催化学报 ›› 2025, Vol. 77: 153-170.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64782-6
收稿日期:
2025-05-08
接受日期:
2025-06-30
出版日期:
2025-10-18
发布日期:
2025-10-05
通讯作者:
*电子信箱: chenjz@jnu.edu.cn (陈金铸).
基金资助:
Guipeng Zhang, Yan Bin, Yanxin Wang, Jinzhu Chen*()
Received:
2025-05-08
Accepted:
2025-06-30
Online:
2025-10-18
Published:
2025-10-05
Contact:
*E-mail: chenjz@jnu.edu.cn (J. Chen).
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摘要:
腈类化合物是重要的多功能有机合成砌块, 可以有效转化为醛、酮、胺、酰胺、亚胺、亚氨醚、羧酸和杂环化合物, 广泛用于医药、农药、聚合物、增塑剂以及合成中间体等. 它的经典合成方法包括伯酰胺或醛肟的脱水、醛与羟胺的氰化、烯烃或1,3-二烯的氢氰化、芳基卤化物的氰化、羧酸或Barton酯的脱羧氰化以及烷基碘化物的自由基氰化反应,但通常表现为多步合成反应、使用贵金属作为催化剂、反应条件较为苛刻、使用有毒的脱氧试剂和氮源、底物适用范围较窄. 转腈化反应是当前公认的最为高效的腈类化合物合成方法之一,该策略在酸催化条件下采用低沸点的乙腈作为牺牲性腈试剂, 与有机羧酸直接经过氰基与羧基的官能团交换反应实现新氰类化合物的合成, 其核心是高效固体酸催化剂的构建.
鉴于此, 本文采用乙腈与生物质基肉桂酸的转腈化合成肉桂腈为模型反应, 聚焦从分子尺度理解远程氢溢流效应原位调控固体酸表面酸类型和酸强度的机理, 旨在揭示氢溢流增强固体酸催化性能、促进转腈化反应机制. 本文构建了限域型Pt@ZSM-5作为氢溢流发生器、掺杂型Ni/Nb2O5作为固体酸, 研究了物理混合的Pt@ZSM-5和Ni/Nb2O5在10%-H2/N2气氛下协同催化肉桂酸与乙腈的转腈化反应. 研究揭示, 远程氢溢流效应涉及: 氢气分子在Pt@ZSM-5作用下吸附活化形成氢溢流、氢溢流经溶剂介导远程迁移至Ni/Nb2O5表面、Ni/Nb2O5表面掺杂的可逆Ni2+/Ni+电对促进质子(Brönsted酸性位点)和表面空位(Lewis酸性位点)在其表面快速迁移, 最终增强和富集了Ni/Nb2O5的表面酸性位点、促进了转腈化反应. 动力学分析进一步表明, 乙腈在Ni/Nb2O5表面Lewis酸性位点上的活化是转腈化反应的速度决定步骤, 远程氢溢流效应的存在可将该步骤的表观活化能由53.8降至34.6 kJ mol-1, 并将反应速率常数由4.12 × 10-1提升至8.15 × 10-1 h-1 (190 °C). Pt@ZSM-5和Ni/Nb2O5的远程氢溢流效应还广泛适用芳香酸、卤代芳香酸、杂芳香酸、脂肪酸、二元酸等22种有机羧酸与乙腈的转腈化反应.
综上, 本文基于远程氢溢流效应原位调控固体酸的表面酸类型和酸强度, 促进酸性位点在其表面快速迁移, 显著提升了转腈化反应的催化效率, 为设计新一代固体酸催化剂提供了新思路, 为绿色合成具有重要工业应用价值的腈类化合物提供了新方法.
张桂鹏, 宾燕, 王岩鑫, 陈金铸. 远程氢溢流效应调控催化转腈化反应合成生物质基腈类化合物[J]. 催化学报, 2025, 77: 153-170.
Guipeng Zhang, Yan Bin, Yanxin Wang, Jinzhu Chen. Remote hydrogen-spillover effect on catalytic transnitrilation for biomass-based nitrile synthesis[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2025, 77: 153-170.
Fig. 1. Ni/Nb2O5: TEM images (a,b), TEM-EDS (c,d), and elemental-mapping (e-g). Pt@ZSM-5: TEM images (h,i), TEM-EDS (j,k), and elemental-mapping (l-o).
Fig. 2. Structural characterization. (a) N2 adsorption-desorption isotherms with pore size distribution curves. (b) Ni 2p XPS of Ni/Nb2O5. (c) Nb 3d XPS of Ni/Nb2O5 and Nb2O5. (d) O 1s XPS of Ni/Nb2O5 and Nb2O5. (e) XRD patterns of Pt@ZSM-5. (f) Pt 4f XPS of Pt@ZSM-5.
Sample | SBETa (m2 g-1) | Smicrob (m2 g-1) | Sextc (m2 g-1) | Average pore sized (nm) | Vtotale (cm3 g-1) | Vmicrof/Vextg (cm3 g-1) |
---|---|---|---|---|---|---|
Nb2O5 | 98 | 76 | 22 | 4.0 | 0.10 | 0.04/0.06 |
7.6%-Ni/Nb2O5 | 202 | 0 | 202 | 17 | 0.17 | 0/0.17 |
2.7%-Pt@ZSM-5 | 393 | 388 | 5 | 4.8 | 0.47 | 0.15/0.32 |
Table 1 Structural parameters of the Nb2O5, Ni/Nb2O5 and Pt@ZSM-5.
Sample | SBETa (m2 g-1) | Smicrob (m2 g-1) | Sextc (m2 g-1) | Average pore sized (nm) | Vtotale (cm3 g-1) | Vmicrof/Vextg (cm3 g-1) |
---|---|---|---|---|---|---|
Nb2O5 | 98 | 76 | 22 | 4.0 | 0.10 | 0.04/0.06 |
7.6%-Ni/Nb2O5 | 202 | 0 | 202 | 17 | 0.17 | 0/0.17 |
2.7%-Pt@ZSM-5 | 393 | 388 | 5 | 4.8 | 0.47 | 0.15/0.32 |
Fig. 3. 1a/2a-transnitrilation over various catalysts. Reaction conditions: catalyst (Nb2O5, 7.6%-Ni/Nb2O5 and 2.7%-Pt@ZSM-5, 10 mg respectively), 2a (3.0 mL), 1a (0.10 mmol), N2 (1.5 MPa), 190 °C, 6.0 h. aUnder 10%-H2/N2 (1.5 MPa) instead of N2 (1.5 MPa).
Fig. 4. 1a/2a-transnitrilation over Ni/Nb2O5-Pt@ZSM-5: product-distribution against reaction-time under N2 for (a) and 10%-H2/N2 for (b), product-distribution against reaction-temperature under N2 for (c) and 10%-H2/N2 for (d), the effect of Ni/Nb2O5:Pt@ZSM-5 mass ratio (e) and catalyst loading level (f) on product-distribution. Reaction conditions: 7.6%-Ni/Nb2O5 10 mg, 2.7%-Pt@ZSM-5 10 mg, 2a 3.0 mL, 1a 0.10 mmol, 190 °C, N2 or 10%-H2/N2 1.5 MPa, 6.0 h. Specified reaction time for panels (a) and (b), specified reaction temperature for panels (c) and (d), specified Ni/Nb2O5:Pt@ZSM-5 mass ratio for panel (e), specified catalyst loading-level for panel (f).
Fig. 5. (a) H2-TPR profiles of investigated samples. FT-IR spectra of adsorbed probe-molecules on Ni/Nb2O5-Pt@ZSM-5 surface respectively under N2 and 10%-H2/N2: pyridine (b), phenylacetonitrile (c), and acetic acid (d).
Scheme 2. (a) Remote H-spillover induced migration of active species (proton/electron pair, vacancy and -OH group) on the surface of reducible Ni/Nb2O5. (b) Remote H-spillover effect on the surface acidity of Nb2O5.
Fig. 6. FT-IR spectra of adsorbed probe molecules on Nb2O5-Pt@ZSM-5 surface respectively under N2 and 10%-H2/N2: pyridine (a), phenylacetonitrile (b), and acetic acid (c). Raman spectra of samples pretreated with N2 and H2: Ni/Nb2O5 (d) and Nb2O5 (e). (f) O2-TPD profiles of Ni/Nb2O5 and Nb2O5. Photographs of H-spillover for investigated WO3 (g), WO3-Ni/Nb2O5 (h), WO3-Pt@ZSM-5 (i), WO3-Ni/Nb2O5-Pt@ZSM-5 (j), and WO3-Nb2O5-Pt@ZSM-5 (k) samples.
Scheme 3. Control experiments. Reaction conditions: 7.6%-Ni/Nb2O5 10 mg, 2.7%-Pt@ZSM-5 10 mg, 190 °C, 6.0 h, 10%-H2/N2 1.5 MPa. 1a 0.10 mmol and 2a 3.0 mL for panel (a); 1a 0.10 mmol, 8a 0.50 mmol and toluene 3.0 mL for panel (b); 6a 0.10 mmol and 2a 3.0 mL for panel (c); 7a 0.10 mmol and 2a 3.0 mL for panel (d).
Run | T (°C) | k1′ × 10 (h-1) | Ea,1′ (kJ mol-1) | lnA1′ (h-1) | k3′ (h-1) | Ea,3′ (kJ mol-1) | lnA3′ (h-1) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1b | 170 | (2.25 ± 0.01) | 53.8 ± 2.4 | 13.12 ± 0.66 | 1.04 ± 0.01 | 36.6 ± 2.1 | 9.95 ± 0.55 |
2b | 180 | (3.21 ± 0.01) | 53.8 ± 2.4 | 13.12 ± 0.66 | 1.23 ± 0.01 | 36.6 ± 2.1 | 9.95 ± 0.55 |
3b | 190 | (4.12 ± 0.01) | 53.8 ± 2.4 | 13.12 ± 0.66 | 1.58 ± 0.01 | 36.6 ± 2.1 | 9.95 ± 0.55 |
4b | 200 | (5.79 ± 0.02) | 53.8 ± 2.4 | 13.12 ± 0.66 | 1.92 ± 0.02 | 36.6 ± 2.1 | 9.95 ± 0.55 |
5c | 170 | (5.31 ± 0.03) | 34.6 ± 1.8 | 8.78 ± 0.49 | 1.13 ± 0.02 | 35.3 ± 2.1 | 9.68 ± 0.56 |
6c | 180 | (6.83 ± 0.01) | 34.6 ± 1.8 | 8.78 ± 0.49 | 1.34 ± 0.01 | 35.3 ± 2.1 | 9.68 ± 0.56 |
7c | 190 | (8.15 ± 0.01) | 34.6 ± 1.8 | 8.78 ± 0.49 | 1.64 ± 0.01 | 35.3 ± 2.1 | 9.68 ± 0.56 |
8c | 200 | (9.70 ± 0.02) | 34.6 ± 1.8 | 8.78 ± 0.49 | 2.08 ± 0.03 | 35.3 ± 2.1 | 9.68 ± 0.56 |
Table 2 Kinetic parameters of 1a/2a-transnitrilation network as shown in Scheme 4a.
Run | T (°C) | k1′ × 10 (h-1) | Ea,1′ (kJ mol-1) | lnA1′ (h-1) | k3′ (h-1) | Ea,3′ (kJ mol-1) | lnA3′ (h-1) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1b | 170 | (2.25 ± 0.01) | 53.8 ± 2.4 | 13.12 ± 0.66 | 1.04 ± 0.01 | 36.6 ± 2.1 | 9.95 ± 0.55 |
2b | 180 | (3.21 ± 0.01) | 53.8 ± 2.4 | 13.12 ± 0.66 | 1.23 ± 0.01 | 36.6 ± 2.1 | 9.95 ± 0.55 |
3b | 190 | (4.12 ± 0.01) | 53.8 ± 2.4 | 13.12 ± 0.66 | 1.58 ± 0.01 | 36.6 ± 2.1 | 9.95 ± 0.55 |
4b | 200 | (5.79 ± 0.02) | 53.8 ± 2.4 | 13.12 ± 0.66 | 1.92 ± 0.02 | 36.6 ± 2.1 | 9.95 ± 0.55 |
5c | 170 | (5.31 ± 0.03) | 34.6 ± 1.8 | 8.78 ± 0.49 | 1.13 ± 0.02 | 35.3 ± 2.1 | 9.68 ± 0.56 |
6c | 180 | (6.83 ± 0.01) | 34.6 ± 1.8 | 8.78 ± 0.49 | 1.34 ± 0.01 | 35.3 ± 2.1 | 9.68 ± 0.56 |
7c | 190 | (8.15 ± 0.01) | 34.6 ± 1.8 | 8.78 ± 0.49 | 1.64 ± 0.01 | 35.3 ± 2.1 | 9.68 ± 0.56 |
8c | 200 | (9.70 ± 0.02) | 34.6 ± 1.8 | 8.78 ± 0.49 | 2.08 ± 0.03 | 35.3 ± 2.1 | 9.68 ± 0.56 |
Fig. 8. Substrate scope of the transnitrilation reaction. Reaction conditions: 7.6%-Ni/Nb2O5 10 mg, 2.7%-Pt@ZSM-5 10 mg, 2a 3.0 mL, 1 0.10 mmol, 190 °C, 6.0 h, 10%-H2/N2 1.5 MPa. 1 Conversions (% in brackets) and 3 yields (%) were obtained by HPLC analysis.a 210 °C was used. b Determined by GC analysis.
Fig. 9. 1a/2a-transnitrilation over Ni/Nb2O5-Pt@ZSM-5 under H2/N2: hot-filtration (a) and catalyst reusability (b). Reaction conditions: 7.6%-Ni/Nb2O5 10 mg, 2.7%-Pt@ZSM-5 10 mg, 2a 3.0 mL, 1a 0.10 mmol, 190 °C, 6 h, 10%-H2/N2 1.5 MPa.
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