Application of Covalent Organic Framework-Polyoxometalates Composites in Heterogeneous Catalytic Epoxidation of Olefins

doi:10.7503/cjcu20230282

Abstract

Abstract:

Covalent organic frameworks are crystalline porous materials with great application potential in heterogeneous catalysis. We synthesized a new functional covalent organic framework， COF-FL-2， using derivatives of electron-deficient naphthalene diimide（NDI） as monomers. COF-FL-2 has a large pore size and good adsorption performance. The NDI structure on the skeleton can form a stable functional composite with polyoxometalates through π-anion interaction. A novel hybrid heteropolyacid complex， PTA@COF-FL-2， was prepared by loading phosphotungstic acid（PTA） on COF-FL-2. Remarkably， PTA@COF-FL-2 shows high catalytic activity for the epoxidation of olefins with t-BuOOH as the oxidant， and can epoxidate cyclooctene and 1-octene into the corresponding epoxides under mild conditions. PTA@COF-FL-2 can be used for a long time under reaction conditions， and there is no PTA leaching phenomenon when used. In addition， PTA@COF-FL-2 is very convenient to recycle and can be recycled many times.

Key words: Covalent organic framework, Polyoxometalate, Heterogeneous catalysis, Loading material, Epoxidation of alkene

CLC Number:

O611

TrendMD:

KONG Xiangyu, LIAO Li, LU Canzhong, FANG Qianrong. Application of Covalent Organic Framework-Polyoxometalates Composites in Heterogeneous Catalytic Epoxidation of Olefins[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(12): 20230282.

Figures/Tables 7

References 48

1	Pope M. T.， Heteropoly and Isopoly Oxometalates， 8th ed.， Springer Verlag， New York， 1983
2	Hill C. L.， White G. C.， Chem. Rev.， 1998， 98， 1—2
3	Kozhevnikov I. V.， Chem. Rev.， 1998， 98， 171—198
4	Mizuno N.， Misono M.， Chem. Rev.， 1998， 98， 199—218
5	Sadakane M.， Steckhan E.， Chem. Rev.， 1998， 98， 219—238
6	Kozhevnikov I. V.， Catalysts for Fine Chemical Synthesis： Catalysis by Polyoxometalates， Wiley， Chichester， 2002
7	Mizuno N.， Kamata K.， Uchida S.， Yamaguchi K.； Mizuno N.， Ed.， Modern Heterogeneous Oxidation Catalysis， Wiley⁃VCH， Weinheim， 2009
8	Muller A.， Peters F.， Pope M. T.， Gatteschi D.， Chem. Rev.， 1998， 98， 239—272
9	Yamase T.， Chem. Rev.， 1998， 98， 307—326
10	Coronado E.， Gomez⁃Garcia C. J.， Chem. Rev.， 1998， 98， 273—296
11	Rhule J. T.， Hill C. L.， Judd D. A.， Chem. Rev.， 1998， 98， 327—358
12	Weissermel K.， Arpe H. J.， Industrial Organic Chemistry， 3rd Ed.， VCH， Weinheim， 1997
13	Misono M.， Nojiri N.， Appl. Catal.， 1990， 64， 1—4
14	Izumi Y.， Catal. Today， 1997， 33， 371—409
15	Izumi Y.， Urabe K.， Onaka M.， Zeolite， Clay and Heteropoly Acid in Organic Reactions， Kodansha/VCH， Tokyo， 1992
16	Aoshima A.， Tonomura S.， Yamamatsu S.， Polym. Adv. Technol.， 1990， 2， 127—132
17	Armor J. N.， Appl. Catal.， A： Gen.， 2001， 222， 407—426
18	Sano K.， Uchida H.， Wakabayashi S.， Catal. Surv. Asia， 1999， 3， 55—60
19	Howard M. J.， Sunley G. J.， Poole A. D.， Watt R. J.， Sharma B. K.， Stud. Surf. Sci. Catal.， 1999， 121， 61—68
20	Okuhara T.， Chem. Rev.， 2022， 102， 3641—3666
21	Inumaru K.， Ishihara T.， Kamiya Y.， Okuhara T.， Yamanaka S.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2007， 46， 7625—7628
22	Côté A. P.， Benin A. I.， Ockwig N. W.， O’Keeffe M.， Matzger A. J.， Yaghi O. M.， Science， 2005， 310， 1166—1170
23	Colson J. W.， Dichtel W. R.， Nat. Chem.， 2013， 5， 453—465
24	Ding S. Y.， Wang W.， Soc. Rev.， 2013， 42， 548—568
25	Guan X. Y.， Chen F. Q.， Fang Q. R.， Qiu S. L.， Chem. Soc. Rev.， 2020， 49， 1357—1384
26	Yusran Y.， Guan X. Y.， Li H.， Fang Q. R.， Qiu S. L.， Natl. Sci. Rev.， 2020， 7， 170—190
27	Lyu H.， Diercks C. S.， Zhu C. H.， Yaghi O. M.， J. Am. Chem. Soc.， 2019， 141， 6848—6852
28	Ding S. Y.， Gao J.， Wang Q.， Zhang Y.， Song W. G.， Su C. Y.， Wang W.， J. Am. Chem. Soc.， 2011， 133， 19816—19822
29	Vyas V. S.， Haase F.， Stegbauer L.， Savasci G.， Podjaski F.， Ochsenfeld C.， Lotsch B. V.， Nat. Commun.， 2015， 6， 8508―8516
30	Sun Q.， Aguila B.， Perman J.， Nguyen N.， Ma S. Q.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138， 15790—15796
31	Wang X.， Han X.， Zhang J.， Wu X.， Liu Y.， Cui Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138， 12332—12335
32	Yan S. C.， Guan X. Y.， Li H.， Li D. H.， Xue M.， Yan Y. S.， Valtchev V.， Qiu S. L.， Fang Q. R.， J. Am. Chem. Soc.， 2019， 141， 2920—2924
33	Bi S.， Thiruvengadam P.， Wei S.， Zhang W. B.， Zhang F.， Gao L. S.， Xu J. S.， Wu D. Q.， Chen J. S.， Zhang F.， J. Am. Chem. Soc.， 2020， 142， 11893—11900
34	Kuhn P.， Antonietti M.， Thomas A.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2008， 47， 3450—3453
35	Han S. S.， Furukawa H.， Yaghi O. M.， Goddard W. A.， J. Am. Chem. Soc.， 2008， 130， 11580—11581
36	Fang Q. R.， Zhuang Z. B.， Gu S.， Kaspar R. B.， Zheng J.， Wang J. H.， Qiu S. L.， Yan Y. S.， Nat. Commun.， 2014， 5， 4503—4510
37	Wan S.， Guo J.， Kim J.， Ihee H.， Jiang D.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2008， 47， 8826—8830
38	Dogru M.， Handloser M.， Auras F.， Kunz T.， Medina D.， Hartschuh A.， Knochel P.， Bein T.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2013， 52， 2920—2924
39	Bertrand G. H. V.， Michaelis V. K.， Ong T. C.， Griffin R. G.， Dinca M.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 2013， 110， 4923—4928
40	Li H.， Chang J. H.， Li S. S.， Guan X. Y.， Li D. H.， Li C. Y.， Tang L. X.， Xue M.， Yan Y. S.， Valtchev V.， Qiu S. L.， Fang Q. R.， J. Am. Chem. Soc.， 2019， 141， 13324—13329
41	Du Y.， Yang H.， Whiteley J. M.， Wan S.， Jin Y.， Lee S. H.， Zhang W.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2016， 55， 1737—1741
42	Chandra S.， Kundu T.， Kandambeth S.， BabaRao R.， Marathe M. Y.， Kunjir S. M.， Banerjee R.， J. Am. Chem. Soc.， 2014， 136， 6570—6573
43	Wang S.， Wang Q.， Shao P.， Han Y.， Gao X.， Ma L.， Yuan S.， Ma X.， Zhou J.， Feng X.， Wang B.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139， 4258—4261
44	Guan X. Y.， Li H.， Ma Y. C.， Xue M.， Fang Q. R.， Yan Y. S.， Valtchev V.， Qiu S. L.， Nat. Chem.， 2019， 11， 587—594
45	Xu G. J.， Chang J. H.， Fang Q. R.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（12）， 2667—2672
	徐国杰，常建红，方千荣. 高等学校化学学报， 2020， 41（12）， 2667—2672
46	Chang J. H.， Xu G. J.， Li H.， Fang Q. R.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（7）， 1609—1614
	常建红，徐国杰，李辉，方千荣. 高等学校化学学报， 2020， 41（7）， 1609—1614
47	Liao J. Z.， Wu X. Y.， Yong J. P.， Lu C. Z.， Crystal Growth & Design， 2015， 15， 4952—4958
48	Gao W. X.， Sun X. Y.， Niu H. L.， Song X. J.， Li K. G.， Gao H. C.， Zhang W. X.， Yu J. H.， Jia M. J.， Micropor. Mesopor. Mater.， 2015， 213， 59—67

Catalyst	Substrate	Conversion rate（%）
PTA	cis⁃Cyclooctene	89
PTA@COF⁃FL⁃2（40）	cis⁃Cyclooctene	38
PTA@COF⁃FL⁃2（80）	cis⁃Cyclooctene	81
PTA@COF⁃FL⁃2（120）	cis⁃Cyclooctene	9
PTA	1⁃Octene	43
PTA@COF⁃FL⁃2（40）	1⁃Octene	12
PTA@COF⁃FL⁃2b（80）	1⁃Octene	33
PTA@COF⁃FL⁃2c（120）	1⁃Octene	13

Catalyst	Substrate	Conversion rate（%）
PTA	cis⁃Cyclooctene	89
PTA@COF⁃FL⁃2（40）	cis⁃Cyclooctene	38
PTA@COF⁃FL⁃2（80）	cis⁃Cyclooctene	81
PTA@COF⁃FL⁃2（120）	cis⁃Cyclooctene	9
PTA	1⁃Octene	43
PTA@COF⁃FL⁃2（40）	1⁃Octene	12
PTA@COF⁃FL⁃2b（80）	1⁃Octene	33
PTA@COF⁃FL⁃2c（120）	1⁃Octene	13

[1]	HAN Xu, BAI Xue, ZHANG Zhong, YANG Yanli, CUI Hong, LIU Shuxia. Synthesis and Deep Desulfurization Activity of Fuel Oil of PW₁₁M@Cu₃（BTC）₂ Hybrid [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(4): 20220702.
[2]	DING Yang, WANG Wanhui, BAO Ming. Recent Progress in Porous Framework-immobilized Molecular Catalysts for CO₂Hydrogenation to Formic Acid [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220309.
[3]	ZHOU Zixuan, YANG Haiyan, SUN Yuhan, GAO Peng. Recent Progress in Heterogeneous Catalysts for the Hydrogenation of Carbon Dioxide to Methanol [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220235.
[4]	LI Jiafu, ZHANG Kai, WANG Ning, SUN Qiming. Research Progress of Zeolite-encaged Single-atom Metal Catalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(5): 20220032.
[5]	WANG Di, ZHONG Keli, TANG Lijun, HOU Shuhua, LYU Chunxin. Synthesis of Schiff-based Covalent Organic Framework and Its Recognition of I ^‒ [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(10): 20220115.
[6]	ZHANG Taiwen, GUO Jun, ZHANG Dan, YUAN Changmei, QIU Shuangyan. Synthesis， Characterization and Catalytic Oxidation Iodine Ion Performance of trz-Cl-Cu-PMo₁₂ [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(10): 20220215.
[7]	WANG Kaixuan, LI Ziping, CHEN Xianyang, CUI Yong. Synthesis， Structure and Characterization of a Dihydrophenazine Based 3D Covalent Organic Framework [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(10): 20220210.
[8]	WANG Jie, HUO Haiyan, WANG Yang, ZHANG Zhong, LIU Shuxia. General Strategy for In situ Synthesis of NENU-n Series Polyoxometalate-based MOFs on Copper Foil [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(1): 20210557.
[9]	WEI Zheyu, WU Zhikang, RU Shi, NI Lubin, WEI Yongge. Research Progress of Polyoxometalates-Cyclodextrin Supramolecular System [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(1): 20210665.
[10]	WANG Jin, SHI Wenjie, JIN Linyu, MA Pengtao, WANG Jingping, NIU Jingyang. Synthesis， Structure， and Allochroic Property of Two Hetro-arsenomolybdates Hybrid Polyoxometalates [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(1): 20210600.
[11]	CHEN Huina, LI Xinxiong, ZHENG Shoutian. Research Advance of Polyoxoniobate-based 3-Dimensional Framework Materials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(1): 20210625.
[12]	LIANG Yu, LIU Huan, GONG Lige, WANG Chunxiao, WANG Chunmei, YU Kai, ZHOU Baibin. Synthesis and Supercapacitor Properties of Biimidazole-modified ｛SiW₁₂O₄₀｝ Hybrid [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(1): 20210556.
[13]	JIANG Jun, GONG Tiantian, ZHANG Chengpeng, LIU Xiaoqian, ZHAO Junwei. Synthesis and Electrochemical Biosensing Properties of Pyridine Dicarboxylic Acid Decorated Rare-earth-incorporatedTellurotungstates [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(1): 20210561.
[14]	CHU Mingyue, LI Fengbo, GAO Ning, YANG Xin, YU Tingting, MA Huiyuan, YANG Guixin, PANG Haijun. Construction of a Coronal Polyoxometalate-based Composite Film for Determination of Nitrite [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(1): 20210579.
[15]	LI Haibo, XIAO Changfa, JIANG Long, HUANG Yun, DAN Yi. Copolymerization of Methyl Acrylate and 1-Octene Catalyzed by the Loaded Aluminum Chloride on MCM-41 Molecular Sieve [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(9): 2974.