Understanding Hydrogen Atom and Hydride Transfer Processes during Electrochemical Alcohol and Aldehyde Oxidation

化学 酒精氧化 电化学 氢化物 动力学同位素效应 催化作用 氢原子 羧酸 组合化学 光化学 有机化学 无机化学 电极 物理化学 物理 量子力学 烷基
作者
Michael T. Bender,Robert E. Warburton,Sharon Hammes‐Schiffer,Kyoung‐Shin Choi
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:11 (24): 15110-15124 被引量:56
标识
DOI:10.1021/acscatal.1c04163
摘要

Selective oxidation of alcohols and aldehydes to their corresponding carboxylic acids is of broad importance for applications in organic synthesis. These reactions can be performed at the anode of electrochemical and photoelectrochemical cells that produce fuels at the cathode (e.g., water reduction to form H2), allowing for the production of valuable products at both electrodes. NiOOH is among the most promising electrocatalysts for selectively converting alcohols and aldehydes to carboxylic acids. Recent work has revealed that electrochemical alcohol and aldehyde oxidation can occur through two different pathways, one via hydrogen atom transfer and the other via hydride transfer; however, details of these mechanisms are yet to be elucidated. In this work, we examined the effect of pH and the concentration of aliphatic and aromatic alcohols and aldehydes to determine the key factors and steps that affect the kinetics of the two oxidation pathways. Through these experiments, we obtained a comprehensive mechanistic understanding of the two pathways. These results were complemented by kinetic isotope effect experiments to further probe which steps control the rate of each pathway. We then used the understanding these experiments enabled, coupled with computational results, to propose that the ability of alcohols and aldehydes to outcompete OH– for adsorption on Ni4+ sites is a key predictor of which oxidation pathway will be favored.

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