催化学报 ›› 2024, Vol. 57: 133-142.DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64579-6

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分子筛限域单位点钴体系催化芳香族化合物C-H键自调节高效氧化

党健a,b, 李玮杰a,b, 秦斌a,*(), 柴玉超a, 武光军a, 李兰冬a,*()   

  1. a南开大学化学学院, 有机新物质创造前沿科学中心, 天津 300071
    b南开大学材料科学与工程学院, 天津 300350
  • 收稿日期:2023-10-15 接受日期:2023-12-08 出版日期:2024-02-18 发布日期:2024-02-10
  • 通讯作者: * 电子信箱: qinbin@nankai.edu.cn (秦斌), lild@nankai.edu.cn (李兰冬).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22202107);国家自然科学基金(22025203);国家自然科学基金(22121005);中央高校基本科研业务费专项资金(南开大学)

Self-adjusted reaction pathway enables efficient oxidation of aromatic C-H bonds over zeolite-encaged single-site cobalt catalyst

Jian Danga,b, Weijie Lia,b, Bin Qina,*(), Yuchao Chaia, Guangjun Wua, Landong Lia,*()   

  1. aFrontiers Science Center for New Organic Matter, College of Chemistry, Nankai University, Tianjin 300071, China
    bSchool of Materials Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China
  • Received:2023-10-15 Accepted:2023-12-08 Online:2024-02-18 Published:2024-02-10
  • Contact: * E-mail: qinbin@nankai.edu.cn (B. Qin), lild@nankai.edu.cn (L. Li).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22202107);National Natural Science Foundation of China(22025203);National Natural Science Foundation of China(22121005);Fundamental Research Funds for the Central Universities (Nankai University)

摘要:

通过芳香族化合物的碳-氢键活化与选择氧化, 可以将廉价芳香烃类原料转化为高附加值含氧产品, 因此, 该反应在基础研究和工业生产中均受到广泛关注. 传统的苯乙酮生产工艺存在毒性底物使用、催化剂回收困难、反应条件苛刻以及产物收率低等问题. 通过大量的研究探索, 科研人员进一步改进其生产工艺, 利用环烷酸钴作为均相催化剂, 实现了无溶剂条件下分子氧直接选择氧化乙苯生成苯乙酮. 相比均相催化, 多相催化在催化剂回收和产物分离方面具有优势, 更适合工业化生产. 因此, 开发用于乙苯选择氧化制苯乙酮的高效稳定多相催化体系非常重要, 但具有较大挑战.

本文采用原位配体保护的水热合成法将钴配合物(钴-二乙烯三胺)封装在Y型分子筛中, 并经进一步焙烧去除配体成功制得Co@Y分子筛催化剂. 在无溶剂、无添加剂的条件下, 单位点Co作为Co@Y分子筛催化剂的活性位点可催化乙苯选择氧化生成苯乙酮. X射线粉末衍射、透射电镜、紫外可见光吸收光谱和固体核磁共振谱等结果表明, 该单位点Co(Co2+)通过与骨架氧原子作用稳定限域在Y型分子筛中. 为明确Co@Y分子筛催化剂中单位点Co在乙苯氧化反应中所起的重要作用, 本文还对比了不同后合成方法所制备的Y分子筛(Co/Y,Co-Y)催化剂及工业环烷酸钴催化剂的催化性能. 结果表明, 在相同反应条件下, Co@Y分子筛催化剂表现出最高的催化性能, 也说明在乙苯氧化反应过程中Co@Y分子筛催化剂的单位点Co有别于上述其他催化剂的活性位点. 此外, 在Co@Y催化剂热过滤实验中未检测出Co物种浸出, 表明Co@Y分子筛催化乙苯氧化反应为多相催化过程, 并且在多次循环测试后, Co@Y催化剂结构和反应活性均未发生明显变化. 这两项实验均表明Co@Y催化剂具有高稳定性. 值得注意的是, 在乙苯氧化反应过程中观察到自加速现象, 为此进行了对比实验(添加苯甲醛或1-苯乙醇的对比实验)和反应动力学分析. 结果表明, 痕量苯甲醛或1-苯乙醇的加入会显著改变Co@Y催化剂在乙苯氧化反应中的催化行为, 痕量苯甲醛的加入可将反应表观活化能从69.7降至53.7 kJ/mol. 本文也通过第一性原理密度泛函理论(DFT)计算系统研究了Co@Y分子筛催化剂单位点Co处乙苯选择氧化反应机理及反应过程中自加速现象产生的原因. DFT计算结果结合上述对比实验和反应动力学分析结果表明, 加入痕量苯甲醛或者1-苯乙醇后部分乙苯会直接氧化生成苯乙酮, 而非通过乙苯→1-苯乙醇→苯乙酮的途径生成苯乙酮. DFT计算结果也阐明反应过程中自加速现象的产生源于单位点Co处活性氧物种(O*)的生成. 该活性氧物种在乙苯、苯甲醛和1-苯乙醇的氧化途径中均能自发生成, 并且该物种类似“引发剂”促使后续更多链式反应的发生, 在乙苯氧化反应过程中具有非常重要的作用.

综上所述, 本文为理解芳香族化合物碳-氢键选择氧化实验现象与催化作用机制提供了有益见解, 可为理性设计开发更高效的催化剂提供新思路.

关键词: 碳-氢键活化, 多相催化, Co@Y分子筛催化剂, 自加速, 活性氧物种

Abstract:

The selective oxidation of aromatic C-H bonds to high value-added oxygenated products with molecular oxygen remains a key challenge in heterogeneous catalysis. Eligible heterogeneous catalysts are pursued and the reaction mechanism is hotly debated. Herein, we report that zeolite-encaged single-site cobalt ions can efficiently catalyze the model reaction of ethylbenzene aerobic oxidation to acetophenone, outperforming the industrial benchmark catalyst cobalt naphthenate under identical conditions. The self-accelerating phenomenon is observed in the progress of ethylbenzene aerobic oxidation, corresponding to the self-adjusted reaction pathway as revealed by kinetic studies and density functional theory calculations. The formation of reactive O* species on Co sites, resembling the well-known α-O on Fe sites, is identified to be responsible for the self-adjusted reaction pathway of aromatic C-H bond oxidation.

Key words: C-H bonds activation, Heterogeneous catalysis, Co@Y zeolite, Self-accelerating, Reactive O* species