Mechanism of Brønsted-acid-promoted self-photosensitized [2+2] cycloaddition for synthesis of high-performance bio-spiral fuel

布朗斯特德-洛瑞酸碱理论 环加成 机制(生物学) 螺旋(铁路) 光化学 化学 材料科学 化学工程 组合化学 有机化学 催化作用 物理 工程类 机械工程 量子力学
作者
Ying Chen,Yumei Shu,Minhua Ai,Wenbiao Chen,Chengwen Liu,Songyi Zhang,Shaojie Wang,Haopeng Shi,Ji‐Jun Zou,Lun Pan
出处
期刊:Green Energy & Environment [KeAi]
卷期号:10 (3): 585-597 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.gee.2024.05.006
摘要

Photoinduced [2 + 2] cycloaddition of biomass-derived cycloolefin is a promising approach to synthesize high-energy bio-fuels, however, the conversion efficiency and selectivity are still low. Herein, we provide an acid-promoted photocycloaddition approach to synthesize a new kind of spiral fuel from biomass-derived cyclohexanone (CHOE) and camphene (CPE). Brønsted acids show higher catalytic activity than Lewis acids, and acetic acid (HOAc) possesses the best catalytic performance, with CHOE conversion up to 99.1%. Meanwhile, the HOAc-catalytic effect has been confirmed for [2 + 2] photocycloaddition of other biomass-derived ketenes and olefins. The catalytic mechanism and dynamics have been investigated, and show that HOAc can bond with CO groups of CHOE to form H–CHOE complex, which leads to higher light adsorption and longer triplet lifetime. Meanwhile, H–CHOE complex reduces the energy gap between CHOE LUMO and CPE HOMO, shortens the distance of ring-forming atoms, and then decreases the energy barrier (from 103.3 kcal mol−1 to 95.8 kcal mol−1) of rate-limiting step. After hydrodeoxygenation, the targeted bio-spiral fuel shows high density of 0.992 g cm−3, high neat heat of combustion of 41.89 MJ L−1, low kinetic viscosity of 5.69 mm2 s−1 at 20 °C, which is very promising to serve as high-performance aerospace fuel.
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