Isotopic labeling studies of the mechanism of dehydrogenation of methanol to methyl formate over copper-based catalysts

化学 甲酸甲酯 动力学同位素效应 甲醇 格式化 催化作用 脱氢 甲醛 半缩醛 无机化学 光化学 有机化学 量子力学 物理
作者
Noel W. Cant
出处
期刊:Journal of Catalysis [Elsevier BV]
卷期号:91 (2): 197-207 被引量:71
标识
DOI:10.1016/0021-9517(85)90334-3
摘要

Deuterium labeling has been used to study the processes occurring during the conversion of methanol to methyl formate over copper catalysts at 180–210 °C and pressures of 0.3 to 1 atm. Deuterium substitution has a dramatic effect on rate, which decreases in the ratio 8:4:2:1 in the series CH3OH, CH3OD, CD3OH, CD3OD. This can be interpreted as the product of a primary kinetic isotope effect of four for replacement of CH3 by CD3 and a separate thermodynamic isotope effect of two on the concentration of a surface methoxy intermediate when OH is replaced by OD. The isotope effect provides strong support for a mechanism in which the slow step is the conversion of the methoxy group to formaldehyde. Reversibility of the conversion of methanol to methoxy is reflected by hydroxyl group exchange with D2 at a rate much in excess of methyl formate production. H2/HD/D2 equilibration rates are still faster even though methanol coverages are high. The product distribution from CD3ODCH3OH mixtures shows that methyl formate formation involves transfer of an H or a D with a discrimination isotope effect of two. This rules out coupling by a methoxy plus CHO step but leaves unresolved the possibility that the formate is produced by a hemiacetal intermediate or by formaldehyde dimerization. This lack of resolution results from isotopic scrambling caused by concurrent transesterification reactions as demonstrated using CD3OHCH3OCHO mixtures.
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