The Crucial Role of Lewis Basicity of N-Heterocyclic Carbenes in the CO2 Hydroboration Reduction: Comprehensive Insights from Density Functional Theory Calculations and Microkinetic Simulations

硼氢化 化学 密度泛函理论 催化作用 计算化学 还原(数学) 路易斯酸 有机化学 几何学 数学
作者
Lin Zhang,Ming Lei,Zexing Cao
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:: 2772-2784
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c07387
摘要

The hydroboration reduction of CO2 by HBpin, catalyzed by N-heterocyclic carbene (NHC), has been investigated using density functional theory (DFT) calculations and microkinetic simulations. NHC acts as an effective activator for both CO2 and HBpin, and thus, NHC and its CO2 adduct, NHC–CO2, function as crucial active catalysts in the hydroboration reduction of CO2. Herein, the preferences of these two active catalysts in the hydroboration of CO2 have been evaluated, and the catalytic reaction mechanism has been unveiled. A linear relationship between carbene-type catalysts and their chemical reactivities is established to screen highly activated carbene species for the CO2 hydroboration reduction. It is found that the chemical reactivities of NHCs, including small molecule activation and CO2 hydroboration reduction, are closely related to their Lewis basicity and global nucleophilicity. In addition, microkinetic simulations have been performed to analyze the influence of initial stoichiometric ratio and temperature on the temporal distribution of various species. The present study suggests a fresh perspective on the application of NHC and its analogues in CO2 reduction.
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