催化剂设计与催化机理

方案简介

催化是研究化学反应的能垒和速率受到其他物质影响的学科。通常在异相催化过程中，催化底物（反应物）是在催化剂的表面上发生反应的，这其中涉及了一系列吸附、输运、化学反应、脱附等过程。催化研究通常包含以下的内容：

催化剂的结构，尤其是表面结构；

底物在催化剂表面的物理吸附、化学吸附以及扩散过程；

催化剂、底物和吸附结构的谱学表征；

催化剂的活性和选择性的评估，这主要涉及反应机理的可靠验证

吸附的热力学和动力学

催化剂的结构，尤其是表面结构

底物在催化剂表面的物理吸附、化学吸附以及扩散过程

在化学反应时间和空间尺度范围内研究扩散和结构变化

谱学表征

催化剂、底物和吸附结构的谱学模拟，并与实验进行对照，更好的进行结构解析

模拟分子、块体、吸附结构等的紫外可见光谱、红外光谱、拉曼光谱、核磁共振谱等

反应机理研究和速率估算

搜索可能的反应路径，观察、研究反应过程

反应速率研究工具，可以根据势垒直接估算反应速率

使用基于力场的分子动力学，探索未知反应

催化剂活性评估

反应机理可靠性验证

催化剂的活性和选择性的评估

特殊催化体系

电催化。使用独特的模型可以在电场存在的情况下研究金属电极表面的反应机理，预测催化活性

光催化。研究表面能级和催化底物能级之间的排列，以及它们之间的电荷转移可能性，探索光催化机理

科学家利用钴催化剂实现醚的羰基化转化

近日，中国科学院大连化学物理研究所催化羰基化研究组研究员吴小锋团队在醚的羰基化反应方面取得新进展，发展出一种钴催化剂，实现了醚类化合物的胺化羰基化反应。该策略从简单的醚出发，在钴催化作用下构建了结构丰富的α-酰胺基取代的醚。

醚类化合物广泛存在于生物质、化学原料和精细化学品中，是生产增值化学品和生物质衍生化学品的大宗化学原料。醚类及其相关单元的存在可改变母体分子的物理化学性质，此外，在药物设计中，环醚被经常用作蛋白酶抑制剂来对抗病毒。然而，由于醚固有的惰性，醚类化合物的羰基化反应尚未实现。钴是一种应用广泛的廉价金属催化剂，但较少被用在羰基化反应中，原因在于一氧化碳趋向于与钴金属紧密配合，而得到稳定的羰基钴配合物，以及钴催化剂的活性对添加的用于调整反应活性的配体不敏感等。因此，实现醚类化合物的羰基化反应颇具挑战。

致力于各种不同羰基化反应的研究。本研究中，科研团队在前期工作的基础上，发展出一种新颖的羰基化策略——利用惰性醚作为羰化底物、廉价金属钴作为催化剂，在二叔丁基过氧化物存在下，实现醚类化合物的羰基化反应。研究利用该策略，构建了一系列α-酰胺基取代的醚类衍生物，并获得了中等收率的可市售药物阿夫唑嗪。

相关研究成果以Cobalt-Catalyzed Direct Aminocarbonylation of Ethers: Efficient Access to α-Amide Substituted Ether Derivatives为题，发表在《德国应用化学》上。研究工作得到王宽诚教育基金等的支持。