Mechanism for the Formaldehyde to Formic Acid and the Formic Acid to Carbon Dioxide Conversions Mediated by an Iron-Oxo Species

甲酸 化学 甲醛 键裂 一氧化碳 甲醇 无机化学 二氧化碳 光化学 甲烷 放热反应 二氧化碳电化学还原 反应机理 药物化学 催化作用 有机化学
作者
Takashi Yumura,Tatsuhiko Amenomori,Yoshihisa Kagawa,Kazunari Yoshizawa
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry A [American Chemical Society]
卷期号:106 (4): 621-630 被引量:34
标识
DOI:10.1021/jp0122225
摘要

The mechanism and energetics for the formaldehyde to formic acid and the formic acid to carbon dioxide conversions are investigated using the FeO+ complex as an oxidant from theoretical calculations at the B3LYP DFT level. In the oxidation processes, there are a lot of reaction branches which are comparable in energy. The elementary processes can be viewed as C−H and O−H cleavage reactions by oxo and hydroxo ligands as well as OH group migrations. In formaldehyde oxidation, the initially formed complex OFe+−OCH2 is converted by a C−H bond cleavage to intermediate HO−Fe+−OCH, which is next transformed to the formic acid complex Fe+−OCHOH by an OH ligand migration and to the carbon monoxide complex H2O−Fe+−CO by a C−H bond cleavage. There are two possible reaction pathways for the formic acid to carbon dioxide conversion, both reaction pathways being downhill and highly exothermic. In an energetically favorable reaction pathway, complex OFe+−OCHOH is first converted to intermediate HO−Fe+−OCHO by an O−H bond cleavage, and after that, HO−Fe+−OCHO is transformed to the product complex H2O−Fe+−O2C by a C−H bond cleavage. Formaldehyde and formic acid are easily oxidized by an excess of oxidants to carbon dioxide and carbon monoxide. The overall reaction from methane to carbon dioxide is exothermic by 117.9 kcal/mol, and there is no high barrier after methanol formation, which can cause the well-known overoxidation problem in methane and alkane oxidation. Our calculations are in good agreement with previous experiments on methane oxidation over Fe−ZSM-5 zeolite with respect to the product branching ratio, suggesting that a surface iron-oxo species should have relevance to the interesting catalytic functions of Fe−ZSM-5 zeolite.

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