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Multistep Engineering of Synergistic Catalysts in a Metal–Organic Framework for Tandem C–O Bond Cleavage

化学 串联 键裂 劈理(地质) 催化作用 金属 组合化学 有机化学 航空航天工程 复合材料 材料科学 断裂(地质) 工程类
作者
Yang Song,Xuanyu Feng,Justin S. Chen,Carter U. Brzezinski,Ziwan Xu,Wenbin Lin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (10): 4872-4882 被引量:68
标识
DOI:10.1021/jacs.0c00073
摘要

Cleavage of strong C-O bonds without breaking C-C/C-H bonds is a key step for catalytic conversion of renewable biomass to hydrocarbon feedstocks. Herein we report multistep sequential engineering of orthogonal Lewis acid and palladium nanoparticle (NP) catalysts in a metal-organic framework (MOF) built from (Al-OH)n secondary building units and a mixture of 2,2'-bipyridine-5,5'-dicarboxylate (dcbpy) and 1,4-benzenediacrylate (pdac) ligands (1) for tandem C-O bond cleavage. Ozonolysis of 1 selectively removed pdac ligands to generate Al2(OH)(OH2) sites, which were subsequently triflated with trimethylsilyl triflate to afford strongly Lewis acidic sites for dehydroalkoxylation. Coordination of Pd(MeCN)2Cl2 to dcbpy ligands followed by in situ reduction produced orthogonal Pd NP sites in 1-OTf-PdNP as the hydrogenation catalyst. The selective and precise transformation of 1 into 1-OTf-PdNP was characterized step by step using powder X-ray diffraction, transmission electron microscopy, thermogravimetric analysis, inductively coupled plasma mass spectrometry, infrared spectroscopy, and X-ray absorption spectroscopy. The hierarchical incorporation of orthogonal Lewis acid and Pd NP active sites endowed 1-OTf-PdNP with outstanding catalytic performance in apparent hydrogenolysis of etheric, alcoholic, and esteric C-O bonds to generate saturated alkanes via a tandem dehydroalkoxylation-hydrogenation process under relatively mild conditions. The reactivity of C-O bonds followed the trend of tertiary carbon > secondary carbon > primary carbon. Control experiments demonstrated the heterogeneous nature and recyclability of 1-OTf-PdNP and its superior catalytic activity over the homogeneous counterparts. Sequential engineering of multiple catalytic sites in MOFs thus presents a unique opportunity to address outstanding challenges in sustainable catalysis.
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