反应性能、催化应用以及反应机理.     

Pd/C催化松脂分子间氢转移反应的集总动力学

以Pd/C为催化剂,在改进的动力学实验装置上研究了松脂分子间氢转移反应的集总动力学.在消除内、外扩散影响的条件下,在线跟踪反应产物并用气相色谱法测定反应体系组成随时间的变化,构造了Pd/C催化剂上松脂分子间氢转移集总反应网络,建立了包含单萜烯、枞酸型树脂酸、海松酸型树脂酸、对伞花烃、氢化单萜烯、脱氢枞酸、氢化枞酸型树脂酸和氢化海松酸型树脂酸等复杂反应体系的集总动力学模型,并估算了模型参数.松脂单萜烯和树脂酸的反应级数分别为1和2,并得到了松脂分子间氢转移中各反应过程的活化能.结果表明,所建动力学模型与实验数据吻合良好,并能预测反应在533 K下的集总组分浓度分布.Pd/C催化松脂分子间氢转移反应以脱氢反应为主,树脂酸的氢转移速率大于单萜烯的氢转移速率.     

活性炭负载Pt-Ni双金属催化剂上十氢化萘脱氢

采用等体积浸渍法制备了活性炭负载的具有脱氢活性的Pt-Ni双金属催化剂及相应的Pt单金属催化剂,并用X射线衍射、N2吸附-脱附和NH3-程序升温脱附对其进行了表征.在290°C下,研究了间歇反应条件下催化剂以过热液膜状态催化十氢化萘脱氢活性,考察了温度、浸渍顺序和Pt/Ni摩尔比对十氢化萘脱氢活性和萘产率的影响.结果表明,与单金属催化剂相比,Pt-Ni双金属催化剂上产氢效率显著提高.当Pt/Ni摩尔比为1:1,Pt首先浸渍时,得到的催化剂上脱氢转化率和萘产率最高.将实验结果与密度泛函理论计算的氢原子在不同催化表面的结合能关联证实,具有更强原子氢结合能的双金属表面具有更高的脱氢活性.     

碱土金属催化碳二亚胺硼氢化反应机理的理论研究

本文运用密度泛函理论(Density functional theory,DFT)算法,研究了β-二亚胺氢化碱土金属复合物催化碳二亚胺硼氢化反应的机理.计算结果表明,当使用镁复合物作为催化剂时,该反应催化循环中的活性催化物种为镁氢复合物.从镁氢复合物的生成开始,该反应经过碳氮双键插入镁-氢共价键,硼氮偶联成键,以及从硼到镁的氢负离子转移等步骤,从而再生镁氢复合物并释放产物.该反应的决速步为负氢原子从硼到镁的转移过程.此外,通过理论计算拓展预测了钙、锶等其他碱土金属复合物催化剂的反应机理.研究结果表明,和镁催化氢化反应不同,钙、锶参与反应的活性催化物种是碳二亚胺插入相应氢化金属复合物后所生成的对应的氨基金属络合物.以此化合物作为催化循环的开始,反应经历硼氮偶联成键后,可直接与碳二亚胺发生硼碳之间的氢转移,得到产物并再生活性催化物种.钙、锶复合物作为催化剂时经历不同反应机理的原因是,它们的原子半径远远大于镁,因此可以与额外的碳二亚胺结合,并发生协同氢转移反应.理论计算表明,当使用钙、锶复合物作为催化剂时,反应决速步活化能低于镁催化的反应途径.因此,如果使用钙、锶复合物作为催化剂将会获得更温和的反应条件.     

手性螺环单磷配体的电子效应研究

在手性配体及其催化剂设计中,立体效应是主要考虑因素,而电子效应研究得很少.最近我们设计合成了一类具有手性螺二氢茚骨架结构的单磷配体SIPHOS,该配体在铑催化的烯烃氢化反应中取得了很高的对映选择性.在此基础上,我们从光学的7,7'-二羟基-1,1'-螺二氢茚(SPINOL)出发,合成了系列4,4'-取代的螺环二酚及相应的单磷配体,并以铑催化的烯烃氢化反应为模型,系统地研究了骨架上的取代基电子效应对配体性能的影响.研究表明,由于取代基距离配位中心的磷原子较远,其电子效应对配体的催化性能影响不大.接下来,我们合成了磷原子上直接连有苯环的磷酸酯类配体,其取代基的电子效应通过苯环能够有效地传递到磷原子上,进而影响配体的催化性能.实验表明,该类配体在铑催化的α-和β-脱氢氨基酸酯的不对称氢化反应中,表现出明显的电子效应,即配体苯环上有推电子基时,催化剂的活性和对映选择性有很大的提高.     

化学模拟唯铁氢化酶研究进展

氢化酶(hydrogenase,简称H2ase)是一类存在于微生物体内的重要生物酶,它可以催化氢的氧化反应,也可以催化还原质子产生氢气.根据氢化酶活性中心金属的不同,可以大致分为三类:Fe-Fe氢化酶,Ni-Fe氢化酶和不含金属的氢化酶.本文主要介绍近年来唯铁(Fe-Fe)氢化酶的结构研究和化学模拟最新进展.     

松香催化加氢过程中树脂酸组成变化的跟踪分析

利用自行改进的DEAE-Sephadex离子交换色谱和气相色谱-质谱-计算机联用(GC-MS-DS)技术研究了在Raney Ni 存在下脂松香催化加氢反应过程中各类树脂酸组成的变化。证实在本实验条件下松香催化加氢过程中的主体反应是树脂酸的二氢化,只伴随少量的四氢化和极少量的脱氢反应。发现在二氢海松酸/异海松酸型树脂酸的分子间存在因双键移位而引起的异构现象。在整个跟踪分析过程中,共检出7种二氢枞酸型树脂酸、5种二氢海松酸/异海松酸型树脂酸及3种四氢树脂酸。     

氟化物催化硅氢化合物和取代酚的脱氢偶联反应

通过等摩尔竞争反应研究了氟化物催化的硅氢化合物和取代酚的脱氢偶联反应机理。研究表明，ｐ－ＸＣ６Ｈ４ＯＨ在反应中的取代基效应与氟化物催化取代苯甲醛ｐ－ＸＣ６Ｈ４ＣＨＯ的硅氢化反应中的不同，这表明它们的反应机理存在差异，在这两种反应中，虽然Ｆ＾－对Ｓｉ的配位都促进了硅氢化合物中的Ｈ对底物中带正电荷原子的亲核进攻，但是在催化酚解反应中，由于没有四中心过渡态的形成，因此下一步取代酚中的氧原子对Ｆ＾－配位的     

Rh(Xantphos)L催化氢化肉桂醛和降冰片二烯间转移加氢甲酰化反应的理论研究

采用密度泛函理论方法 M11-L/6-31G(d,p)对氢化肉桂醛与降冰片二烯(nbd)在活化催化剂a[Rh(Xantphos)L,L=苯甲酸根,Xantphos=4,5-双二苯基膦-9,9-二甲基氧杂蒽]催化下发生转移加氢甲酰化反应生成主产物苯乙烯(3)的反应机理进行理论研究.结果表明,参与反应的醛类化合物在α碳(α-C)上应至少连接一个氢原子,这可以减少醛类反应物和抗衡离子的空间排斥作用.通过反应能垒图可见,受体nbd发生加氢甲酰化反应,促进了脱氢甲酰化反应的进行,进而促使整个转移加氢甲酰化循环不可逆进行.还研究了氢化肉桂醛发生脱羰化生成少量副产物苯乙烷(4)的机理过程.结果表明,苯甲酸根作为抗衡离子抑制了脱羰化反应的竞争,理论计算得到脱氢甲酰化反应的选择性为苯乙烯(3)∶苯乙烷(4)99∶1.简单醛(如丙醛)在活化催化剂a催化下更易于发生脱羰反应而不是脱氢甲酰化反应.     

手性氮杂卡宾金属络合物的合成及其在不对称催化反应中的应用

手性氮杂卡宾金属络合物在多种催化反应中得到了广泛的应用, 并取得了很好的研究成果. 综述了手性氮杂卡宾金属络合物的合成以及它们在催化不对称反应中的应用研究进展, 如催化α,β-不饱和酮的1,4-加成反应、酮的氢硅烷化反应、烯烃的氢化反应和烯烃的复分解反应等.     

添加碱土金属对负载型铂锡催化剂长链烷烃脱氢反应性能的影响

用微型催化反应装置结合吡啶吸附 红外光谱、热重、氢化学吸附和程序升温等还原手段,研究了添加碱土金属离子助剂对负载型PtSn/γ-Al2O3催化剂长链烷烃(C10~13)脱氢反应性能的影响。结果表明,碱土金属助剂的引入可以降低催化剂积炭量、提高催化剂铂金属表面裸露度,从而提高催化剂脱氢反应稳定性。但强碱性的碱土金属助剂如Ba2+的引入增强了锡与载体之间的相互作用,减弱了锡与铂之间的相互作用, 导致反应后催化剂铂金属表面裸露度下降,故PtSnBa/γ-Al2O3催化剂脱氢活性较低。     

均相体系中铱催化2-取代-1,2-二氢喹啉类化合物的脱氢芳构化

 采用原位制备的铱双膦(或膦氮)配合物在碘存在下催化2-取代-1,2-二氢喹啉、2-甲基-2,3-二氢吲哚、1,4-二氢吡啶及3,4-二氢异喹啉等化合物的脱氢芳构化反应, 并考察了不同金属前体、配体、催化剂用量、溶剂和碘等因素对反应速率和选择性的影响. 结果表明,原位制备的［Ir(COD)Cl］2/(±)-MeO-Biphep在碘的存在下催化2-取代-1,2-二氢喹啉的脱氢芳构化反应速率快, 选择性好,催化剂的用量少; 对1,4-二氢吡啶和2,3-二氢吲哚的催化脱氢芳构化反应则须在高温下进行; 而对 3,4-二氢异喹啉, 即使在加热回流条件下也只有不到5%的转化率. 催化体系中碘的存在可以明显提高反应速率.     

2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌/NaNO2

设计了一种由 2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌(DDQ)和NaNO2组成的复合催化剂,该催化剂在9,10-二氢蒽氧化脱氢生成蒽的反应中表现出很高的催化活性和选择性. 在120 ℃和1.3 MPa O2下反应 8 h, 9,10-二氢蒽转化率达到99%以上,蒽的选择性为99%. 采用红外光谱和核磁共振方法对催化氧化脱氢的反应历程进行了研究. 结果表明, 9,10-二氢蒽氧气氧化脱氢生成蒽的反应是通过DDQ/DDQH2和NO2/NO两个氧化还原对的电子传递来推动的,以DDQ/NaNO2为催化剂可以有效催化9,10-二氢蒽氧化脱氢生成蒽.     

过渡金属催化磷—氢键的转化反应

有机膦化合物在有机合成、催化、生化、医药以及材料等各个领域都起重要的作用.主要总结了本课题组近几年来在过渡金属催化磷—氢化合物的转化反应研究方面取得的进展,包括磷—氢化合物对各种碳—碳不饱和化合物的区域立体选择性加成反应、不对称磷—氢加成反应和磷—氢化合物与碳—氢和杂原子—氢化合物的氧化或脱氢偶联反应.我们开发的反应提供了一系列制备各类不同精细有机膦化合物的相对高效和高原子经济性的新方法,相关反应的机理也将做适当讨论.     

Triphos配体在羧酸及其衍生物和CO_2的氢化反应中的应用研究进展

羧酸及其衍生物和二氧化碳中羰基的还原无论在基础研究中还是在工业生产上都是最重要的转化之一.在环境问题日益严峻的今天,以氢气作为还原剂实现这些化合物的还原具有极大的吸引力.由于均相催化反应具有反应条件温和、活性高及催化体系易于调节等优点,发展高效、高选择性的均相催化氢化体系来实现这些羰基化合物的还原成为了研究的热点.近年来,过渡金属与不同类型配体形成的催化体系在羧酸衍生物和二氧化碳的氢化反应中的应用得到了深入的研究,取得了一些重要的进展.其中,过渡金属与1,1,1-三(二苯基膦基甲基)乙烷(triphos)形成的催化体系在多种类型羧酸及其衍生物和二氧化碳的氢化中表现出了独特的反应活性和选择性.本文主要介绍triphos与过渡金属钌、钴和铜形成的催化体系在羧酸及其衍生物和二氧化碳的氢化反应方面取得的进展以及相关反应机理的探讨.     

常压下Pt/Al2O3催化剂的正庚烷脱氢芳构化活性中心

Pt/Al_2O_3是烃类转化反应的重要催化剂.研究Pt/Al_2O_3的活性相性质及其和反应性能之间的对应关系,在实用上和理论上都具有十分重要的意义.我们发现Pt/Al_2O_3催化剂中存在低温活性相和高温活性相,它们分别和低温吸附氢中心及高温吸附氢中心相对应,低温活性相是脱氢和氢解反应的活性部位.Menon也曾发现低温吸附氢中心和烃类氢解反应有对应关系.对重整反应最为重要的脱氢芳构化反应的活性中心问题研     

过渡金属催化高选择性膦氢化反应

本文总结了过去几十年特别是近15年来过渡金属催化下各种含磷-氢键的膦氢化合物对炔烃的高选择性膦氢化反应,详尽叙述了其发现、发展和现状.自1996年来,过渡金属催化高选择性膦氢化反应研究工作发展迅速,各种高选择性膦氢化反应不断开发,目前已具有底物适用范围广、过渡金属催化剂活性高、反应选择性高、原子经济性高、以及能满足不同合成需求等优点,并逐步向反应条件温和化、金属催化剂简单化、无配体化、合成步骤简易化以及原料催化剂成本低价化方向发展.虽然如此,至今仍缺乏关于本研究全面的综述和介绍,希望本文可以弥补文献缺陷,对过渡金属催化高选择性膦氢化反应研究有个客观全面的介绍.过渡金属催化烯烃的不对称膦氢化反应合成碳手性或磷手性的光学活性有机磷化合物作为相关研究中的起步最晚的分支,本文也将作阶段小结.     

松脂的催化歧化反应产物的气相色谱-质谱分析

采用气相色谱-质谱技术对松脂的催化歧化新工艺的反应产物进行分析,共分离出45个峰,鉴定出其中的38个化合物,并发现松脂歧化产物中歧化松节油的主要成分为对伞花烃,含量为16.26%;歧化松香的主要成分为脱氢枞酸和氢化树脂酸,其含量分别为41.58%和21.43%。在此基础上对松脂歧化反应过程进行了初步探讨,认为松脂原料中的酸性物质发生分子间氢转移反应,萜烯烃的存在促进了脱氢反应的进行;在树脂酸提供的酸性环境下松脂原料中中性油的主要成分双环单萜烯发生开环异构形成单环单萜烯,单环单萜烯再进行催化脱氢转化为对伞花烃。分析结果表明,直接以松脂为原料进行催化歧化反应可同时获得特级歧化松香和高含量的对伞花烃。     

富勒烯材料的催化作用研究进展

介绍了富勒烯材料（富勒烯和富勒烯衍生物）的催化作用研究进展,特别是催化有机反应方面,包括催化氢转移和硅氢化反应、烷烃裂解反应、氢氘互换反应、耦合和烷基转移反应等.这种新材料还可以催化产生单线态氧（1O2）的化学反应、催化非金属固氮反应、催化石墨合成金刚石的反应,同时还可催化高能燃料的燃烧过程,具有广泛的应用前景.     

金属/金属氧化物纳米粒子在不对称氢化和氢转移反应中的应用研究进展

近年来,金属/金属氧化物纳米粒子催化的不对称氢化和氢转移反应已经成为催化领域的前沿和研究热点之一. 金属/金属氧化物纳米粒子的催化模式类似于“纳米反应器”,底物可以通过有机包覆层扩散至催化中心,局部的高催化剂浓度通常可以极大地提高催化反应转换数（TON）和转化频率（TOF）. 在以纳米金属为催化活性中心方面,Orito纳米铂体系获得最多的关注,科学家们从手性修饰剂的结构改造、催化剂载体的选择、不同的反应介质、纳米催化剂的形貌和催化反应机理等方面开展了较为系统的研究,并取得重要进展. 此外,纳米钯、铑、钌、铱和铁等金属纳米催化剂也在烯烃、酮和亚胺等化合物的不对称氢化和氢转移反应中表现出良好的催化性能,特别是纳米铱和铁催化剂已获得95%以上的对映选择性. 在金属/金氧化物纳米粒子为催化剂载体方面,其催化不对称氢化及氢转移反应的效率及对映选择性可与均相催化剂相媲美,同时还解决了均相催化剂难于回收再循环的缺陷. 本文简要介绍了近年来手性金属纳米催化剂在不对称氢化和氢转移反应领域的研究进展,讨论了相关反应的催化机理,并对该领域仍存在的问题和未来的发展方向进行了展望.