化学化工学院王野教授课题组与邓德会研究员课题组, 程俊教授课题组(化学化工学院)合作, 在甲醇C−C偶联直接制乙二醇的研究上取得重要突破, 相关成果 'Visible light-driven C−H activation and C−C coupling of methanol into ethylene glycol' 发表在Nature Communications(Nat. Commun. 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-03543-y). 该成果同时也申请了中国发明专利(CN201611249732.X)和国际专利PCT(PCT/CN2017/117719).
甲醇经可控C-C偶联反应制C2或多个碳原子的化合物是化学领域极具吸引力和挑战性的反应. 当前甲醇C−C偶联反应主要限于羰基化反应和脱水偶联制烯烃或芳烃, 即MTO或MTA过程, 其特点是很难以高选择性地获得特定产物. 保留甲醇分子C−OH键而选择性地活化其C−H键, 生成乙二醇被公认为化学领域最具挑战性的反应之一.
作为重要的基础化学品, 乙二醇是PET的主要原料, 且其用途广泛. 当前工业上90%以上的乙二醇通过石油路线, 即乙烯环氧水合路线生产, 过程效率不高, 能耗大. 煤基合成气经草酸二甲酯合成乙二醇的路线工艺流程长, 成本高. 而甲醇可由煤, 天然气, 生物质乃至二氧化碳经合成气或直接制备, 价廉易得, 是重要的C1平台分子. 由甲醇直接制备乙二醇意义重大.
王野课题组发展光催化方法, 在CdS催化剂上首次实现了可见光照射下甲醇脱氢偶联制乙二醇和氢气的反应. 在催化材料设计方面, 与邓德会课题组合作, 成功构建多孔MoS2-foam修饰的CdS纳米棒催化剂, 大幅提升了可见光照射下乙二醇的选择性和生成活性. 并通过设计反应分离的反应器, 乙二醇选择性可达90%, 收率16%, 量子效率5%(450nm). 进一步与从事理论计算研究的程俊课题组合作, 对反应机理开展了深入研究, 提出CdS上的光生空穴可以在不影响甲醇O−H键的情况下, 通过质子和电子协同转移(CPET)过程选择性地活化甲醇的C−H键生成羟甲基自由基(•CH2OH), •CH2OH从CdS表面脱附偶联生成乙二醇. 该可见光驱动的甲醇转化新过程, 不仅提供了一种温和条件下乙二醇的高效制备方法, 而且为存在羟基等官能团的小分子中惰性C−H键的选择活化开辟了一条新途径.
王野课题组一直致力于C1化学领域的基础研究. 在合成气, 甲烷和CO2等小分子的催化或光催化转化, 特别是可控C−C偶联方面, 取得了一系列重要突破.
该工作是能源材料化学协同创新中心(2011-iChEM)研究员谢顺吉, 2014级博士生沈泽斌, 2011-iChEMFellow邓浇和2015级硕士生郭璞等紧密合作的成果. 湖南大学马超和上海光源姜政分别在高分辨电镜表征和同步辐射表征中提供了支持. 该研究得到了科技部重点研发计划(批准号: 2017YFB0602201, 2016YFA0204100, 2016YFA0200200)和国家自然科学基金(批准号: 21690082, 91545203, 21373166, 21503176)等项目的资助.