中科大在腈类化合物加氢选择性调控方面取得进展
2019-11-07 14:07:16 中国科学技术大学

  胺类化合物是一类重要的化工中间体,在生物医药、涂料、农药、橡胶等第一福利社区具有广泛的应用。与传统有机合成路线相比,基于负载型金属催化剂的腈类化合物选择性加氢制备胺类化合物是一种原子经济性高、环境友好的合成路线,进而受到催化届的广泛关注。然而由于腈类分子中的CoN三键具有较高的还原势,导致该催化路线的选择性普遍较低,往往得到伯胺、仲胺、亚胺,以及附加值较低的氢解副产物等多种产物的混合物,大幅度增加了该合成路线中的后续分离成本。因此,如何设计一种能够实现单一胺类化合物(尤其是具有高附加值的仲胺)的高选择性合成,且同时避免氢解副反应产生的高性能加氢催化剂,是目前腈类化合物选择性加氢研究的一个重大挑战。

  针对这一挑战性课题,中国科学技术大学教授路军岭课题组通过利用原子层沉积(ALD)技术设计出了Pd1Ni/SiO2单原子表面合金(Single-atom surface alloy,SASA)催化剂,实现了高活性和高选择性腈类化合物催化转化制备仲胺,并同时完全抑制了氢解副反应的产生。杨金龙课题组通过理论计算,进一步揭示了催化反应选择性调控的分子机理。相关研究结果于11月1日以Quasi Pd1Ni single-atom surface alloy catalyst enables hydrogenation of nitriles to secondary amines为题,在线发表于《自然-通讯》期刊上(Nature Communications,DOI: 10.1038/s41467-019-12993-x)。中国科大化学与材料科学学院博士生王恒伟和合肥微尺度物质科学国家研究中心特任副研究员罗其全是该工作的共同第一作者。

  路军岭课题组使用ALD技术,利用“区域选择性沉积”策略,将Pd选择性地沉积到了SiO2负载的Ni纳米颗粒表面(图1a);在Pd低覆盖度时,成功合成了“核-壳”型Pd1Ni SASA催化剂。其中,Pd原子级分散于Ni颗粒的最外层,最大化地提高了贵金属Pd的利用率。球差矫正透射电镜证明了Pd主要以单原子分散物种存在(图1b);同步辐射X-射线吸收谱证实了改变Pd ALD周期对Pd聚集体结构的精准调控,且通过Pd-Ni配位环境分析证实了Pd1NiSASA结构的形成(图1c)。在苯甲腈催化加氢反应中,获得的Pd1Ni SASA催化剂(5Pd-Ni/SiO2)打破了传统的“金属-选择性”关联,相比Pd/SiO2催化剂,反转了产物选择性,将仲胺的产率从5%大幅提高到97%,并且完全抑制了氢解副反应的发生(图1d)。更加可喜的是,在相同反应条件下,该催化剂的活性分别是Pd/SiO2和Pt/SiO2催化剂的8倍和4倍(图1e),且具有优异的循环稳定性(图1f)和良好的底物普适性,体现了Pd1Ni SASA结构独特的催化性能和良好的工业化应用前景。

  理论计算详细研究了Pd(111)、Pt(111)和Ni(111)金属表面的苯甲腈催化加氢微观机制,首次揭示了亚胺中间体的产生和进一步加氢这两步反应的有效势垒差异是产生“金属-选择性”关联的关键因素。计算表明,在Pd1Ni (111)表面,苯甲腈加氢到亚胺的有效势垒(1.06 eV)显著低于亚胺加氢到伯胺的有效势垒(1.30 eV),与Pd(111)表面正好相反,因此延长了亚胺中间体在催化剂表面的寿命,促进了其与伯胺的进一步缩合生成仲胺,从而有效提高了仲胺选择性。

  该研究结果表明,精准调控金属活性组分的结构和微环境对提高金属催化剂性能具有重要意义,并为高性能金属催化剂的理性设计提供了重要参考。

  该项研究得到国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费、中科院合肥大科学中心“高端用户培育基金”马克思-普朗克伙伴小组等资助,也得到上海同步辐射光源和合肥国家同步辐射实验室机时的支持。

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