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Cascade CO2 Insertion in Carbanion Ionic Liquids Driven by Structure Rearrangement

化学 级联 碳负离子 离子键合 离子液体 立体化学 有机化学 离子 色谱法 催化作用
作者
Liqi Qiu,Bo Li,Jian Zhi Hu,Arvind Ganesan,Subhamay Pramanik,Joshua T. Damron,Errui Li,De‐en Jiang,Shannon M. Mahurin,Ilja Popovs,Carlos A. Steren,Juntian Fan,Zhenzhen Yang,Sheng Dai
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (43): 29588-29598
标识
DOI:10.1021/jacs.4c09933
摘要

The CO2 chemisorption in state-of-the-art sorbents based on oxide/hydroxide/amine moieties is driven by strong chemical bonding formation in the carbonate/bicarbonate/carbamate products, which in turn leads to high energy input in sorbent regeneration. In addition, the CO2 uptake capacity was limited by the active sites' utilization efficiency, with each active site incorporating one CO2 molecule or less. In this work, a new concept and generation of sorbent was developed to achieve cascade insertion of multiple CO2 molecules by leveraging structure rearrangement as the driving force, leading to in situ generation of extra CO2-binding sites and significantly reduced energy input for CO2 release. The designed ionic liquids (ILs) containing carbanions with conjugated and asymmetric structure, deprotonated (methylsulfonyl)acetonitrile ([MSA]) anion, allowed the cascade insertion of two CO2 molecules via consecutive C–C and O–C bond formations. The proton transfer and structure rearrangement of the carboxylic acid intermediates played critical roles in stabilizing the first integrated CO2 and generating extra electron-rich oxygen sites for the insertion of the second CO2. The structure variation and reaction pathway were confirmed by operando spectroscopy, magnetic resonance spectroscopy (NMR), mass spectroscopy, and computational chemistry. The energy input in sorbent regeneration could be further reduced by harnessing the phase-changing behavior of the carbanion salts in ether solutions upon reacting with CO2, avoiding the energy consumption in heating the solvent. The fundamental insights obtained herein provide a promising approach to greatly improve the CO2 sorption performance via sophisticated molecular-scale structural engineering of the sorbents.

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