可见光驱动表面富含氧空位Nb2O5催化醇氧化反应

doi:10.6023/cjoc202212007

有机化学 ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (7): 2572-2579.DOI: 10.6023/cjoc202212007 上一篇下一篇

研究简报

可见光驱动表面富含氧空位Nb₂O₅催化醇氧化反应

高艳华^a, 张银潘^b, 张妍^a^,^*(), 宋涛^b^,^*(), 杨勇^b^,^*()

^a青岛大学化学化工学院山东青岛 266101
^b中国科学院青岛生物能源与过程研究所山东青岛 266101

收稿日期:2022-12-06 修回日期:2023-01-09 发布日期:2023-02-06
通讯作者: 张妍, 宋涛, 杨勇
基金资助:
国家自然科学基金(22002178); 国家自然科学基金(22078350); 山东省自然科学基金(ZR2020KB016); 山东能源学院基金(SEII202138)

Visible-Light-Induced Aerobic Oxidation of Alcohols over Surface Oxygen Vacancies-Enriched Nb₂O₅

Yanhua Gao^a, Yinpan Zhang^b, Yan Zhang^a(), Tao Song^b(), Yong Yang^b()

^aCollege of Chemistry and Chemical Engineering, Qingdao University, Qingdao, Shangdong 266101
^bQingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao, Shangdong 266101

Received:2022-12-06 Revised:2023-01-09 Published:2023-02-06
Contact: Yan Zhang, Tao Song, Yong Yang
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(22002178); National Natural Science Foundation of China(22078350); Natural Science Foundation of Shandong Province(ZR2020KB016); Shandong Energy Institute Fund(SEII202138)

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摘要/Abstract

醇氧化合成相应的羰基化合物在有机化学基础研究及工业应用中占有非常重要的地位. 通过表面富含氧空位Nb₂O₅光催化剂的开发, 发展了一种醇氧化为羰基化合物的绿色高效合成方法. 该催化体系具有反应条件温和, 底物适用性强和官能团兼容性广的特点. 此外, 该催化剂表现出优良的性能稳定性, 循环使用多次后, 保持催化活性不变.

关键词: 氧空位, Nb₂O₅, 可见光催化, 醇氧化

Oxidation of alcohols to the corresponding carbonyl compounds plays a very important role in fundamental research and industrial applications of organic chemistry. In this paper, a green and efficient method for alcohol oxidation to carbonyl compounds was reported over a surface oxygen vacancies-enriched Nb₂O₅ as the photocatalyst. The catalytic system demonstrates high activity with wide substrate scope and diverse functional group compatibility under mild reaction conditions and visible-light irradiation. In addition, the catalyst has good catalytic stability, which can be recycled for several times with maintaining the catalytic activity unchanged.

Key words: oxygen vacancies, Nb₂O₅, visible light catalysis, oxidation of alcohols

引用此文

高艳华, 张银潘, 张妍, 宋涛, 杨勇. 可见光驱动表面富含氧空位Nb₂O₅催化醇氧化反应[J]. 有机化学, 2023, 43(7): 2572-2579.

Yanhua Gao, Yinpan Zhang, Yan Zhang, Tao Song, Yong Yang. Visible-Light-Induced Aerobic Oxidation of Alcohols over Surface Oxygen Vacancies-Enriched Nb₂O₅[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, 2023, 43(7): 2572-2579.

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图/表 8

图1. 醇氧化制备醛反应策略

Figure 1. Strategies for oxidation of alcohols to aldehydes

图2. OVs-N-Nb2O5-T催化剂制备示意图

Figure 2. Schematic illustration of the typical procedure for the synthesis of OVs-N-Nb2O5-T

Entry	Solvent	Cat.	Conv.^b/%	2a^b/%
1	CH₃CN	OVs-N-Nb₂O₅-250	77	>99
2	CH₃CN	OVs-N-Nb₂O₅-350	93	>99
3	CH₃CN	OVs-N-Nb₂O₅-450	86	>99
4	CH₃CN	OVs-N-Nb₂O₅-550	53	>99
5	H₂O	OVs-N-Nb₂O₅-350	8	>99
6	CH₃OH	OVs-N-Nb₂O₅-350	15	>99
7	H₂O/THF	OVs-N-Nb₂O₅-350	21	>99
8^c	CH₃CN	OVs-N-Nb₂O₅-350	82	>99
9^d	CH₃CN	OVs-N-Nb₂O₅-350	51	>99
10	CH₃CN	—	—	—
11^e	CH₃CN	OVs-N-Nb₂O₅-350	3	>99
12^f	CH₃CN	OVs-N-Nb₂O₅-350	0	—
13	CH₃CN	Nb₂O₅-350	41	>99

表1. 光催化苯甲醇氧化的反应条件优化a

Table 1. Optimization of the reaction conditions for photocatalytic oxidation of benzyl alcohol

表2. 光催化苯甲醇氧化的底物适用范围a

Table 2. Substrate scope of alcohols for photocatalytic oxidation reaction

图3. 催化剂OVs-N-Nb2O5-350的循环实验

Figure 3. Recycling performance of the catalyst OVs-N-Nb2O5- 350

图4. 不同淬灭剂对OVs-N-Nb2O5-350催化性能的影响

Figure 4. Influence of different scavengers on oxidation of benzyl alcohol to benzaldehyde over OVs-N-Nb2O5-350

图5. EPR测试检测超氧阴离子自由基Nb2O5-350 (A)和OVs-N-Nb2O5-350 (B); (C)通过X射线光电子能谱(XPS)计算的催化剂表面氧空位浓度; (D) 25 min可见光照射后Nb2O5-350和OVs-N-Nb2O5-350表面超氧阴离子自由基的淬灭情况

Figure 5. EPR experiment for determining the generated $O_{2}^{-.}$ with Nb2O5-350 (A) and OVs-N-Nb2O5-350 (B); (C) OVs concentration of samples calculated via X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectrum; (D) the retention-time of the generated $O_{2}^{-.}$ on surface of Nb2O5-350 and OVs-N-Nb2O5-350 after 25 min visible light illumination

图6. 醇氧化反应可能的机理

Scheme 6. Proposed mechanism for oxidation of alcohol reaction

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可见光驱动表面富含氧空位Nb₂O₅催化醇氧化反应

Visible-Light-Induced Aerobic Oxidation of Alcohols over Surface Oxygen Vacancies-Enriched Nb₂O₅

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