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共价有机框架材料:一类新兴的均孔吸附分离树脂

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科学通报 2024年第16期69卷 2233-2245页

作者：王孟锦王洒任红霞陈瑶张振杰南开大学化学学院天津300071 南开大学药物化学生物学国家重点实验室天津300071 南开大学药学院天津300071

吸附分离树脂可实现离子/分子的交换与吸附,是目前在生产与生活中应用最广泛的一类功能性高分子材料.近年来,共价有机框架材料(covalent organic frameworks,COFs)由于其均匀有序的孔结构以及结构可设计性得到了广泛关注,在稳定性、选... 详细信息

吸附分离树脂可实现离子/分子的交换与吸附,是目前在生产与生活中应用最广泛的一类功能性高分子材料.近年来,共价有机框架材料(covalent organic frameworks,COFs)由于其均匀有序的孔结构以及结构可设计性得到了广泛关注,在稳定性、选择性、吸附容量等方面相较传统吸附分离树脂材料展示出显著优势,可作为新一代的超级吸附分离树脂材料.本文总结了COF树脂的发展历史、设计合成策略以及功能应用,并对目前的发展瓶颈以及工业化进行了展望.

关键词：树脂吸附分离共价有机框架材料

质谱离子源内裂解和重排可能会为化学反应中间体的捕获带来错误信息

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质谱学报 2024年第1期45卷 111-122,I0004页

作者：赵玲玲梁驰予汪杰张新星南开大学化学学院天津300071

质谱法广泛应用于在线反应监测和高活性中间体捕获,极大助力了化学反应机理研究。微液滴具有极端的化学环境,有望捕获高活性中间体,与质谱联用可实现原位表征。有报道表明,微液滴表面的局部强酸环境可以稳定短寿命的碳正离子,结合在线... 详细信息

质谱法广泛应用于在线反应监测和高活性中间体捕获,极大助力了化学反应机理研究。微液滴具有极端的化学环境,有望捕获高活性中间体,与质谱联用可实现原位表征。有报道表明,微液滴表面的局部强酸环境可以稳定短寿命的碳正离子,结合在线质谱可以检测其信号。本文使用电喷雾电离质谱(ESI-MS)测定了一系列碳正离子的前体分子,在排除微液滴效应影响的前提下,检测到这些碳正离子信号。进一步的实验表明,受进样毛细管高温和管透镜电压的共同影响,在质谱的粗真空区域,前体物种会发生源内裂解产生碳正离子碎片,这些碎片可能会被误判为液滴反应中产生的高活性中间体,从而影响反应机理研究。本工作表明,在使用质谱进行反应监测和中间体捕获研究时,应谨慎地考察各仪器参数,尤其是离子光学系统所加电压对离子的影响,以避免对化学反应机制的误判。

关键词：电喷雾电离质谱(ESI-MS) 碳正离子源内裂解

水微液滴气–液界面单电子介导的氧化还原过程

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中国科学：化学 2024年第1期54卷 59-72页

作者：金水慧朱乘慧张鉴泽张新星南开大学化学学院天津300071

水通常被认为是一种稳定的溶剂,然而当把水分散成微米级大小的微液滴后,其将展现出许多独特的性质.这些性质中最引人注目的就是微液滴表面自发形成的高达10^(9)V m^(-1)的电场,该电场能够将水中的氢氧根离子或其他闭壳层分子中的电子撕... 详细信息

水通常被认为是一种稳定的溶剂,然而当把水分散成微米级大小的微液滴后,其将展现出许多独特的性质.这些性质中最引人注目的就是微液滴表面自发形成的高达10^(9)V m^(-1)的电场,该电场能够将水中的氢氧根离子或其他闭壳层分子中的电子撕扯出来,生成自由基和电子,从而进一步触发氧化还原反应.本文综述了40余种单电子介导水微液滴表面自发的氧化还原反应并讨论了相应的反应动力学,论证了此类反应的本质是以电子作为“载流子”的过程.最后,结合合成化学和大气化学的背景,我们对微液滴的氧化还原能力的潜在且广泛的影响进行了讨论和展望.

关键词：微液滴气–液界面质谱氧化还原反应气溶胶

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气相中碱基与核苷自由基的产生与结构研究

质谱学报 2024年第1期45卷 90-102,I0003页

作者：寇敏徐诗音焦鲁杨杜梦颖李树奇孔祥蕾南开大学化学学院元素有机化学国家重点实验室天津300071 南开大学有机新物质创造前沿科学中心天津300071 南开大学化学学院天津市生物传感与分子识别重点实验室天津300071

核苷自由基在生物体内扮演着关键角色,特别是在DNA损伤过程中。为深入研究这些自由基的性质、反应机制以及与其他生物分子的相互作用,确定其结构至关重要。质谱通过提供高真空环境,为自由基离子创造了惰性的研究环境,在核苷自由基和碱... 详细信息

核苷自由基在生物体内扮演着关键角色,特别是在DNA损伤过程中。为深入研究这些自由基的性质、反应机制以及与其他生物分子的相互作用,确定其结构至关重要。质谱通过提供高真空环境,为自由基离子创造了惰性的研究环境,在核苷自由基和碱基自由基的气相研究中展示了不可替代的作用。此外,结合串联质谱和理论计算,能够更准确地分析自由基结构。本文总结了近20年来基于质谱技术的气相中碱基与核苷自由基的研究,详细介绍了自由基离子的产生方法、研究手段以及结构分析的最新成果,提出了对于高活性自由基中间体的结构研究,以及自由基异构体的选择性产生仍然面临挑战,亟需发展新的实验方法和技术手段。

关键词：质谱核苷自由基阳离子气相结构光解离光谱

催化邻羟基苯基取代对亚甲基醌与酮亚胺环加成反应合成二氢-1,3-苯并噁嗪化合物

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高等学校化学学报 2024年第2期45卷 35-53页

作者：孙一丹李鑫南开大学化学学院天津300071 物质绿色创造与制造海河实验室天津300192

发展了邻羟基苯基取代对亚甲基醌与酮亚胺在磷酸催化体系中的[4+2]环加成反应,以高产率和优良的非对映选择性得到了一系列二氢-1,3-苯并噁嗪化合物.当向反应体系加入催化量的B(C_(6)F_(5))_(3)时,产物的产率得到保持且发生非对映选择性... 详细信息

发展了邻羟基苯基取代对亚甲基醌与酮亚胺在磷酸催化体系中的[4+2]环加成反应,以高产率和优良的非对映选择性得到了一系列二氢-1,3-苯并噁嗪化合物.当向反应体系加入催化量的B(C_(6)F_(5))_(3)时,产物的产率得到保持且发生非对映选择性翻转.

关键词：邻羟基苯基取代对亚甲基醌酮亚胺 [4+2]环加成反应二氢-1,3-苯并噁嗪化合物非对映选择性翻转

分子筛限域单位点钴体系催化芳香族化合物C-H键自调节高效氧化

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Chinese Journal of Catalysis 2024年第2期57卷 133-142页

作者：党健李玮杰秦斌柴玉超武光军李兰冬南开大学化学学院有机新物质创造前沿科学中心天津300071 南开大学材料科学与工程学院天津300350

通过芳香族化合物的碳-氢键活化与选择氧化,可以将廉价芳香烃类原料转化为高附加值含氧产品,因此,该反应在基础研究和工业生产中均受到广泛关注.传统的苯乙酮生产工艺存在毒性底物使用、催化剂回收困难、反应条件苛刻以及产物收率低等问... 详细信息

通过芳香族化合物的碳-氢键活化与选择氧化,可以将廉价芳香烃类原料转化为高附加值含氧产品,因此,该反应在基础研究和工业生产中均受到广泛关注.传统的苯乙酮生产工艺存在毒性底物使用、催化剂回收困难、反应条件苛刻以及产物收率低等问题.通过大量的研究探索,科研人员进一步改进其生产工艺,利用环烷酸钴作为均相催化剂,实现了无溶剂条件下分子氧直接选择氧化乙苯生成苯乙酮.相比均相催化,多相催化在催化剂回收和产物分离方面具有优势,更适合工业化生产.因此,开发用于乙苯选择氧化制苯乙酮的高效稳定多相催化体系非常重要,但具有较大挑战.本文采用原位配体保护的水热合成法将钴配合物(钴-二乙烯三胺)封装在Y型分子筛中,并经进一步焙烧去除配体成功制得Co@Y分子筛催化剂.在无溶剂、无添加剂的条件下,单位点Co作为Co@Y分子筛催化剂的活性位点可催化乙苯选择氧化生成苯乙酮.X射线粉末衍射、透射电镜、紫外可见光吸收光谱和固体核磁共振谱等结果表明,该单位点Co(Co^(2+))通过与骨架氧原子作用稳定限域在Y型分子筛中.为明确Co@Y分子筛催化剂中单位点Co在乙苯氧化反应中所起的重要作用,本文还对比了不同后合成方法所制备的Y分子筛(Co/Y,Co-Y)催化剂及工业环烷酸钴催化剂的催化性能.结果表明,在相同反应条件下,Co@Y分子筛催化剂表现出最高的催化性能,也说明在乙苯氧化反应过程中Co@Y分子筛催化剂的单位点Co有别于上述其他催化剂的活性位点.此外,在Co@Y催化剂热过滤实验中未检测出Co物种浸出,表明Co@Y分子筛催化乙苯氧化反应为多相催化过程,并且在多次循环测试后,Co@Y催化剂结构和反应活性均未发生明显变化.这两项实验均表明Co@Y催化剂具有高稳定性.值得注意的是,在乙苯氧化反应过程中观察到自加速现象,为此进行了对比实验(添加苯甲醛或1-苯乙醇的对比实验)和反应动力学分析.结果表明,痕量苯甲醛或1-苯乙醇的加入会显著改变Co@Y催化剂在乙苯氧化反应中的催化行为,痕量苯甲醛的加入可将反应表观活化能从69.7降至53.7 kJ/mol.本文也通过第一性原理密度泛函理论(DFT)计算系统研究了Co@Y分子筛催化剂单位点Co处乙苯选择氧化反应机理及反应过程中自加速现象产生的原因.DFT计算结果结合上述对比实验和反应动力学分析结果表明,加入痕量苯甲醛或者1-苯乙醇后部分乙苯会直接氧化生成苯乙酮,而非通过乙苯→1-苯乙醇→苯乙酮的途径生成苯乙酮.DFT计算结果也阐明反应过程中自加速现象的产生源于单位点Co处活性氧物种(O^(*))的生成.该活性氧物种在乙苯、苯甲醛和1-苯乙醇的氧化途径中均能自发生成,并且该物种类似“引发剂”促使后续更多链式反应的发生,在乙苯氧化反应过程中具有非常重要的作用.综上所述,本文为理解芳香族化合物碳-氢键选择氧化实验现象与催化作用机制提供了有益见解,可为理性设计开发更高效的催化剂提供新思路.

关键词：碳-氢键活化多相催化 Co@Y分子筛催化剂自加速活性氧物种

电化学芳烃C(sp^(2))—H胺化反应的研究进展

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有机化学 2024年第3期44卷 871-891页

作者：朱子乐李鹏飞仇友爱南开大学化学学院元素有机化学国家重点实验室天津300071

苯胺及其衍生物在人类生活和工业生产中被广泛地使用,促使人们探索从相应的C(sp2)—H键直接构建芳香C(sp^(2))—N键的反应方法.近年来,有机电化学作为一种可控、可持续、环境友好和易于扩展规模的方法,受到越来越多的关注,同时也为芳烃... 详细信息

苯胺及其衍生物在人类生活和工业生产中被广泛地使用,促使人们探索从相应的C(sp2)—H键直接构建芳香C(sp^(2))—N键的反应方法.近年来,有机电化学作为一种可控、可持续、环境友好和易于扩展规模的方法,受到越来越多的关注,同时也为芳烃的胺化提供了新的反应模式.在此篇综述中,总结了电化学芳香族C(sp^(2))—H胺化反应中常见的机理途径,根据所涉及的胺源类型对反应实例进行了分类,并对该领域的前景和挑战提供了见解.

关键词：电化学胺化芳烃苯胺 C—H键胺化

质子交换膜电解水制氢阳极析氧反应催化剂的研究进展

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硅酸盐学报 2024年第6期52卷 1861-1872页

作者：曹雪洁杨磊徐光宇焦丽芳南开大学化学学院先进能源材料化学教育部重点实验室天津300071

氢气被认为是一种清洁的能源载体。作为应对全球能源挑战的潜在解决方案,各类可再生能源制氢工艺已受到广泛关注。质子交换膜(PEM)电解水技术具有启动和功率调节迅速的优点,是目前唯一可以耦合可再生能源发电制备高纯度氢气的技术。催... 详细信息

氢气被认为是一种清洁的能源载体。作为应对全球能源挑战的潜在解决方案,各类可再生能源制氢工艺已受到广泛关注。质子交换膜(PEM)电解水技术具有启动和功率调节迅速的优点,是目前唯一可以耦合可再生能源发电制备高纯度氢气的技术。催化剂是PEM电解水反应的关键材料,尤其是阳极侧的析氧催化剂。本文首先回顾了4类主流的电解水制氢技术,随后概述了铱基和钌基电催化剂在酸性析氧反应中的最新研究进展,特别强调了对活性/稳定性增强策略的讨论。最后,总结了该领域存在的问题和所面临的挑战,并对未来的研究方向做出了展望。

关键词：质子交换膜电解水制氢析氧反应铱基电催化剂钌基电催化剂

可再生能源驱动的CO基环状碳酸酯合成研究进展

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有机化学 2024年

作者：许立锋武安国于芳羽李红茹何良年南开大学化学学院元素有机化学国家重点实验室南开大学药学院

环状碳酸酯是重要的化工产品，在电池电解液、化妆品、油漆等领域具有广泛应用，同时还是有机合成的绿色溶剂和反应原料。环状碳酸酯是工业规模CO2转化的重要产品，主要通过环氧化物与CO2的环加成反应进行制备。在传统的热催化反应中，... 详细信息

环状碳酸酯是重要的化工产品，在电池电解液、化妆品、油漆等领域具有广泛应用，同时还是有机合成的绿色溶剂和反应原料。环状碳酸酯是工业规模CO2转化的重要产品，主要通过环氧化物与CO2的环加成反应进行制备。在传统的热催化反应中，由于环氧化物活化开环具有较高的能垒，因而一般需要较高的反应温度；近年来，新材料的发展推动了环加成反应催化剂的创新，新的催化模式不断出现，尤其是光驱动和电驱动的环加成反应实现了温和条件下环状碳酸酯的制备。此外，电驱动的烯烃或邻二醇与CO2合成环状碳酸酯也取得了初步的研究成果。本文总结了光/电驱动的CO2合成环状碳酸酯的反应，旨在通过对材料设计和催化机理的介绍，为新型反应路径和催化材料的设计提供新思路。

关键词：二氧化碳催化活化可再生能源环状碳酸酯光热协同