利用金属-自由基相互作用调控自由基的定向转化

Controlling the reactions of free radicals with metal-radical interaction

近年来光催化研究的兴起极大地促进了传统自由基化学的发展.在光照下,被激发的光催化剂会与底物发生电荷转化,从而在非常温和的条件下产生自由基中间体.自由基物种非常活泼,可快速地发生各类C–C偶联或者断键反应,但自由基的高活性同时意味着难以实现其可控的转化.特别是在多相光催化体系中,实现自由基物种的定向转化仍非常困难.光照条件下,半导体光催化剂的光生电子或空穴可以活化底物产生各种活泼的自由基物种,但往往在随后的自由基转化反应中扮演着旁观者的角色.即产生的自由基中间体可以自由地扩散和反应,它们会彼此碰撞发生自由基-自由基偶联反应,与表面活性氢物种反应,或者进一步被氧化为相应的碳正离子进而转化为一系列复杂的产物.因此,多相光催化剂表面不受控的自由基反应限制了其在很多重要领域(例如合成化学以及生物质转化等)的进一步应用.本文提出在半导体催化剂表面构建特定的金属位点,利用金属-自由基相互作用来调控在半导体表面产生的自由基物种的定向转化.以苯乙酸在金属/TiO_(2)催化剂上的光催化脱羧为模型反应进行研究.光照条件下,苯乙酸在TiO_(2)上被光生空穴氧化发生脱羧反应,产生苄基自由基.若该自由基物种能被稳定在负载的金属颗粒表面,就会优先与金属上光生电子还原质子产生的活性氢物种反应,选择性地生成甲苯,否则将会自由地碰撞反应,得到联苄和甲苯的混合物.结果表明,Pd/TiO_(2)能高选择性地催化苯乙酸脱羧产生甲苯,得到与其它金属/TiO_(2)催化剂截然不同的产物分布.同时,利用瞬态吸收光谱可原位地观测产生的苄基自由基在金属/TiO_(2)催化剂上转化.研究发现,苄基自由基的Pd/TiO_(2)催化剂上的转化遵循准一级的反应动力学行为,而非完全自由的自由基转化路径.基于以上结果,推测Pd纳米颗粒能够将在TiO_(2)上产生的自由基稳定在其表面,并调控自由基的后续转化.DFT计算表明,Pd与自由基物种存在强电子相互作用,使其对自由基具有很强的亲和力.这种强金属-自由基相互作用为高效自由基转化体系的设计提供了可能.在催化剂表面构建特定的金属位点,例如Pd纳米颗粒,可将在半导体光催化剂上产生的自由基物种稳定在表面,避免其发生无序的自由基反应,同时进一步修饰金属位点,即可促进表面稳定的自由基物种的定向转化.

Radicals are key intermediates in numerous reactions.Their high reactivity enables various transformations to occur under mild conditions,however,also brings great challenges to control their reactions especially over heterogeneous catalysts.Here we propose to use metal nanoparticles to directly steer the conversion of free radical species.Results from photocatalytic reactions,in situ transient absorption spectroscopy,and theoretical simulation demonstrate that supported Pd nanoparticles can efficiently stabilize free radical species generated from photo-excited TiO_(2),and thus manipulate their conversion on catalyst surface,owing to the enhanced electronic interactions between metal and radical species.These understandings are crucial for the design of advanced heterogeneous catalytic systems with controllable radical reactions.