Earth-Abundant Mixed-Metal Catalysts for Hydrocarbon Oxygenation

化学 碳氢化合物 催化作用 充氧 土(古典元素) 金属 无机化学 有机化学 天体生物学 物理 生态学 数学物理 生物
作者
James R. Pankhurst,Massimiliano Curcio,Stephen Sproules,Guy C. Lloyd‐Jones,Jason B. Love
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:57 (10): 5915-5928 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.8b00420
摘要

The oxygenation of aliphatic and aromatic hydrocarbons using earth-abundant Fe and Cu catalysts and "green" oxidants such as hydrogen peroxide is becoming increasingly important to atom-economical chemical processing. In light of this, we describe that dinuclear CuII complexes of pyrrolic Schiff-base macrocycles, in combination with ferric chloride (FeCl3), catalyze the oxygenation of π-activated benzylic substrates with hydroperoxide oxidants at room temperature and low loadings, representing a novel design in oxidation catalysis. Mass spectrometry and extended X-ray absorption fine structure analysis indicate that a cooperative action between CuII and FeIII occurs, most likely because of the interaction of FeCl3 or FeCl4– with the dinuclear CuII macrocycle. Voltammetric measurements highlight a modulation of both CuII and FeIII redox potentials in this adduct, but electron paramagnetic resonance spectroscopy indicates that any Cu–Fe intermetallic interaction is weak. High ketone/alcohol product ratios, a small reaction constant (Hammett analysis), and small kinetic isotope effect for H-atom abstraction point toward a free-radical reaction. However, the lack of reactivity with cyclohexane, oxidation of 9,10-dihydroanthracene, oxygenation by the hydroperoxide MPPH (radical mechanistic probe), and oxygenation in dinitrogen-purge experiments indicate a metal-based reaction. Through detailed reaction monitoring and associated kinetic modeling, a network of oxidation pathways is proposed that includes "well-disguised" radical chemistry via the formation of metal-associated radical intermediates.

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