Metal-Free Activation of Molecular Oxygen by Quaternary Ammonium-Based Ionic Liquid: A Detail Mechanistic Study

化学 过氧化氢 密度泛函理论 离子键合 离子液体 光化学 分子轨道 过渡金属 过渡状态 无机化学 计算化学 物理化学 分子 有机化学 激进的 催化作用 离子
作者
Krishnendu Khamaru,Uttam Pal,Subhankar Shee,Rabindranath Lo,Kaushik Seal,Prasanta Ghosh,Nakul C. Maiti,Biswadip Banerji
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (10): 6912-6925 被引量:5
标识
DOI:10.1021/jacs.3c14366
摘要

Most oxidation processes in common organic synthesis and chemical biology require transition metal catalysts or metalloenzymes. Herein, we report a detailed mechanistic study of a metal-free oxygen (O2) activation protocol on benzylamine/alcohols using simple quaternary alkylammonium-based ionic liquids to produce products such as amide, aldehyde, imine, and in some cases, even aromatized products. NMR and various control experiments established the product formation and reaction mechanism, which involved the conversion of molecular oxygen into a hydroperoxyl radical via a proton-coupled electron transfer process. Detection of hydrogen peroxide in the reaction medium using colorimetric analysis supported the proposed mechanism of oxygen activation. Furthermore, first-principles calculations using density functional theory (DFT) revealed that reaction coordinates and transition state spin densities have a unique spin conversion of triplet oxygen leading to formation of singlet products via a minimum energy crossing point. In addition to DFT, domain-based local pair natural orbital coupled cluster, (DLPNO–CCSD(T)), and complete active space self-consistent field, CASSCF(20,14) methods complemented the above findings. Partial density of states analysis showed stabilization of π* orbital of oxygen in the presence of ionic liquid, making it susceptible to hydrogen abstraction in a mild, metal-free condition. Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopic (ICP-AES) analysis of reactant and ionic liquids clearly showed the absence of any significant transition metal contamination. The current results described the origin of O2 activation within the context of molecular orbital (MO) theory and opened up a new avenue for the use of ionic liquids as inexpensive, multifunctional and high-performance alternative to metal-based catalysts for O2 activation.
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