Metal-mediated catalysis in the gas phase:A review

doi:10.1016/S1872-2067(17)62782-7

Abstract

Abstract:

This review summarizes a variety of experimentally identified gas-phase catalytic cycles, all of which are mediated by atomic metal ions, bare metal clusters, metal oxide clusters or metal com-plexes. Emphasis is placed on the latest advances in the unique catalytic reactivity of clus-ter-confined single noble metal atoms. The cycles discussed in this paper cover a wide range of inorganic and organic molecules. The use of start-of-the-art mass spectrometric instrumentation in conjunction with quantum chemistry calculations is also reported, as these techniques have deter-mined the mechanistic details of the elementary steps of such catalytic cycles. The important role of gas-phase data in guiding the rational design of better-performing catalysts in related condensed phase reactions is also examined. In particular, this review focuses on the following three topics:(1) the catalytic oxidation of carbon monoxide, (2) the catalytic functionalization of methane, and (3) catalytic decarboxylation.

Key words: Metal catalysis, Clusters, Single atom catalysts, Carbon monoxide, Methane

Xiao-Na Li, Xiu-Ping Zou, Sheng-Gui He. Metal-mediated catalysis in the gas phase:A review[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(9): 1515-1527.

×
share this article

Add to citation manager EndNote|Ris|BibTeX

URL: https://www.cjcatal.com/EN/10.1016/S1872-2067(17)62782-7

https://www.cjcatal.com/EN/Y2017/V38/I9/1515

References

[1] B. Grzybowska-Swierkosz, Top. Catal., 2000, 11, 2-42.
[2] I. E. Wachs, Catal. Today, 2005, 100, 79-94.
[3] W. X. Wang, A. D. Liang, S. J. Lippard, Acc. Chem. Res., 2015, 48, 2632-2639.
[4] S. Sirajuddin, A. C. Rosenzweig, Biochemistry, 2015, 54, 2283-2294.
[5] R. Banerjee, Y. Proshlyakov, J. D. Lipscomb, D. A. Proshlyakov, Na-ture, 2015, 518, 431-434.
[6] R. A. J. O'Hair, G. N. Khairallah, J. Clust. Sci., 2004, 15, 331-363.
[7] D. K. Böhme, H. Schwarz, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 2336-2354.
[8] R. Burgert, H. Schnöckel, A. Grubisic, X. Li, S. T. Stokes, K. H. Bowen, G. F. Ganteför, B. Kiran, P. Jena, Science, 2008, 319, 438-442.
[9] Y. Gong, M. F. Zhou, L. Andrews, Chem. Rev., 2009, 109, 6765-6808.
[10] P. J. Roach, W. H. Woodward, A. W. Castleman Jr., A. C. Reber, S. N. Khanna, Science, 2009, 323, 492-495.
[11] K. R. Asmis, Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 9270-9281.
[12] S. M. Lang, T. M. Bernhardt, Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 9255-9269.
[13] Y. X. Zhao, X. N. Wu, J. B. Ma, S. G. He, X. L. Ding, Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 1925-1938.
[14] X. L. Ding, X. N. Wu, Y. X. Zhao, S. G. He, Acc. Chem. Res., 2012, 45, 382-390.
[15] Q. Y. Liu, S. G. He, Chem. J. Chinese U., 2014, 35, 665-688
[16] X. N. Li, H. M. Zhang, Z. Yuan, S. G. He, Nat. Commun., 2016, 7, 11404.
[17] Y. K. Li, Z. Yuan, Y. X. Zhao, C. Y. Zhao, Q. Y. Liu, H. Chen, S. G. He, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 12854-12860.
[18] Z. Y. Li, H. F. Li, Y. X. Zhao, S. G. He, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 9437-9443.
[19] Y. X. Zhao, X. N. Li, Z. Yuan, Q. Y. Liu, Q. Shi, S. G. He, Chem. Sci., 2016, 7, 4730-4735.
[20] Y. X. Zhao, Q. Y. Liu, M. Q. Zhang, S. G. He, Dalton Trans., 2016, 45, 11471-11495.
[21] Y. X. Zhao, S. G. He, Prog. Chem. 2016, 28, 401-414.
[22] M. Q. Zhang Y. X. Zhao, S. G. He, Chemistry, 2016, 79, 395-402.
[23] R. A. J. O'Hair, Int. J. Mass Spectrom., 2015, 377, 121-129.
[24] G. N. Schatteburg, Struct. Bond, 2016, 1-40.
[25] H. Schwarz, Coord. Chem. Rev., 2016, DOI:10.1016/j.ccr.2016. 03.009.
[26] N. Dietl, M. Schlangen, H. Schwarz, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 5544-5555.
[27] R. A. J. O'Hair, N. J. Rijs, Acc. Chem. Res., 2015, 48, 329-340.
[28] R. A. J. O'Hair, Pure Appl. Chem., 2015, 87, 391-404.
[29] B. T. Qiao, A. Q. Wang, X. F. Yang, L. F. Allard, Z. Jiang, Y. Cui, J. Y. Liu, J. Li, T. Zhang, Nat. Chem., 2011, 3, 634-641.
[30] X. F. Yang, A. Q. Wang, B. T. Qiao, J. Li, J. Y. Liu, T. Zhang, Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1740-1748.
[31] M. M. Kappes, R. H. Staley, J. Am. Chem. Soc., 1981, 103, 1286-1287.
[32] M. Brönstrup, D. Schröder, I. Kretzschmar, H. Schwarz, J. N. Har-vey, J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 142-147.
[33] V. Blagojevic, M. J. Y. Jarvis, E. Flaim, G. K. Koyanagi, V. V. Lavrov, D. K. Bohme, Angew. Chem. Int. Ed., 2003, 42, 4923-4927.
[34] Y. Shi, K. M. Ervin, J. Chem. Phys., 1998, 108, 1757-1760.
[35] M. L. Kimble, A. Welford Castleman Jr., R. Mitric, C. Bürgel, V. Bonacic-Koutecký, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 2526-2535.
[36] V. Blagojevic, G. Orlova, D. K. Bohme, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 3545-3555.
[37] V. Blagojevic, D. K. Bohme, Int. J. Mass Spectrom., 2006, 254, 152-154.
[38] C. K. Siu, S. J. Reitmeier, I. Balteanu, V. E. Bondybey, M. K. Beyer, Eur. Phys. J. D, 2007, 43, 189-192.
[39] G. E. Johnson, E. C. Tyo, A. W. Castleman Jr., J. Phys. Chem. A, 2008, 112, 4732-4735.
[40] G. E. Johnson, R. Mitric, E. C. Tyo, V. Bonacic-Koutecký, A. W. Cas-tleman Jr., J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 13912-13920.
[41] E. C. Tyo, M. Noβler, R. Mitric, V. Bonacic-Koutecký, A. W. Cas-tleman Jr., Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 4243-4249.
[42] Z. C. Wang, N. Dietl, R. Kretschmer, T. Weiske, M. Schlangen, H. Schwarz, Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 12351-12354.
[43] A. Yamada, K. Miyajima, F. Mafuné, Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 4188-4195.
[44] Z. C. Wang, S. Yin, E. R. Bernstein, Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15, 10429-10434.
[45] J. B. Ma, Z. C. Wang, M. Schlangen, S. G. He, H. Schwarz, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 1226-1230.
[46] S. Yin, Z. C. Wang, E. R. Bernstein, J. Chem. Phys., 2013, 139, 084307.
[47] W. T. Wallace, R. L. Whetten, J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, 7499-7505.
[48] H. Häkkinen, U. Landman, J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 9704-9705.
[49] L. D. Socaciu, J. Hagen, T. M. Bernhardt, L. Woste, U. Heiz, H. Häk-kinen, U. Landman, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 10437-10445.
[50] L. D. Socaciu, J. Hagen, J. Le Roux, D. Popolan, T. M. Bernhardt, L. Wöste, Š. Vajda, J. Chem. Phys., 2004, 120, 2078-2081.
[51] Y. Xie, F. Dong, E. R. Bernstein, Catal. Today, 2011, 177, 64-71.
[52] S. M. Lang, I. Fleischer, T. M. Bernhardt, R. N. Barnett, U. Landman, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 20654-20659.
[53] Z. Y. Li, Z. Yuan, X. N. Li, Y. X. Zhao, S. G. He, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 14307-14313.
[54] X. N. Li, Z. Yuan, J. H. Meng, Z. Y. Li, S. G. He, J. Phys. Chem. C, 2015, 119, 15414-15420.
[55] K. K. Irikura, J. L. Beauchamp, J. Am. Chem. Soc., 1989, 111, 75-85.
[56] D. Schröder, H. Schwarz, Angew. Chem. Int. Ed., 1990, 29, 1433-1434.
[57] R. Wesendrup, D. Schröder, H. Schwarz, Angew. Chem. Int. Ed., 1994, 33, 1174-1176.
[58] D. Schröder, H. Schwarz, D. E. Clemmer, Y. M. Chen, P. B. Armen-trout, V. Baranov, D. K. Böhme, Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes, 1997, 161, 175-191.
[59] M. Brönstrup, D. Schröder, H. Schwarz, Organometallics, 1999, 18, 1939-1948.
[60] A. Bozovic, S. Feil, G. K. Koyanagi, A. A. Viggiano, X. H. Zhang, M. Schlangen, H. Schwarz, D. K. Bohme, Chem. Eur. J., 2010, 16, 11605-11610.
[61] S. M. Lang, T. M. Bernhardt, R. N. Barnett, U. Landman, Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 980-983.
[62] S. M. Lang, T. M. Bernhardt, R. N. Barnett, U. Landman, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 6788-6795.
[63] S. M. Lang, A. Frank, T. M. Bernhardt, Catal. Sci. Technol., 2013, 3, 2926-2933.
[64] T. Waters, R. A. J. O'Hair, A. G. Wedd, Int. J. Mass Spectrom., 2003, 228, 599-611.
[65] R. A. J. O'Hair, A. K. Vrkic, P. F. James, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 12173-12183.
[66] G. N. Khairallah, R. A. J. O'Hair, Int. J. Mass Spectrom., 2006, 254, 145-151.
[67] A. Zavras, G. N. Khairallah, M. Krstic, M. Girod, S. Daly, R. Antoine P. Maitre, R. J. Mulder, S.-A. Alexander, V. Bonacic-Koutecký, P. Dugourd, R. A. J. O'Hair, Nat. Commun., 2016, 7, 11746.
[68] N. J. Rijs, R. A. J. O'Hair, Organometallics, 2012, 31, 8012-8023.
[69] H. A. Sharif, K. L. Vikse, G. N. Khairallah, R. A. J. O'Hair, Organome-tallics, 2013, 32, 5416-5427.
[70] P. Schnabel, M. P. Irion, K. G. Weil, J. Phys. Chem., 1991, 95, 9688-9694.
[71] P. Schnabel, K. G. Weil, M. P. Irion, Angew. Chem. Int. Ed., 1992, 31, 636-638.
[72] C. Berg, S. Kaiser, T. Schindler, C. Kronseder, G. Niedner-Schatteburg, V. E. Bondybey, Chem. Phys. Lett., 1994, 231, 139-143.
[73] C. Heinemann, H. H. Cornehl, H. Schwarz, J. Organomet. Chem., 1995, 501, 201-209.
[74] R. Wesendrup, H. Schwarz, Organometallics, 1997, 16, 461-466.
[75] E. E. Ferguson, F. C. Fehsenfeld, J. Geophys. Res., 1968, 73, 6215-6223.
[76] D. Schröder, H. Schwarz, Angew. Chem. Int. Ed., 1990, 29, 1431-1433.
[77] A. Dašic, X. Zhao, D. K. Bohme, Int. J. Mass Spectrom., 2006, 254, 155-162.
[78] B. Chiavarino, M. E. Crestoni, S. Fornarini, Chem. Eur. J., 2002, 8, 2740-2746.
[79] M. F. Ryan, D. Stöeckigt, H. Schwarz, J. Am. Chem. Soc., 1994, 116, 9565-9570.
[80] D. Caraiman, D. K. Bohme, J. Phys. Chem. A, 2002, 106, 9705-9717.
[81] T. Waters, G. N. Khairallah, S. A. S. Y. Wimala, Y. C. Ang, R. A. J. O'Hair, A. G. Wedd, Chem. Commun., 2006, 4503-4505.
[82] V. Blagojevic, A. Bozovic, G. Orlova, D. K. Bohme, J. Phys. Chem. A, 2008, 112, 10141-10146.
[83] M. Andersson, A. Rosén, J. Chem. Phys., 2002, 117, 7051-7054.
[84] S. W. Buckner, J. R. Gord, B. S. Freiser, J. Am. Chem. Soc., 1988, 110, 6606-6612.
[85] T. Waters, R. A. J. O'Hair, A. G. Wedd, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 3384-3396.
[86] H. J. Freund, G. Meijer, M. Scheffler, R. Schlögl, M. Wolf, Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 10064-10094.
[87] T. Fujitani, I. Nakamura, Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 10144-10147.
[88] J. Guzman, S. Carrettin, J. C. Fierro-Gonzalez, Y. L. Hao, B. C. Gates, A. Corma, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 4778-4781.
[89] G. I. Panov, K. A. Dubkov, E. V. Starokon, Catal. Today, 2006, 117, 148-155.
[90] S. Carrettin, Y. L. Hao, V. Aguilar-Guerrero, B. C. Gates, S. Traso-bares, J. J. Calvino, A. Corma, Chem. Eur. J., 2007, 13, 7771-7779.
[91] J. C. Fierro-Gonzalez, J. Guzman, B. C. Gates, Top. Catal., 2007, 44, 103-114.
[92] M. Jansen, Chem. Soc. Rev., 2008, 37, 1826-1835.
[93] A. Roldán, J. M. Ricart, F. Illas, G. Pacchioni, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 16973-16978.
[94] I. X. Green, W. J. Tang, M. Neurock, J. T. Yates Jr., Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 10186-10189.
[95] I. X. Green, W. J. Tang, M. Neurock, J. T. Yates Jr., Acc. Chem. Res., 2014, 47, 805-815.
[96] D. Widmann, E. Hocking, R. J. Behm, J. Catal., 2014, 317, 272-276.
[97] X. N. Li, Z. Y. Li, H. F. Li, S. G. He, Chem. Eur. J., 2016, 22, 9024-9029.
[98] V. I. Pârvulescu, P. Grange, B. Delmon, Catal. Today, 1998, 46, 233-316.
[99] M. Dabros, P. R. Emery, V. R. Thalladi, Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 4132-4135.
[100] Z. P. Liu, S. J. Jenkins, D. A. King, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 10746-10756.
[101] G. K. Koyanagi, D. K. Bohme, J. Phys. Chem. A, 2001, 105, 8964-8968.
[102] V. V. Lavrov, V. Blagojevic, G. K. Koyanagi, G. Orlova, D. K. Bohme, J. Phys. Chem. A, 2004, 108, 5610-5624.
[103] O. P. Balaj, I. Balteanu, T. T. J. Roβteuscher, M. K. Beyer, V. E. Bondybey, Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43, 6519-6522.
[104] Z. C. Wang, X. N. Wu, Y. X. Zhao, J. B. Ma, X. L. Ding, S. G. He, Chem. Phys. Lett., 2010, 489, 25-29.
[105] X. N. Wu, X. L. Ding, S. M. Bai, B. Xu, S. G. He, Q. Shi, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 13329-13337.
[106] J. B. Ma, B. Xu, J. H. Meng, X. N. Wu, X. L. Ding, X. N. Li, S. G. He, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 2991-2998.
[107] X. L. Ding, Y. X. Zhao, X. N. Wu, Z. C. Wang, J. B. Ma, S. G. He, Chem. Eur. J., 2010, 16, 11463-11470.
[108] Z. C. Wang, X. N. Wu, Y. X. Zhao, J. B. Ma, X. L. Ding, S. G. He, Chem. Eur. J., 2011, 17, 3449-3457.
[109] L. H. Tian, T. M. Ma, X. N. Li, S. G. He, Dalton Trans., 2013, 42, 11205-11211.
[110] D. Widmann, R. J. Behm, Acc. Chem. Res., 2014, 47, 740-749.
[111] A. P. Woodham, G. Meijer, A. Fielicke, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 4444-4447.
[112] M. L. Kimble, N. A. Moore, G. E. Johnson, A. W. Castleman, Jr., C. Buergel, R. Mitric, V. Bonacic-Koutecký, J. Chem. Phys., 2006, 125, 204311/1-204311/14.
[113] D. Y. Tang, Y. Q. Zhang, C. W. Hu, Acta Chim. Sin., 2008, 66, 1501-1507.
[114] J. M. Thomas, R. Raja, D. W. Lewis, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 6456-6482.
[115] Y. Y. Jin, P. P. Hao, J. Ren, Z. Li, Prog.Chem., 2015, 27, 1689-1704.
[116] M. Valden, X. Lai, D. W. Goodman, Science, 1998, 281, 1647-1650.
[117] B. Yoon, H. Häkkinen, U. Landman, A. S. Wörz, J. M. Antonietti, S. Abbet, K. Judai, U. Heiz, Science, 2005, 307, 403-407.
[118] I. X. Green, W. J. Tang, M. Neurock, J. T. Yates Jr., Science, 2011, 333, 736-739.
[119] A. L. Allred, J. Inorg. Nucl. Chem., 1961, 17, 215-221.
[120] Z. Zakaria, S. K. Kamarudin, Renew. Sust. Energy Rev., 2016, 65, 250-261.
[121] B. Z. Han, Y. Yang, Y. Y. Xu, U. J. Etim, K. Qiao, B. J. Xu, Z. F. Yan, Chin. J. Catal., 2016, 37, 1206-1215.
[122] R. G. Bergman, Nature, 2007, 446, 391-393.
[123] V. N. Cavaliere, D. J. Mindiola, Chem. Sci., 2012, 3, 3356-3365.
[124] B. G. Hashiguchi, S. M. Bischof, M. M. Konnick, R. A. Periana, Acc. Chem. Res., 2012, 45, 885-898.
[125] H. Schwarz, P. González-Navarrete, J. Li, M. Schlangen, X. Y. Sun, T. Weiske, S. D. Zhou, Organometallics, 2017, 36, 8-17.
[126] M. Pavlov, M. R. A. Blomberg, P. E. M. Siegbahn, R. Wesendrup, C. Heinemann, H. Schwarz, J. Phys. Chem. A, 1997, 101, 1567-1579.
[127] Y. X. Zhao, Z. Y. Li, Z. Yuan, X. N. Li, S. G. He, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 9482-9486.
[128] K. Saito, T. Shiose, O. Takahashi, Y. Hidaka, F. Aiba, K. Tabayashi, J. Phys. Chem. A, 2005, 109, 5352-5357.
[129] W. I. Dzik, P. P. Lange, L. J. Goossen, Chem. Sci., 2012, 3, 2671-2678.
[130] A. Zavras, J. M. White, R. A. J. O'Hair, Dalton Trans., 2016, 45, 19408-19415.
[131] M. C. Libby, P. C. Watson, M. A. Barteau, Ind. Eng. Chem. Res., 1994, 33, 2904-2912.
[132] L. J. Goossen, N. Rodríguez, C. Linder, P. P. Lange, A. Fromm, ChemCatChem, 2010, 2, 430-442.
[133] A. Boddien, F. Gärtner, C. Federsel, P. Sponholz, D. Mellmann, R. Jackstell, H. Junge, M. Beller, Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 6411-6414.
[134] M. Grasemann, G. Laurenczy, Energy Environ. Sci., 2012, 5, 8171-8181.
[135] J. D. Weaver, A. Recio, A. J. Grenning, J. A. Tunge, Chem. Rev., 2011, 111, 1846-1913.
[136] H. T. Deng, P. Kebarle, J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 2925-2931.