铂催化剂吸附巴豆醛分子的示意图
反应物分子在催化剂上的吸附取向是决定产物分布的关键因素。因此,研究巴豆醛在催化剂表面的吸附模式,将有利于更深入地理解催化剂在反应中所起到的作用,有助于设计出更好的催化剂来提高对不饱和醇的选择性。
Delbecq等采用扩展休克尔计算方法,对巴豆醛等α,β-不饱和醛在Pt(111)、Pt(100)、Pt(110)、Pd(111)晶面及Pt(111)台阶上的吸附进行了研究,得到了α,β-不饱和醛在催化剂上的6种吸附模式。根据模型计算结果,他们得出了不同分子吸附模型与金属晶面之间的对应关系:Pt(111)晶面优先吸附di-σCOη2构型,Pt(100)和Pd(111)晶面优先吸附η4构型,Pt(110)晶面优先吸附σCCη2构型。从上述理论计算结果中不难看出,Pt(111)晶面上有利于C=O键的吸附和加氢,即有利于提高巴豆醇的选择性。Cao等和Laref等的研究结果也说明了Pt(111)晶面上有利于C=O键的加氢。
Delbecq等和Laref等还指出,在金属催化剂上不易得到不饱和醇的原因是:(1)在分子吸附时,C=C键易于发生吸附(di-σCCη2和πCCη2构型),而C=O键不易发生吸附(di-σCOη2和πCOη2构型)。(2)在C=C和C=O键同时发生吸附时,由于C=C键能较低,在热力学上更有利于C=C键的加氢。因此,获得高选择性的不饱和醇存在本质上的困难。
然而,科研工作者还针对如何提高巴豆醇选择性冶做出了大量的实验工作和理论计算,并给出了巴豆醛选择性加氢相关机理。Urquhart等提出巴豆醛分子在Pt上覆盖度是影响产物分布的重要因素。在低分子覆盖度时,巴豆醛分子中C=C键近距离平行Pt(111)晶面,有利于C=C键加氢;在高分子覆盖度时,巴豆醛分子发生倾斜,C=C键远离Pt(111)晶面,而C=O键趋向于Pt(111)晶面,有利于巴豆醇选择性的提高。
此外,添加电正性金属(如Fe、Sn)可以有效促进不饱和醇选择性。Hirschl等理论计算得出,不饱和醛分子中C=O键可以与Fe等形成O-Fe,使得Pt(111)晶面上电子云密度发生变化,提高了Fe在Pt催化剂表面含量,有利于不饱和醇的生成。
负载型催化剂中载体往往具有一定的缺陷位或酸碱中心,这些因素会影响催化剂的加氢性能。Wang等提出了巴豆醛分子在具有Lewis酸位的Pt基催化剂上的加氢机理,即在Pt/NaCl/ZrO2催化剂表面的吸附模式。从图中可以看到,羰基氧选择性吸附在Lewis酸性位上,而Pt粒子则吸附C=C键和羰基碳。从这个吸附模式来看,催化剂的催化性能主要是受活性中心Pt和Lewis酸性位的影响。这是因为活性中心Pt粒子上电子云密度的增加,会增强排斥C=C键的能力,并有利于吸附部分极化的羰基碳,有利于C=O键加氢。