Biomimetic Dual-Coordination-Sphere Porphyrin-Based Covalent Organic Frameworks Enable Efficient and Selective Furfural Oxidation

材料科学 卟啉 糠醛 共价键 对偶(语法数字) 金属有机骨架 纳米技术 协调球 催化作用 组合化学 有机化学 化学工程 金属 冶金 化学 吸附 艺术 工程类 文学类
作者
Jiamin Zhan,Xiaoling Wu,Xueqing Qiu,Zhixian Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (36): 51043-51052 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsami.5c13465
摘要

Drawing inspiration from the hierarchical architecture of natural metalloenzymes, we present a biomimetic approach to create an efficient catalyst by engineering both first and second coordination spheres within a covalent organic framework (COF). The catalyst, Fe-TAPP-TT, was synthesized through solvothermal condensation of 5,10,15,20-tetrakis(4-aminophenyl)porphyrin (TAPP) and thieno[3,2- b ]thiophene-2,5-dicarboxaldehyde (TT), followed by iron metallization. In this architecture, the Fe-porphyrin center serves as the primary active site (first coordination sphere), while the sulfur-rich TT linkers form a biomimetic “catalytic pocket” that functions as the second coordination sphere. This dual-coordination environment endows Fe-TAPP-TT with high peroxidase-like activity, exhibiting a catalytic efficiency ( K cat / K M ) of 19.3 M –1 s –1, comparable to natural cytochrome c and 264-fold higher than conventional Fe 3 O 4 nanozymes. When applied to the selective oxidation of furfural, a key biomass-derived platform chemical, Fe-TAPP-TT achieved 99.1% conversion with a 53.4% yield of the value-added product 5-hydroxy-2(5 H )-furanone (HFO) under mild conditions. Mechanistic studies, including EPR and DFT calculations, reveal that the catalytic pocket synergistically promotes H 2 O 2 activation to generate hydroxyl radicals ( • OH) and stabilizes key intermediates, enhancing both catalytic activity and selectivity. This work establishes a strategy for rational design of advanced enzyme mimics and provides an effective catalyst for sustainable chemical transformations.
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