A Unique Fe–N4 Coordination System Enabling Transformation of Oxygen into Superoxide for Photocatalytic CH Activation with High Efficiency and Selectivity

乙苯 苯乙酮 光化学 光催化 材料科学 吸附 选择性 激进的 密度泛函理论 无机化学 催化作用 化学 有机化学 计算化学
作者
Xudong Xiao,Zhoushilin Ruan,Qi Li,Liping Zhang,Huiyuan Meng,Qun Zhang,Hongliang Bao,Baojiang Jiang,Jing Zhou,Chuanyu Guo,Xiaolei Wang,Honggang Fu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (27) 被引量:82
标识
DOI:10.1002/adma.202200612
摘要

Selective oxidation of CH bonds is one of the most important reactions in organic synthesis. However, activation of the α-CH bond of ethylbenzene by use of photocatalysis-generated superoxide anions (O2•- ) remains a challenge. Herein, the formation of individual Fe atoms on polymeric carbon nitride (CN), that activates O2 to create O2•- for facilitating the reaction of ethylbenzene to form acetophenone, is demonstrated. By utilizing density functional theory and materials characterization techniques, it is shown that individual Fe atoms are coordinated to four N atoms of CN and the resultant low-spin Fe-N4 system (t2g6 eg0 ) is not only a great adsorption site for oxygen molecules, but also allows for fast transfer of electrons generated in the CN framework to adsorbed O2 , producing O2•- . The oxidation reaction of ethylbenzene triggered by O2•- ions turns out to have a high conversion rate of 99% as well as an acetophenone selectivity of 99%, which can be ascribed to a novel reaction pathway that is different from the conventional route involving hydroxyl radicals and the production of phenethyl alcohol. Furthermore, it possesses great potential for other CH activation reactions besides ethylbenzene oxidation.
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