Thermal Activation of Methane by Diatomic Vanadium Boride Cations

Qiang CHEN Li-Xue JIANG Hai-Fang LI Jiao-Jiao CHEN Yan-Xia ZHAO Sheng-Gui HE

Citation:  CHEN Qiang, JIANG Li-Xue, LI Hai-Fang, CHEN Jiao-Jiao, ZHAO Yan-Xia, HE Sheng-Gui. Thermal Activation of Methane by Diatomic Vanadium Boride Cations[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2019, 35(9): 1014-1020. doi: 10.3866/PKU.WHXB201811039 shu

钒硼双原子阳离子活化甲烷研究

    通讯作者: 赵艳霞, chemzyx@iccas.ac.cn
    何圣贵, shengguihe@iccas.ac.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 21773253

    中国科学院青年创新促进会基金 2018041

    中国博士后科学基金 2017M611002

    国家自然科学基金(91645203, 21773253), 中国博士后科学基金(2017M611002), 北京市自然科学基金(2182092)和中国科学院青年创新促进会基金(2018041)资助项目

    北京市自然科学基金 2182092

    国家自然科学基金 91645203

摘要: 3d过渡金属物种活化甲烷的研究已有较多报道,但人们对3d前过渡金属物种与甲烷反应体系的报道非常少,与之相关的甲烷活化机理的认识仍然非常有限。在本工作中,我们通过气相质谱实验和密度泛函理论计算证实了VB+离子可以在热碰撞条件下活化甲烷产生氢气和碳硼化合物,由于强的静电相互作用,甲烷活化优先发生在VB+离子的V原子位点。甲烷的活化转化涉及二态反应性,在反应的入口处需要经历从高自旋六重态到低自旋四重态的自旋反转。由于V―CH3以及B―H化学键较强,H3C―H键断裂以V―B单元协同插入而非单个V或B原子插入C―H键的方式进行。对VB+活化甲烷的机理认识可以为新型3d过渡金属催化剂活化甲烷的研究提供理论基础。

English

    1. [1]

      Shilov, A. E.; Shul'pin, G. B. Chem. Rev. 1997, 97, 2879. doi: 10.1021/cr9411886

    2. [2]

      Wang, V. C.; Maji, S.; Chen, P. P.; Lee, H. K.; Yu, S. S.; Chan, S. I. Chem. Rev. 2017, 117, 8574. doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00624

    3. [3]

      Labinger, J. A.; Bercaw, J. E. Nature 2002, 417, 507. doi: 10.1038/417507a

    4. [4]

      Olivos-Suarez, A. I.; Szécsényi, À.; Hensen, E. J. M.; Ruiz-Martinez, J.; Pidko, E. A.; Gascon, J. ACS Catal. 2016, 6, 2965. doi: 10.1021/acscatal.6b00428

    5. [5]

      Böhme, D. K.; Schwarz, H. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 2336. doi: 10.1002/anie.200461698

    6. [6]

      Johnson, G. E.; Mitrić, R.; Bonačić-Koutecký, V.; Castleman, A. W., Jr. Chem. Phys. Lett. 2009, 475, 1. doi: 10.1016/j.cplett.2009.04.003

    7. [7]

      Zhai, H. -J.; Wang, L. -S. Chem. Phys. Lett. 2010, 500, 185. doi: 10.1016/j.cplett.2010.10.001

    8. [8]

      Yin, S.; Bernstein, E. R. Int. J. Mass Spectrom. 2012, 321-322, 49. doi: 10.1016/j.ijms.2012.06.001

    9. [9]

      O'Hair, R. A. J. Int. J. Mass Spectrom. 2015, 377, 121. doi: 10.1016/j.ijms.2014.05.003

    10. [10]

      Lang, S. M.; Bernhardt, T. M.; Chernyy, V.; Bakker, J. M.; Barnett, R. N.; Landman, U. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 13406. doi: 10.1002/anie.201706009

    11. [11]

      Asmis, K. R.; Fielicke, A. Top. Catal. 2018, 61, 1. doi: 10.1007/s11244-018-0906-5

    12. [12]

      Roithová, J.; Schrӧder, D. Chem. Rev. 2010, 110, 1170. doi: 10.1021/cr900183p

    13. [13]

      Schwarz, H. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 10096. doi: 10.1002/anie.201006424

    14. [14]

      Schwarz, H.; González-Navarrete, P.; Li, J.; Schlangen, M.; Sun, X.; Weiske, T.; Zhou, S. Organometallics 2017, 36, 8. doi: 10.1021/acs.organomet.6b00372

    15. [15]

      王丹, 丁迅雷, 廖珩璐, 戴佳钰.物理化学学报, 2019, in press. doi: 10.3866/PKU.WHXB201809006Wang, D.; Ding, X. -L.; Liao, H.; Dai, J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, in press. doi: 10.3866/PKU.WHXB201809006

    16. [16]

      Buckner, S. W.; MacMahon, T. J.; Byrd, G. D.; Freiser, B. S. Inorg. Chem. 1989, 28, 3511. doi: 10.1021/ic00317a024

    17. [17]

      Irikura, K. K.; Beauchamp, J. L. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 2769. doi: 10.1021/ja00007a070

    18. [18]

      Irikura, K. K.; Beauchamp, J. L. J. Phys. Chem. 1991, 95, 8344. doi: 10.1021/j100174a057

    19. [19]

      Shayesteh, A.; Lavrov, V. V.; Koyanagi, G. K.; Bohme, D. K. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 5602. doi: 10.1021/jp900671c

    20. [20]

      Schröder, D.; Schwarz, H. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1990, 29, 1433. doi: 10.1002/anie.199014331

    21. [21]

      Schröeder, D.; Fiedler, A.; Hrusak, J.; Schwarz, H. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 1215. doi: 10.1021/ja00030a014

    22. [22]

      Chen, Y. -M.; Clemmer, D. E.; Armentrout, P. B. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 7815. doi: 10.1021/ja00096a044

    23. [23]

      Ryan, M. F.; Fiedler, A.; Schröeder, D.; Schwarz, H. Organometallics 1994, 13, 4072. doi: 10.1021/om00022a051

    24. [24]

      Ryan, M. F.; Fiedler, A.; Schroeder, D.; Schwarz, H. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 2033. doi: 10.1021/ja00112a017

    25. [25]

      Schröder, D.; Schwarz, H.; Clemmer, D. E.; Chen, Y.; Armentrout, P. B.; Baranov, V. I.; Böhme, D. K. Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1997, 161, 175. doi: 10.1016/S0168-1176(96)04428-X

    26. [26]

      Aguirre, F.; Husband, J.; Thompson, C. J.; Stringer, K. L.; Metz, R. B. J. Chem. Phys. 2002, 116, 4071. doi: 10.1063/1.1448489

    27. [27]

      Dietl, N.; van der Linde, C.; Schlangen, M.; Beyer, M. K.; Schwarz, H. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 4966. doi: 10.1002/anie.201100606

    28. [28]

      Ard, S. G.; Melko, J. J.; Ushakov, V. G.; Johnson, R.; Fournier, J. A.; Shuman, N. S.; Guo, H.; Troe, J.; Viggiano, A. A. J. Phys. Chem. A 2014, 118, 2029. doi: 10.1021/jp5000705

    29. [29]

      Yue, L.; Li, J.; Zhou, S.; Sun, X.; Schlangen, M.; Shaik, S.; Schwarz, H. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 10219. doi: 10.1002/anie.201703485

    30. [30]

      Carlin, T. J.; Sallans, L.; Cassady, C. J.; Jacobson, D. B.; Freiser, B. S. J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 6320. doi: 10.1021/ja00358a027

    31. [31]

      Zhang, Q.; Bowers, M. T. J. Phys. Chem. A 2004, 108, 9755. doi: 10.1021/jp047943t

    32. [32]

      Liu, S.; Geng, Z.; Wang, Y.; Yan, Y. J. Phys. Chem. A 2012, 116, 4560. doi: 10.1021/jp210924a

    33. [33]

      Schlangen, M.; Schroder, D.; Schwarz, H. Chem. Eur. J. 2007, 13, 6810. doi: 10.1002/chem.200700506

    34. [34]

      Armélin, M.; Schlangen, M.; Schwarz, H. Chem. Eur. J. 2008, 14, 5229. doi: 10.1002/chem.200800029

    35. [35]

      Schlangen, M.; Schwarz, H. Helv. Chim. Acta 2008, 91, 2203. doi: 10.1002/hlca.200890238

    36. [36]

      Fiedler, A.; Kretzschmar, I.; Schröder, D.; Schwarz, H. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 9941. doi: 10.1021/ja960157k

    37. [37]

      Schlangen, M.; Schroder, D.; Schwarz, H. Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 1641. doi: 10.1002/anie.200603266

    38. [38]

      Dede, Y.; Zhang, X.; Schlangen, M.; Schwarz, H.; Baik, M. H. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 12634. doi: 10.1021/ja902093f

    39. [39]

      Lakuntza, O.; Matxain, J. M.; Ruiperez, F.; Besora, M.; Maseras, F.; Ugalde, J. M.; Schlangen, M.; Schwarz, H. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 9306. doi: 10.1039/C2CP23502A

    40. [40]

      Schröder, D.; Schwarz, H. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1991, 30, 991. doi: 10.1002/anie.199109911

    41. [41]

      Kretschmer, R.; Schlangen, M.; Schwarz, H. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 6097. doi: 10.1002/anie.201300900

    42. [42]

      Chen, Q.; Zhao, Y. -X.; Jiang, L. -X.; Li, H. -F.; Chen, J. -J.; Zhang, T.; Liu, Q. -Y.; He, S. -G. Phys. Chem. Chem. Phys. 2018, 20, 4641. doi: 10.1039/C8CP00071A

    43. [43]

      Chen, Q.; Zhao, Y. -X.; Jiang, L. -X.; Chen, J. -J.; He, S. -G. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 14134. doi: 10.1002/anie.201808780

    44. [44]

      Shaik, S.; Danovich, D.; Fiedler, A.; Schröder, D.; Schwarz, H. Helv. Chim. Acta 1995, 78, 1393. doi: 10.1002/hlca.19950780602

    45. [45]

      Wu, X. -N.; Xu, B.; Meng, J. -H.; He, S. -G. Int. J. Mass Spectrom. 2012, 310, 57. doi: 10.1016/j.ijms.2011.11.011

    46. [46]

      Yuan, Z.; Zhao, Y. -X.; Li, X. -N.; He, S. -G. Int. J. Mass Spectrom. 2013, 354-355, 105. doi: 10.1016/j.ijms.2013.06.004

    47. [47]

      Yuan, Z.; Liu, Q. -Y.; Li, X. -N.; He, S. -G. Int. J. Mass Spectrom. 2016, 407, 62. doi: 10.1016/j.ijms.2016.07.004

    48. [48]

      Gioumousis, G.; Stevenson, D. P. J. Chem. Phys. 1958, 29, 294. doi: 10.1063/1.1744477

    49. [49]

      Kummerlowe, G.; Beyer, M. K. Int. J. Mass Spectrom. 2005, 244, 84. doi: 10.1016/j.ijms.2005.03.012

    50. [50]

      Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A.; et al. Gaussian 09, Revision D.01; Gaussian Inc.: Wallingford CT, USA, 2009.

    51. [51]

      Zhao, Y.; Truhlar, D. G. J. Chem. Phys. 2006, 125, 194101. doi: 10.1063/1.2370993

    52. [52]

      Schäfer, A.; Huber, C.; Ahlrichs, R. J. Chem. Phys. 1994, 100, 5829. doi: 10.1063/1.467146

    53. [53]

      Schlegel, H. B. J. Comput. Chem. 1982, 3, 214. doi: 10.1002/jcc.540030212

    54. [54]

      Gonzalez, C.; Schlegel, H. B. J. Chem. Phys. 1989, 90, 2154. doi: 10.1063/1.456010

    55. [55]

      Glendening, E. D.; Reed, A. E.; Carpenter, J. E.; Weinhold, F. NBO 3.1; Theoretical Chemistry Institute, University of Wisconsin: Madison, WI, USA, 1996.

    56. [56]

      Lide, D. R. Handbook of Chemistry and Physics, 84th Ed.; CRC Press: Boca Raton, USA, 2003; Sect. 9, p. 52.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  14
  • 文章访问数:  1430
  • HTML全文浏览量:  138
文章相关
  • 发布日期:  2019-09-15
  • 收稿日期:  2018-11-28
  • 接受日期:  2018-12-27
  • 修回日期:  2018-12-19
  • 网络出版日期:  2019-09-03
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章