Condensation and esterification reactions of alkanals, alkanones, and alkanols on TiO2: Elementary steps, site requirements, and synergistic effects of bifunctional strategies

化学 催化作用 过渡状态 双功能 路易斯酸 反应性(心理学) 吡啶 氧合物 缩合反应 动力学同位素效应 光化学 计算化学 有机化学 医学 替代医学 病理 量子力学 物理
作者
Shuai Wang,Konstantinos A. Goulas,Enrique Iglesia
出处
期刊:Journal of Catalysis [Elsevier]
卷期号:340: 302-320 被引量:92
标识
DOI:10.1016/j.jcat.2016.05.026
摘要

Rates and selectivity of TiO2-catalyzed condensation of C3 oxygenates (propanal, acetone) are limited by ubiquitous effects of side reactions, deactivation, and thermodynamic bottlenecks. H2 together with a Cu function, present as physical mixtures with TiO2, circumvents such hurdles by scavenging unsaturated intermediates. They also render alkanols and alkanals/alkanones equivalent as reactants through rapid interconversion, while allowing esterification turnovers by dehydrogenating unstable hemiacetals. Oxygenates form molecules with new CC and CO bonds and fewer O-atoms at nearly complete conversions with stable rates and selectivities. Kinetic, isotopic, and theoretical methods showed that rates are limited by α-CH cleavage from carbonyl reactants to form enolate intermediates, which undergo CC coupling with another carbonyl species to form α,β-unsaturated oxygenates or with alkanols to form hemiacetals with new CO bonds, via an intervening H-shift that forms alkoxide–alkanal pairs. Titrations with 2,6-di-tert-butylpyridine, pyridine, CO2, and propanoic acid during catalysis showed that Lewis acid–base site pairs of moderate strength mediate enolate formation steps via concerted interactions with the α-H atom and the enolate moiety at transition states. The resulting site-counts allow rigorous comparisons between theory and experiments and among catalysts on the basis of turnover rates and activation free energies. Theoretical treatments give barriers, kinetic isotope effects, and esterification/condensation ratios in excellent agreement with experiments and confirm the strong effects of reactant substituents at the α-C-atom and of surface structure on reactivity. Surfaces with TiOTi sites exhibiting intermediate acid–base strength and TiO distances, prevalent on anatase but not rutile TiO2, are required for facile α-CH activation in reactants and reprotonation of the adsorbed intermediates that mediate condensation and esterification turnovers.

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