山东农大绿色催化合成团队: 单组分无溶剂常压下高效催化CO₂环加成

学术   2025-01-04 12:56   英国  

研究背景

工业革命以来,大气中 CO₂ 含量逐渐增多,致使温室效应日益严重。为应对当前气候变化,减少 CO₂ 含量,我国提出 “碳中和”、“碳达峰” 双碳战略目标。
CO₂ 廉价易得、无毒、可再生,将 CO₂ 转化为具有重要工业价值的化学品是实现 “双碳” 战略目标的重要途径。其中,环状碳酸酯因在电池电解液、绿色溶剂、聚合物前体等领域具有广泛的应用价值而备受关注。由 CO₂ 和环氧化合物制备环状碳酸酯的反应,因具有 100% 原子经济性、贴合绿色化学的发展要求而成为目前工业化方法中的一种重要路径。
但由于 CO₂ 的动力学惰性和热力学稳定性,使该反应通常需要催化剂的参与。目前,该环化反应仍存在催化体系复杂(添加助剂)、反应时间长、反应条件苛刻、CO₂ 压力高等问题,使其工业化生产受到了一定的限制,因此,亟需开发一种绿色、温和高效的单组份催化体系。

研究内容

近日,山东农业大学苗成霞教授带领的绿色催化与合成研究团队设计合成了一系列四氮配体-镍盐配合物,实现了温和条件下环氧化物与 CO₂ 的单组分高效环加成反应。张丛丛时明慧为论文共同第一作者,张博闻老师韩峰副教授苗成霞教授为论文的通讯作者,山东农业大学是本论文的唯一通讯单位。

  • Figure. 四氮配体-镍盐配合物催化氧化苯乙烯与二氧化碳反应

该工作设计合成了一系列四氮配体-金属镍盐配合物,并获得了该配合物 (MCP)NiBr 的单晶结构。利用相应四氮镍配合物催化环氧化物与 CO₂ 的环加成反应,通过探讨时间、温度等条件对环加成反应的活性影响,得出了最佳的反应条件,即该体系最终在无溶剂、0.1 MPa CO₂、0.5 mol% 催化剂 (MCP)NiBr₂ 的反应条件下,实现了 91% 的环状碳酸酯产率及 99% 的选择性。通过 DFT 理论计算证明了该催化反应可能的反应机理。

该催化体系实现了单组分、无溶剂、常压下的催化转化,符合绿色化学的发展理念,为工业固定 CO₂ 和碳酸酯的清洁合成提供了理论指导及实践经验。该成果以 “Efficient single-component nickel catalysts with tetradentate aminopyridine ligands for cycloaddition reactions of CO₂ and epoxides under mild conditions”(《单组分四氮配体-镍体系高效催化环氧化物与二氧化碳的环加成反应》) 为题,发表在英国皇家化学会期刊 RSC Sustainability 上。

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论文信息

  • Efficient single-component nickel catalysts with tetradentate aminopyridine ligands for cycloaddition reactions of CO2 and epoxides under mild conditions

    Congcong Zhang‡ (张丛丛, 山东农业大学), Minghui Shi‡(时明慧,山东农业大学), Ning Yu, Bowen Zhang*(张博闻,山东农业大学), Feng Han*(韩峰,山东农业大学), Chengxia Miao*(苗成霞,山东农业大学)

    RSC Sustain., 2024, 2, 3959-3966
    https://doi.org/
    10.1039/D4SU00556B

作者简介

张丛丛 副教授
山东农业大学
本文共同第一作者,山东农业大学副教授,硕士生导师,主要从事新型有机金属化合物的合成及反应性研究、二氧化碳转化等方面的研究工作。主持山东省青年基金项目一项。在 J. Am. Chem. Soc.,Inorg. Chem.,Dalton Trans. 等国际著名期刊上发表多篇 SCI 论文;申报中国发明专利 3 项,授权 1 项。







时明慧 硕士研究生
山东农业大学
本文共同第一作者,硕士研究生,就读于山东农业大学,研究方向是绿色催化与合成,主要在环氧化合物与二氧化碳的转化方向开展工作。







张博闻 讲师
山东农业大学
本文通讯作者,山东农业大学讲师,博士毕业于美国德州农工大学,导师为 Michael B. Hall 教授。主要从事过渡金属配合物的电子结构、催化反应机理和准经典直接动力学研究。主持山东省自然科学基金青年项目,与国内外课题组的合作成果发表于 JACS, Inorg. Chem., Chem. Eur. J. 等期刊。







韩峰 副教授
山东农业大学
本文通讯作者,山东农业大学副教授,硕士生导师,主要从事新型功能化离子液体材料的设计、合成及其应用研究,二氧化碳转化,绿色化学方面的研究工作。主持国家自然科学基金面上项目、青年基金项目及山东省自然科学基金联合基金重点项目各一项。在 Green Chem., ACS Sustainable Chem. Eng., Adv. Synth. Catal., J. Org. Chem., Chem. Commun., Org. Biomol. Chem., Eur. J. Org. Chem. 等国际著名期刊上发表 SCI 论文 30 余篇;申报中国发明专利 6 项,授权 3 项。







苗成霞 教授
山东农业大学
本文通讯作者,山东农业大学教授,硕士生导师,中科院青年创新促进会会员,山东省青年创新人才引育团队(“绿色催化与合成”创新团队)负责人。主要从事二氧化碳的化学转化与利用,重要化工/药物中间体的绿色催化与合成,清洁催化氧化,生物质基功能化材料的设计合成与催化应用方面的研究工作。研究工作一直以“绿色精准化”为原则,开展绿色催化与合成方面的研究,实现了二氧化碳、醇和烯烃等化合物的清洁转化制备重要化工中间体或药物中间体。先后主持国家自然科学基金面上项目、青年基金项目及省级面上项目等多项课题;获得中科院西部之光和中科院青年创新促进会会员等项目支持。目前以第一作者或者通讯作者在 J. Am. Chem. Soc., Chem. Sci., Green Chem., Adv. Synth. Catal., Chem. Commun., J. Org. Chem. 等化学类 top 期刊上发表 SCI 论文 50 余篇;参与撰写《绿色化学基本原理》《二氧化碳化学》《离子液体百科全书》和《有机合成试剂百科全书》等中英文专著;授权中国发明专利 3 件。

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