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Selective Methane Oxidation to Acetic Acid Using Molecular Oxygen over a Mono-Copper Hydroxyl Catalyst

化学 醋酸 催化作用 羟基值 氧气 甲烷 无机化学 分子氧 甲烷厌氧氧化 有机化学 聚氨酯 多元醇
作者
Neha Antil,Manav Chauhan,Naved Akhtar,Rahul Kalita,Kuntal Manna
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (11): 6156-6165 被引量:39
标识
DOI:10.1021/jacs.2c12042
摘要

Acetic acid is an industrially important chemical, produced mainly via carbonylation of methanol using precious metal-based homogeneous catalysts. As a low-cost feedstock, methane is commercially transformed to acetic acid via a multistep process involving energy-intensive methane steam reforming, methanol synthesis, and, subsequently, methanol carbonylation. Here, we report a direct single-step conversion of methane to acetic acid using molecular oxygen (O2) as the oxidant under mild conditions over a mono-copper hydroxyl site confined in a porous cerium metal–organic framework (MOF), Ce-UiO-Cu(OH). The Ce-UiO MOF-supported single-site copper hydroxyl catalyst gave exceptionally high acetic acid productivity of 335 mmolgcat–1 in 96% selectivity with a Cu TON up to 400 at 115 °C in water. Our spectroscopic and theoretical studies and controlled experiments reveal that the conversion of methane to acetic acid occurs via oxidative carbonylation, where methane is first activated at the copper hydroxyl site via σ-bond metathesis to afford Cu-methyl species, followed by carbonylation with in situ-generated carbon monoxide and subsequent hydrolysis by water. This work may guide the rational design of heterogeneous abundant metal catalysts for the activation and conversion of methane to acetic acid and other valuable chemicals under mild and environmentally friendly reaction conditions.
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