Simple Ligand Modifications to Modulate the Activity of Ruthenium Catalysts for CO2 Hydrogenation: Trans Influence of Boryl Ligands and Nature of Ru―H Bond

Tian LIU Jun LI Weijia LIU Yudan ZHU Xiaohua LU

Citation:  LIU Tian, LI Jun, LIU Weijia, ZHU Yudan, LU Xiaohua. Simple Ligand Modifications to Modulate the Activity of Ruthenium Catalysts for CO2 Hydrogenation: Trans Influence of Boryl Ligands and Nature of Ru―H Bond[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2018, 34(10): 1097-1105. doi: 10.3866/PKU.WHXB201712131 shu

简单的配体改变调控钌配合物催化还原CO2的活性:硼基配体的对位效应和Ru―H键的性质

    通讯作者: 黎军, lijun@njtech.edu.cn
    朱育丹, ydzhu@njtech.edu.cn
  • 基金项目:

    国家教育部高等学校博士点基金 20123221120015

    国家自然科学基金 91334202

    国家重点基础研究发展计划(973) 2013CB733501

    江苏省自然科学基金 BK2012421

    国家重点基础研究发展计划(973) 2013CB733505

    国家重点基础研究发展计划(973)(2013CB733505, 2013CB733501), 国家自然科学基金(91334202), 江苏省自然科学基金(BK2012421), 国家教育部高等学校博士点基金(20123221120015), 江苏省高校优势学科建设工程资助项目

摘要: 开发高效的催化剂用于催化还原CO2转化为甲酸和它的盐类已经成为研究的热点,是因为将CO2转化为C1产物不仅可以解决CO2的含量升高带来的环境问题,还可以解决化石能源燃烧日趋严重的问题。贵金属配合物催化CO2转化为甲酸和甲酸盐类是目前这类反应最有效的方式,尤其是Ru、Ir和Rh等贵金属。我们之前的研究结果表明Ir(Ⅲ), Ru(Ⅱ)类配合物催化还原CO2转化为甲酸盐的活性是由配合物Ru―H键的成键性质决定的。它们能高活性的催化CO2是由于它们都含有同一种特点的Ru―H键,是由Ru的sd2杂化轨道和H的1s轨道杂化而成的,而且这一特点可以被活性氢的对位配体显著影响。鉴于硼基配体具有强的对位效应,我们基于高活性的均相催化剂Ru(PNP)(CO)H2 (PNP = 2, 6-二(二叔丁基磷甲基)-吡啶)设计了Ru-PNP-HBcat和Ru-PNP-HBpin,并计算了二者催化还原CO2的活性。Bcat和Bpin配体是实验上常用的硼基配体。我们的计算结果表明Ru-PNP-HBcat和Ru-PNP-HBpin有比Ru-PNP-H2更长的Ru―H键、亲核性更强的活性氢,其Ru―H键中的Ru原子的d轨道杂化成分的贡献也比Ru-PNP-H2的更少。相应地Ru-PNP-HBcat和Ru-PNP-HBpin活化CO2的能垒比Ru-PNP-H2低。而且Ru-PNP-H2、Ru-PNP-HBcat和Ru-PNP-HBpin催化CO2转化为甲酸盐的能垒分别为76.2、67.8、54.4 kJ∙mol-1,表明Ru-PNP-HBpin具有最高的催化活性。因此,钌配合物催化还原CO2的活性可由硼基配体强的对位效应和Ru―H键的成键性质来调控。

English

    1. [1]

      Wang, W. H.; Hull, J. F.; Muckerman, J. T.; Fujita, E.; Himeda, Y. Energy Environ. Sci. 2012, 5 (7), 7923. doi: 10.1039/c2ee21888g

    2. [2]

      Machan, C. W.; Sampson, M. D.; Kubiak, C. P. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137 (26), 8564. doi: 10.1021/jacs.5b03913

    3. [3]

      Clark, M. L.; Grice, K. A.; Moore, C. E.; Rheingold, A. L.; Kubiak, C. P. Chem. Sci. 2014, 5 (5), 1894. doi: 10.1039/c3sc53470g

    4. [4]

      Ziebart, C.; Federsel, C.; Anbarasan, P.; Jackstell, R.; Baumann, W.; Spannenberg, A.; Beller, M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134 (51), 20701. doi: 10.1021/ja307924a

    5. [5]

      Federsel, C.; Jackstell, R.; Beller, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49 (36), 6254. doi: 10.1002/anie.201000533

    6. [6]

      Evans, G. O.; Newell, C. J. Inorg. Chim. Acta 1978, 31 (1), L387. doi: 10.1016/s0020-1693(00)94933-8.

    7. [7]

      Cokoja, M.; Bruckmeier, C.; Rieger, B.; Herrmann, W. A.; Kühn, F. E. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50 (37), 8510. doi: 10.1002/anie.201102010

    8. [8]

      Wang, W. H.; Ertem, M. Z.; Xu, S.; Onishi, N.; Manaka, Y.; Suna, Y.; Kambayashi, H.; Muckerman, J. T.; Fujita, E.; Himeda, Y. ACS Catal. 2015, 5 (9), 5496. doi: 10.1021/acscatal.5b01090

    9. [9]

      Behr, A.; Nowakowski, K.Advances in Inorganic Chemistry; Aresta, M., Eldik, R. V., Eds.; Elsevier Academic Press: San Diego, CA, USA, 2014; Vol. 66, pp. 223-258.

    10. [10]

      Liu, C.; Xie, J. H.; Tian, G. L.; Li, W.; Zhou, Q. L. Chem. Sci. 2015, 6 (5), 2928. doi: 10.1039/c5sc00248f

    11. [11]

      Lilio, A. M.; Reineke, M. H.; Moore, C. E.; Rheingold, A. L.; Takase, M. K.; Kubiak, C. P. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137 (25), 8251. doi: 10.1021/jacs.5604291

    12. [12]

      Gunanathan, C.; Milstein, D. Accounts Chem. Res. 2011, 44 (8), 588. doi: 10.1021/ar2000265

    13. [13]

      Ohnishi, Y. Y.; Nakao, Y.; Sato, H.; Sakaki, S. Organometallics 2006, 25 (14), 3352. doi: 10.1021/om060307s

    14. [14]

      Tanaka, R.; Yamashita, M.; Nozaki, K. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131 (40), 14168. doi: 10.1021/ja903574e

    15. [15]

      Filonenko, G. A.; Putten, R.; Schulpen, E. N.; Hensen, E. J. M.; Pidko, E. A. ChemCatChem 2014, 6 (6), 1526. doi: 10.1002/cctc.201402119

    16. [16]

      Munshi, P.; Main, A. D.; Linehan, J. C.; Tai, C. C.; Jessop, P. G. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124 (27), 7963. doi: 10.1021/ja0167856

    17. [17]

      Filonenko, G. A.; Hensen, E. J. M.; Pidko, E. A. Catal. Sci. Technol. 2014, 4 (10), 3474. doi: 10.1039/c4cy00568f

    18. [18]

      Li, J.; Yoshizawa, K. Bull. Chem. Soc. Jpn. 2011, 84 (10), 1039. doi: 10.1246/bcsj.20110128

    19. [19]

      Li, J.; Liu, S.; Lu, X. Bull. Chem. Soc. Jpn. 2016, 89 (8), 905. doi: 10.1246/bcsj.20160084

    20. [20]

      Zhu, J.; Lin, Z. Y.; Marder, T. B. Inorg. Chem. 2005, 44 (25), 9384. doi: 10.1021/ic0513641

    21. [21]

      Schmeier, T. J.; Dobereiner, G. E.; Crabtree, R. H.; Hazari, N. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133 (24), 9274. doi: 10.1021/ja2035514

    22. [22]

      Langer, R.; Leitus, G.; Ben-David, Y.; Milstein, D. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50 (9), 2120. doi: 10.1002/anie.201007406

    23. [23]

      Braunschweig, H.; Kollann, C.; Rais, D. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45 (32), 5254. doi: 10.1002/anie.200600506

    24. [24]

      Aldridge, S.; Coombs, D. L. Coord. Chem. Rev. 2004, 248 (7-8), 535. doi: 10.1016/j.ccr.2003.12.003

    25. [25]

      Lin, T. P.; Peters, J. C. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 (39), 13672. doi: 10.1021/ja504667f

    26. [26]

      Segawa, Y.; Yamashita, M.; Nozaki, K. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131 (26), 9201. doi: 10.1021/ja9037092

    27. [27]

      Lin, T. P.; Peters, J. C. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135 (41), 15310. doi: 10.1021/ja408397v

    28. [28]

      Lin, T. P.; Peters, J. C. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 (39), 13672. doi: 10.1021/ja504667f

    29. [29]

      Kallane, S. I.; Braun, T.; Teltewskoi, M.; Braun, B.; Herrmann, R.; Laubenstein, R. Chem. Commun. 2015, 51 (78), 14613. doi: 10.1039/c5cc05606c

    30. [30]

      Braunschweig, H.; Brenner, P.; Dewhurst, R. D.; Guethlein, F.; Jimenez-Halla, J. O. C.; Radacki, K.; Wolf, J.; Zollner, L. Chem. -Eur. J. 2012, 18 (28), 8605. doi: 10.1002/chem.201201739

    31. [31]

      Lim, X. Nature 2015, 526, 628. doi: 10.1038/526628a

    32. [32]

      Feller, M.; Gellrich, U.; Anaby, A.; Diskin-Posner, Y.; Milstein, D. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138 (20), 6445. doi: 10.1021/jacs.6b00202

    33. [33]

      Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A. et al. Gaussian 09, Revision A.02; Gaussian Inc.: Wallingford, CT, USA, 2009.

    34. [34]

      Becke, A. D. Phys. Rev. A 1988, 38 (6), 3098. doi: 10.1103/PhysRevA.38.3098

    35. [35]

      Xia, G. J.; Liu, J. W.; Liu, Z. F. Dalton Trans. 2016, 45 (43), 17329. doi: 10.1039/c6dt02897g

    36. [36]

      Miyada, T.; Yamashita, M. Organometallics 2013, 32 (19), 5281. doi: 10.1021/om400915x

    37. [37]

      Martin, J. M. L.; Sundermann, A. J. Chem. Phys. 2001, 114 (8), 3408. doi: 10.1063/1.1337864

    38. [38]

      Dunning, T. H. J. Chem. Phys. 1989, 90 (2), 1007. doi: 10.1063/1.456153

    39. [39]

      Li, J.; Shiota, Y.; Yoshizawa, K. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131 (38), 13584. doi: 10.1021/ja905073s

    40. [40]

      Mosquera, M. E. G.; Gomez-Sal, P.; Diaz, I.; Aguirre, L. M.; Ienco, A.; Manca, G.; Mealli, C. Inorg. Chem. 2016, 55 (1), 283. doi: 10.1021/acs.inorgchem.5b02307

    41. [41]

      Grayson, M. N.; Krische, M. J.; Houk, K. N. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137 (27), 8838. doi: 10.1021/jacs.5b04844

    42. [42]

      Mazzone, G.; Alberto, M. E.; Sicilia, E. J. Mol. Model. 2014, 20 (5), 2249. doi: 10.1007/s00894-014-2250-4

    43. [43]

      Filonenko, G. A.; Conley, M. P.; Copéret, C.; Lutz, M.; Hensen, E. J. M.; Pidko, E. A. ACS Catal. 2013, 3 (11), 2522. doi: 10.1021/cs4006869

    44. [44]

      Khaskin, E.; Iron, M. A.; Shimon, L. J. W.; Zhang, J.; Milstein, D. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132 (25), 8542. doi: 10.1021/ja103130u

    45. [45]

      Zhang, J.; Leitus, G.; Ben-David, Y.; Milstein, D. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127 (31), 10840. doi: 10.1021/ja052862b

    46. [46]

      Glendening, E. D.; Badenhoop, J. K.; Reed, A. E.; Carpenter, J. E.; Bohmann, J. A.; Morales, C. M.; Weinhold, F. NBO 5.9; Theoretical Chemistry Institute, University of Wisconsin: Madison, WI, USA, 2009.

    47. [47]

      Braunschweig, H.; Brenner, P.; Muller, A.; Radacki, K.; Rais, D.; Uttinger, K. Chem. -Eur. J. 2007, 13 (25) 7171. doi: 10.1002/chem.200700539

    48. [48]

      Rawat, K. S.; Mahata, A.; Choudhuri, I.; Pathak, B. J. Phys. Chem. C 2016, 120 (30), 16478. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b05065

    49. [49]

      Osadchuk, I.; Tamm, T.; Ahlquist, M. S. G. Organometallics 2015, 34 (20), 4932. doi: 10.1021/acs.organomet.5b00448

    50. [50]

      Tanaka, R.; Yamashita, M.; Chung, L. W.; Morokuma, K.; Nozaki, K. Organometallics 2011, 30 (24), 6742. doi: 10.1021/om2010172

    51. [51]

      Zhang, P.; Ni, S. F.; Dang, L. Chem. -Asian J. 2016, 11 (18), 2528. doi: 10.1002/asia.201600611

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  5
  • 文章访问数:  602
  • HTML全文浏览量:  104
文章相关
  • 发布日期:  2018-10-15
  • 收稿日期:  2017-11-15
  • 接受日期:  2018-12-08
  • 修回日期:  2017-12-08
  • 网络出版日期:  2017-10-13
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章