Highly Efficient Synthesis of p-Benzoquinones Catalyzed by Robust Two-Dimensional POM-Based Coordination Polymers

多金属氧酸盐 催化作用 材料科学 粉末衍射 红外光谱学 漫反射红外傅里叶变换 电子顺磁共振 单晶 多相催化 催化循环 结晶学 光催化 化学 有机化学 物理 核磁共振
作者
Shenzhen Chang,Yanhong Chen,Haiyan An,Qingshan Zhu,Hui-Yun Luo,Tao Xu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (18): 21261-21271 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acsami.1c02558
摘要

Selective oxidation of alkyl-substituted phenols offers efficient access to p-benzoquinones (BQs) that serve as key components for synthesizing biologically active compounds, but rational manufacture of efficient recyclable catalysts for such a reaction remains a severe challenge. Herein, two crystalline 2D polyoxometalate-based coordination polymers (POMCPs), formulated as H3[CuI3(L)3]2[PM12O40]·xH2O (M = Mo, x = 4 for 1; M = W, x = 6 for 2; and HL = 4-(1H-tetazol-5-yl)pyridine), are prepared by a mineralizer-assisted one-step synthesis strategy and explored as heterogeneous catalysts for p-BQs synthesis. Both compounds have been characterized through elemental analysis, EDS analysis, infrared spectroscopy, UV–vis diffuse reflectance spectrum, EPR, XPS, BET, single-crystal, and powder X-ray diffraction. Single-crystal X-ray diffraction analysis indicates that both 1 and 2 exhibit an interesting 2D sheet structure composed of 2-connected Keggin type anions [PM12O40]3– and hexa-nuclear {CuI6(HL)6} cluster-based metal–organic chains via Cu···O interactions. When used as catalysts, POMCPs 1 and 2 have excellent catalytic activities in the selective oxidation of substituted phenols to p-BQs with H2O2. Notedly, in the model reaction from 2,3,6-trimethylphenol (TMP) to the vitamin E key intermediate trimethyl-p-benzoquinone (TMBQ), the catalytic activities expressed by turnover frequency (TOF) of 1 and 2 can reach an unprecedented 2400 and 2000 h–1, respectively, at close to 100% TMBQ yield. The truly heterogeneous nature, stability, and structural integrity of both catalysts were ascertained by FTIR, PXRD techniques, and the following cycles. Mechanism studies reveal that both catalysts can involve a dual reaction pathway through a heterolytic oxygen atom transfer mechanism and homolytic radical mechanism. Moreover, the 2D POMCPs with highly accessible bilateral active sites and efficient mass transfer efficiency possess superior catalytic performance to their analogous 3D species.
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