Evidence of Defect-Promoted Reactivity for Epoxidation of Propylene in Titanosilicate (TS-1) Catalysts: A DFT Study

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作者
David H. Wells,W. Nicholas Delgass,Kendall T. Thomson
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:126 (9): 2956-2962 被引量:247
标识
DOI:10.1021/ja037741v
摘要

Our density functional theory study of hydroperoxy (OOH) intermediates on various model titanosilicalite (TS-1) Ti centers explores how microstructural aspects of Ti sites effect propylene epoxidation reactivity and shows that Ti sites located adjacent to Si vacancies in the TS-1 lattice are more reactive than fully coordinated Ti sites, which we find do not react at all. We show that propylene epoxidation near a Si-vacancy occurs through a sequential pathway where H(2)O(2) first forms a hydroperoxy intermediate Ti-OOH (15.4 kcal/mol activation energy) and then reacts with propylene by proximal oxygen abstraction (9.3 kcal/mol activation energy). The abstraction step is greatly facilitated through a simultaneous hydride transfer involving neighboring terminal silanol groups arising from the Si vacancy. The transition state for this step exhibits 6-fold oxygen coordination on Ti, and we conclude that the less constrained environment of Ti adjacent to a vacancy accounts for greater transition state stability by allowing relaxation to a more octahedral geometry. These results also show that the reactive hydroperoxy intermediates are generally characterized by smaller electron populations on the proximal oxygen atom compared to nonreactive intermediates and greater O-O polarization--providing a potential means of computationally screening novel titanosilicate structures for epoxidation reactivity.
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