网站首页/有机动态/实验与测试/大化所丁云杰/严丽/宋宪根:溶剂驱动诱导多相催化行为转变
大化所丁云杰/严丽/宋宪根:溶剂驱动诱导多相催化行为转变

第一作者:李星局,马雷

通讯作者:丁云杰,宋宪根

通讯单位:中科院大连化学物理研究所

论文DOI10.1021/acscatal.5c02766

                                                                          全文速览

大连化物所丁云杰/严丽/宋宪根研究团队在“ACS Catalysis”期刊上发表了题为“Solvent-Driven Catalytic Behavior Inversion in Acetylene Carbonylation over a Heterogeneous Dual-Site Catalyst”的文章。该工作合成了多孔离子聚合负载的Pd1-Ru1双位点催化剂,实现了乙炔羰基化定向合成丙烯酸酯。证明了溶剂驱动策略可同时优化产物分布、反应活性和催化剂稳定性。



背景介绍
丙烯酸酯是一类重要的化学品,广泛应用于涂料、粘合剂、纺织、印刷油墨、橡胶及塑料等领域。当前的工业生产主要依赖两步间接路线:丙烯氧化制丙烯酸,再进行酯化。与之相比,乙炔单羰基化提供了一种直接合成路径,具有优异的原子经济性,是丙烯酸酯生产极具前景的替代方案。开发用于乙炔单羰基化制丙烯酸酯的高效钯基多相催化剂,仍然是一项极具吸引力且意义重大的任务。溶剂效应在该有机反应中起着至关重要的作用,但是在多相催化过程中,由于涉及溶剂分子、催化剂表面、反应物、过渡态及产物之间涉及多方面的相互作用,分析溶剂效应对催化速率和选择性的影响仍然具有挑战性。

研究出发点
乙炔羰基化为合成丙烯酸酯提供了一种直接路径。然而,在富CO环境下,活性单Pd(Ⅱ)位点通常容易快速还原为惰性的Pd纳米颗粒。尽管先前研究采用氧气来稳定Pd物种,但这种方法会促进不期望的双羰基化副反应。因此,我们通过溶剂驱动策略(而非氧化性物质添加)来优化产物分布、反应活性和催化剂的稳定性。结合实验和模拟计算分析,提出了一种关于溶剂驱动催化路径调控的新机制见解。

图文解析

催化剂的合成与表征:

团队采用简单的湿浸渍法构建了负载在多孔离子聚合物上的双位点Pd1-Ru1催化剂(Pd1-Ru1/PIPs)。首先,结合物理吸附、SEM等表征证明催化剂的多级孔道结构。HAADF-STEM图像证实了反应前后PdRu均以原子级分散的状态分布在载体表面上。采用EXAFS研究了反应前后Pd1-Ru1/PIPsPdRu离子的配位环境。基于上述结构信息,证明催化剂中存在[PdI3-I-RuCl2(OH2)3]-阴离子络合物,并通过离子键的相互作用被PIPs骨架中的[P]+位点固定。


1
2

1. 催化剂的合成及TEMXPSEXAFS表征


催化剂的反应评价:对多种有机溶剂中乙炔羰基化反应的催化性能进行了系统的反应评价,转化率和产物选择性分别如图2a2b所示。反应结果表明(图2c),乙炔转化率与溶剂极性呈负相关:在具有较低介电常数(ε)的溶剂(EATHFDioxBZCHX)中获得的转化率,高于高ε的极性非质子溶剂(DMSODMFNMP)。为揭示这种极性依赖性,对新鲜Pd1-Ru1/PIPs催化剂在不同溶剂中进行了拉曼光谱分析。如图3e所示,在新鲜催化剂上可观察到108-117 cm-1范围内的Pd-I振动峰,且该峰在乙醇和1S,4-二氧六环溶剂中均得以保留。然而,DMF中的强溶剂配位作用导致Pd-I结构破坏,在Pd位点周围形成了饱和配位环境。这种饱和配位环境抑制了底物的吸附和活化,从而导致低活性。与此同时,溶剂参数也显著影响产物选择性。如图2b所示,在ε和β值最高的DMSODMF溶剂中,无论乙炔转化率如何,均未检测到单羰基化产物。我们进一步评价了Pd1-Ru1/PIPs催化剂在不同溶剂中的稳定性。在大多数溶剂中,反应活性从第二次循环开始显著下降。与之相反,在1,4-二氧六环中,催化剂可循环使用至少五次而无明显衰减(图2f)。因此,利用X射线光电子能谱(XPS)研究了Pd电子价态的变化。如图2d所示,新鲜Pd1-Ru1/PIPs100%Pd2+物种,即活性物种。同时,使用1,4-二氧六环溶剂的反应后催化剂中仍保持100%Pd2+物种。与之形成鲜明对比的是,使用乙醇、环己烷和二甲基甲酰胺溶剂的反应后催化剂中,分别出现了45.5%26.5%35.4%Pd0物种。此外,利用高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)观察了Pd物种的形态。使用1,4-二氧六环溶剂的反应后催化剂表面未出现Pd纳米颗粒(NPs)或团簇。然而,使用乙醇溶剂的反应后催化剂中出现了大量大的Pd NPs,与XPS结果高度吻合。该观察表明,单Pd2+位点在1,4-二氧六环溶剂中反应时更为稳定。


3

2. 不同溶剂中的乙炔转化率和产物选择性以及反应后催化剂的XPS和拉曼表征等


催化剂的机理探讨:

为阐明催化反应路径,采用原位漫反射傅里叶变换红外光谱(DRIFTS 对催化中间体物种进行表征。如图3a所示,在CO/C2H2气流下的初始光谱显示出特征振动信号:1949-2112 cm⁻¹处的重叠吸附峰源于COC2H2在单Ru位点上的吸附(单Pd位点可能亦有贡献);1724 cm⁻¹处的C=O峰与1612 cm⁻¹处的C=C峰表明乙烯基-羰基-钯配合物的形成。引入乙醇后光谱发生显著变化:3397 cm⁻¹处的宽O-H伸缩振动峰及2870-2985 cm⁻¹-CH3/-CH2伸缩振动证实乙醇吸附;2826 cm⁻¹-OC2H5峰、

纳孚服务
  • 化学试剂
  • 提供稀有化学试剂现货

  • 化学试剂定制合成服务
  • 上海纳孚生物科技有限公司提供市场稀缺的化学试剂定制服务

  • 新材料现货
  • 上海纳孚生物科技有限公司代理或自产包含石墨烯产品,类石墨烯产品、碳纳米管、无机纳米材料以及一些高分子聚合物材料

  • 结构设计及定制合成
  • 可以根据客户需求对所需化合物结构进行设计改性,从而定制合成出客户所需分子式结构

  • 联系我们
  • 021-58952328
  • 13125124762
  • info@chemhui.com
  • 关注我们
在线客服
live chat