催化学报2024,Vol.61Issue(6) :322-330.DOI:10.1016/S1872-2067(24)60042-2

"溶剂剪刀"克服惰性氢键促进常压氧气下高效催化氧化芳香烃

Solvent-scissors overcoming inert hydrogen bonding enable efficient oxidation of aromatic hydrocarbons under atmospheric oxygen

金魁 张美云 车鹏华 孙冬茹 王永 马红 张巧红 陈晨 徐杰
催化学报2024,Vol.61Issue(6) :322-330.DOI:10.1016/S1872-2067(24)60042-2

"溶剂剪刀"克服惰性氢键促进常压氧气下高效催化氧化芳香烃

Solvent-scissors overcoming inert hydrogen bonding enable efficient oxidation of aromatic hydrocarbons under atmospheric oxygen

金魁 1张美云 2车鹏华 3孙冬茹 4王永 4马红 3张巧红 5陈晨 5徐杰3
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作者信息

  • 1. 宁波大学材料科学与化学工程学院,浙江宁波 315211;中国科学院大连化学物理研究所,辽宁大连 116023
  • 2. 中国科学院大连化学物理研究所,辽宁大连 116023;中国科学院大学,北京 100049
  • 3. 中国科学院大连化学物理研究所,辽宁大连 116023
  • 4. 宁波大学新药技术研究院,浙江宁波 315211
  • 5. 宁波大学材料科学与化学工程学院,浙江宁波 315211
  • 折叠

摘要

氢键是调节各类催化反应体系中分子行为的重要作用力,能够有效活化分子、改变作用位置及控制反应途径,具有重要的科学意义和应用潜力.然而,氢键的利用过程存在着惰性效应难题,严重阻碍反应的顺利进行.如何有针对性地打破惰性的氢键作用力,探索氢键的构建与破坏机制,成为提高反应转化效率和选择性的重要途径,有利于实现高原子经济性并减少碳足迹.芳香烃氧化制羧酸是工业上重要的催化氧化过程,但存在高能耗、副产物多以及二氧化碳排放等问题.本文以甲苯液相氧气氧化制苯甲酸为模型反应,提出了旨在克服惰性氢键的"溶剂剪刀"策略.通过利用氢键受体溶剂(如醋酸、醋酸乙酯、氯乙酸乙酯或氯乙酸甲酯)作为破坏试剂,与强氢键供体溶剂六氟异丙醇(HFIP)形成氢键,从而将关键中间体苯甲醛从惰性的氢键结合状态中释放出来,将甲苯在温和条件下高效氧化为苯甲酸.使用NHPI/金属醋酸盐/HFIP-HOAc作为催化体系,在温和的反应条件(45 ℃,0.1 MPa O2)下反应4 h,甲苯转化率达到96.8%,苯甲酸选择性达98.7%.该方法不仅成功实现了甲苯到苯甲酸的高效转化,还可进一步拓展至邻(间,对)甲基甲苯等甲基芳烃,在25-45 ℃和常压氧气条件下高效氧化制备芳香羧酸.利用变浓度核磁共振实验,定量测定了氢键供体HFIP与不同"剪刀溶剂"形成氢键的标准吉布斯自由能变化(△G0).结果显示,-△G0顺序为醋酸>醋酸乙酯>氯乙酸乙酯>氯乙酸甲酯,其中醋酸的△G0达到-4.319 kJ/mol,具有最强的氢键裁剪能力.实验显示,-△G0与周转次数(TON)值(促进苯甲醛氧化的能力)的顺序一致,表明氢键裁剪能力越强的"溶剂-剪刀"越有利于促进苯甲醛的氧化.综上,本文利用"溶剂-剪刀"重建了甲基芳烃氧化反应中的氢键平衡体系,切断了使苯甲醛惰性化的氢键,促进游离苯甲醛的释放,使甲基芳香烃能在温和条件下高效氧化为芳香酸.本研究为有机合成普遍存在的氢键惰性化效应提供了解决思路,有利于促进"氢键调控"在有机合成的应用.

Abstract

Hydrogen bonding is a fascinating interaction that controls the outcomes of chemical reactions.However,overcoming the strong deactivation arising from alterations in the polarity and electronic properties of the reactants and intermediates remains a challenge.Herein,we proposed a"sol-vent-scissors"strategy for overcoming the inert hydrogen bonding,enabling the efficient aerobic oxidation of methyl aromatics into aromatic acids under atmospheric oxygen at 25-45 ℃.The hy-drogen bonds between the key intermediate,benzaldehyde(PhCHO),and hexafluoroisopropanol(HFIP)were reconstructed using solvent-scissors(acetic acid(HOAc),ethyl acetate,ethyl chloro-acetate,and methyl chloroacetate),which promoted the release of free PhCHO from its inert hydro-gen-bonded state and enabled the one-step oxidation of toluene to benzoic acid under mild condi-tions.The standard Gibbs free energy changes(△G0)representing the proton acceptance capability of the solvent were of the same order of magnitude as the turnover number(TON)(capacity for promoting benzaldehyde oxidation).This approach affords remarkable benzoic acid selectivity(98.7%)with high toluene conversion(96.8%)at 45 ℃ within 4 h under 0.1 MPa O2 using NHPI/metal acetate/HFIP-HOAc.This strategy opens up a new avenue for regulating hydrogen bonding in a wider range of applications for the planning and development of synthesis protocols.

关键词

氢键/芳香烃/选择氧化/溶剂剪刀/六氟异丙醇

Key words

Hydrogen bonding/Aromatic hydrocarbon/Selective Oxidation/Solvent-scissors/Hexafluoroisopropanol

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基金项目

国家重点研发计划(2022YFA1504902)

国家自然科学基金(21872075)

国家自然科学基金(22272172)

国家自然科学基金(22072149)

出版年

2024
催化学报
中国化学会 中国科学院大连化学物理研究所

催化学报

CSTPCD
影响因子:1.269
ISSN:0253-9837
参考文献量44
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