Theoretical Calculation of Solvent Dependence in Pd-catalyzed Hydrogenation of Furfural

doi:10.7503/cjcu20220486

Abstract

Abstract:

The catalytic hydrogenation reaction process of furfural is mainly divided into gas phase， liquid phase and catalytic transfer hydrogenation. Compared with gas-phase hydrogenation of furfural， liquid-phase hydrogenation provides more sustainability and freedom for the reaction， but the mechanism of the solvent-dependent phenomenon on the directional catalytic conversion of furfural is still unclear. For the above problems， this work selected three solvents（methanol， water and cyclohexane） as the research objects， and used the density functional theory method to explore the effect of solvent on the reactivity and selectivity of Pd-catalyzed furfural hydrogenation. The results showed that the solvent could form hydrogen bond network to promote proton shuttle， stabilize reactants， interme- diates and products， and effectively reduce the energy barrier of C=O hydrogenation. Free energy calculations show that the energy barrier for the first step C=O hydrogenation gradually decreases（0.70 eV>0.68 eV>0.44 eV） with decreasing solvent polarity（water>methanol>cyclohexane）. During the hydrogenation of furfural mediated by water and methanol， the reaction barriers for the first C=O hydrogenation were further reduced to 0.47 and 0.41 eV. Differential charge density and Bader charge analysis indicated the existence of charge transfer between furfural and Pd catalysts. The projected density of states（PDOS） analysis showed that the addition of the solvent shifted the center of the d-band toward the Fermi level， implying the improved catalytic activity of the Pd catalyst. This work reveals the key role of solvent in regulating the selectivity of furfural catalytic hydrogenation.

Key words: Solvent dependence, Furfural hydrogenation, Pd catalyst, Theoretical calculation

CLC Number:

O643

TrendMD:

DENG Yuan, WANG Si, FENG Haisong, ZHANG Xin. Theoretical Calculation of Solvent Dependence in Pd-catalyzed Hydrogenation of Furfural[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(2): 20220486.

Figures/Tables 11

References 42

1	Hou Q.， Qi X.， Zhen M.， Qian H.， Nie Y.， Bai C.， Zhang S.， Bai X.， Ju M.， Green Chem.， 2021， 22（15）， 4937—4942
2	Wang Z.， Bhattacharyya S.， Vlachos D. G.， ACS Sustain. Chem. Eng.， 2021， 9（22）， 7489—7498
3	Yue X.， Queneau Y.， ChemSusChem， 2022， 15（13）， e202102660
4	Li X.， Jia P.， Wang T.， ACS Catal.， 2016， 6（11）， 7621—7640
5	Qi H.， Yang J.， Liu F.， Zhang L.， Yang J.， Liu X.， Li L.， Su Y.， Liu Y.， Hao R.， Wang A.， Zhang T.， Nat. Commun.， 2021， 12（1）， 3295
6	Mariscal R.， Maireles-Torres P.， Ojeda M.， Sadaba I.， Lopez Granados M.， Energy Environ. Sci.， 2016， 9（4）， 1144—1189
7	Hu L.， Zhao G.， Hao W.， Tang X.， Sun Y.， Lin L.， Liu S.， RSC Adv.， 2012， 2（30）， 11184—11206
8	Pace V.， Hoyos P.， Castoldi L.， de Maria P. D.， Alcantara A. R.， ChemSusChem， 2012， 5（8）， 1396—1379
9	Liu H.， Jiang T.， Han B.， Liang S.， Zhou Y.， Science， 2009， 326（5957）， 1250—1252
10	Meng Q.， Hou M.， Liu H.， Song J.， Han B.， Nat. Commun.， 2017， 8（1）， 14190
11	Yang Y.， Wang Y.， Li S.， Shen X.， Chen B.， Liu H.， Han B.， Green Chem.， 2020， 22（15）， 4937—4942
12	Yuan E.， Li Q.， Ni P.， Jian P.， Deng Q.， Mol. Catal.， 2021， 514， 111872
13	Meng X.， Yang Y.， Chen L.， Xu M.， Zhang X.， Wei M.， ACS Catal.， 2019， 9（5）， 4226—4235
14	Sitthisa S.， Resasco D. E.， Catal. Lett.， 2011， 141（6）， 784—791
15	Murzin D. Y.， Catal. Sci. Technol.， 2016， 6（14）， 5700—5713
16	Dyson P. J.， Jessop P. G.， Catal. Sci. Technol.， 2016， 6（10）， 3302—3316
17	Li G.， Wang B.， Resasco D. E.， ACS Catal.， 2020， 10（2）， 1294—1309
18	Giernoth R.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2011， 50（48）， 11289
19	Potts D. S.， Bregante D. T.， Adams J. S.， Torres C.， Flaherty D. W.， Chem. Soc. Rev.， 2021， 50（22）， 12308—12337
20	Gould N. S.， Xu B.， ACS Catal.， 2018， 8（9）， 8699—8708
21	Gould N. S.， Li S.， Cho H. J.， Landfield H.， Caratzoulas S.， Vlachos D.， Bai P.， Xu B.， Nat. Commun.， 2020， 11（1）， 1060
22	Cheng G.， Jentys A.， Gutierrez O. Y.， Liu Y.， Chin Y. H.， Lercher J. A.， Nat. Catal.， 2021， 4（11）， 976—985
23	Deng Y.， Gao R.， Lin L.， Liu T.， Wen X.， Wang S.， Ma D.， J. Am. Chem. Soc.， 2018， 140（43）， 14481—14489
24	Zhao Z.， Bababrik R.， Xue W.， Li Y.， Briggs N. M.， Nguyen D. T.， Nguyen U.， Crossley S. P.， Wang S.， Wang B.， Resasco D. E.， Nat. Catal.， 2019， 2（5）， 431—436
25	Kresse G.， Furthmüller J.， Comput. Mater. Sci.， 1996， 6（1）， 15—50
26	Kresse G.， Furthmüller J.， Phys. Rev. B： Condens. Matter， 1996， 54（16）， 11169—11186
27	Henkelman G.， Uberuaga B. P.， Jonsson H.， J. Chem. Phys.， 2000， 113（22）， 9901—9904
28	Henkelman G.， Jonsson H.， J. Chem. Phys.， 2000， 113（22）， 9978—9985
29	Henkelman G.， Jonsson H.， J. Chem. Phys.， 1999， 111（15）， 7010—7022
30	Perdew J.， Burke K.， Ernzerhof M.， Phys. Rev. Lett.， 1996， 77（18）， 3865—3868
31	Blochl P.， Phys. Rev. B： Condens. Matter， 1994， 50（24）， 17953—17979
32	Kresse G.， Joubert D.， Phys. Rev. B： Condens. Matter， 1999， 59（3）， 1758—1775
33	Grimme S.， Antony J.， Ehrlich S.， Krieg H.， J. Chem. Phys.， 2010， 132（15）， 154104
34	Monkhorst H. J.， Pack J. D.， Phys. Rev. B： Solid State， 1976， 13， 5188—5192
35	Wang Z.， Zhao J.， Cai Q.， PhysChemChemPhys， 2017， 19， 23113
36	Kamlet M. J.， Abboud J. L. M.， Abraham M. H.， Taft R. W.， J. Org. Chem.， 2002， 48（17）， 2877—2887
37	Giorgianni G.， Abate S.， Centi G.， Perathoner S.， van Beuzekom S.， Soo⁃Tang S. H.， van der Waal J. C.， ACS Sustain. Chem. Eng.， 2018， 6（12）， 16235—16247
38	Omar S.， Palomar J.， Gomez⁃Sainero L. M.， Alvarez⁃Montero M. A.， Martin⁃Martinez M.， Rodriguez J. J.， J. Phys. Chem. C， 2011， 115（29）， 14180—14192
39	Yuan E.， Wang L.， Zhang X.， Feng R.， Wu C.， Li G.， ChemPhysChem， 2016， 17（23）， 3974—3984
40	Sinha N. K.， Neurock M.， J. Catal.， 2012， 295， 31—44
41	Wang J.， Lv C.， Liu J.， Ren R.， Wang G.， Int. J. Hydrog. Energy， 2021， 46（2）， 1592—1604
42	Li A. J.， Guangzhou Chemical Industry， 2021， 49（5）， 57—59
	李傲杰. 广州化工， 2021， 49（5）， 57—59

Solvent	∆H/eV	Ε/eV	10³⁰μ/（C·m）	π^*	β	α
Water	5.07	78.5	6.17	1.09	0.18	1.17
Methanol	4.23	32.7	5.67	0.60	0.62	0.93
Cyclohexane	4.05	2.0	0	0	0	0

Solvent	∆H/eV	Ε/eV	10³⁰μ/（C·m）	π^*	β	α
Water	5.07	78.5	6.17	1.09	0.18	1.17
Methanol	4.23	32.7	5.67	0.60	0.62	0.93
Cyclohexane	4.05	2.0	0	0	0	0

Systerm	Bader charge/C				Valence
Systerm	C1	O1	H1	H2	C1	O1	H1	H2
Pd+furfural	3.15	7.07	0.83	1.05	0.85	-1.07	0.17	-0.05
Pd+furfural+H₂O	3.32	7.03	0.84	1.06	0.68	-1.03	0.16	-0.06
Pd+furfural+6H₂O	3.16	7.05	0.91	1.05	0.84	-1.05	0.09	-0.05
Pd+furfural+CH₃OH	3.24	7.05	0.87	1.07	0.76	-1.05	0.13	-0.07
Pd+furfural+4CH₃OH	3.22	7.07	0.83	1.07	0.78	-1.07	0.17	-0.07
Pd+furfural+ C₆H₁₂	3.16	7.09	0.84	1.05	0.84	-1.09	0.16	-0.05

Systerm	Bader charge/C				Valence
Systerm	C1	O1	H1	H2	C1	O1	H1	H2
Pd+furfural	3.15	7.07	0.83	1.05	0.85	-1.07	0.17	-0.05
Pd+furfural+H₂O	3.32	7.03	0.84	1.06	0.68	-1.03	0.16	-0.06
Pd+furfural+6H₂O	3.16	7.05	0.91	1.05	0.84	-1.05	0.09	-0.05
Pd+furfural+CH₃OH	3.24	7.05	0.87	1.07	0.76	-1.05	0.13	-0.07
Pd+furfural+4CH₃OH	3.22	7.07	0.83	1.07	0.78	-1.07	0.17	-0.07
Pd+furfural+ C₆H₁₂	3.16	7.09	0.84	1.05	0.84	-1.09	0.16	-0.05

[1]	ZHOU Ying, HE Peinan, FENG Haisong, ZHANG Xin. Optimal Distribution of Active Sites of CO₂ Reduction Reaction Catalyzed by Diatomic Site M-N-C [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(2): 20210640.
[2]	YAN Xuan,XUE Bingchun,LIU Erbao. Synthesis of Urea Ammonium Halide Cocrystal and Theoretical Study of Its Influencing Factors in Water System^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(12): 2700.
[3]	LU Liang, CHEN Tingting, GE Cunwang, TANG Yawen, CHEN Yu, LU Tianhong. Preparation of Phosphotungstic Acid-modified Carbon Supported Pd Catalyst and Its Electrocatalytic Performance for Formic Acid Oxidation^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2014, 35(1): 115.
[4]	LU Liang, TANG Ya-Wen, CHEN Yu, CHEN Ting-Ting, GE Cun-Wang, LU Tian-Hong. Effect of Ethylenediamine-tetramethylene Phosphonic Acid in Electrolyte on Electrocatalytic Performance of Carbon Supported Pd Catalyst for Formic Acid Oxidation [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2013, 34(7): 1748.
[5]	YU Ao, WANG Hui-Kai, XUE Xiao-Song, CAI Yu, WANG Yong-Jian, HE Jia-Qi. Theoretical Study on the Thermodynamic Hydricity of Imidazole-based Organic Hydrides in Acetonitrile [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2012, 33(02): 276.
[6]	LI Huan-Zhi, SHEN Juan-Zhang, YANG Gai-Xiu, TANG Ya-Wen, LU Tian-Hong*. Anodic Pd Catalyst in Direct Formic Acid Fuel Cell and Its Electrocatalytic Stability [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2011, 32(7): 1445.
[7]	WANG Feng, LI Wen-Hong*, LI Dong, YAN Sui-Hong, XU Kang-Zhen, SUN Xiao-Hong. Knoevenagel Reaction of 2-Aminothiophen-4-one [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2011, 32(4): 903.
[8]	SHEN Juan-Zhang, CHEN Ying, YANG Gai-Xiu, TANG Ya-Wen, LU Tian-Hong*. Stability of Carbon Supported Pd/C Catalyst in Direct Formic Acid Fuel Cell [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2011, 32(11): 2626.
[9]	JI Chang-Chun, XU Zheng-Jiang, LI Jing, LIU Guang-Xiang, ZHENG He-Gen*. Syntheses, Structures of Four New Complexes Constructed by Flexible Pyridine Ligand and the Relationship Between Conformations and Structures [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2010, 31(5): 867.
[10]	YANG Gai-Xiu, DENG Ling-Juan, TANG Ya-Wen, LU Tian-Hong*. Promote Action of Phosphotungstic Acid for Electrooxidation of Fomic Acid at Carbon Supported Pd Catalyst [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2009, 30(6): 1173.
[11]	YU Qing, CAO Jie*, ZHANG Cheng-Gen. Direct Experimental Evidence of Ternary Diastereomeric Complexes in Chiral Separations of Phenylglycine Enatiomers with Chiral Mobile Phase by RP-HPLC [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2009, 30(5): 988.
[12]	HUANG Rong-Yi, CHEN Hong, YAN Juan, ZHU Kun, LIU Guang-Xiang*, REN Xiao-Ming. Syntheses, Structures and Theoretical Calculations of Three Novel Cu(Ⅱ) Complexes [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2009, 30(4): 655.
[13]	ZHANG Xin, HUANG Ting-Ting, TAN Kai, LIN Meng-Hai*, ZHANG Qian-Er. Theoretical Studies on Third-order Nonlinear Optical Property of (ZnS)_6—12 Clusters [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2007, 28(6): 1126.
[14]	MAO Hua-Ping¹, YU You-Hai¹, CHEN Liang¹, LU Xiao-Feng¹, ZHANG Wan-Jin¹, ZHANG Hong-Xing². Synthesis and Characterization of a Novel Azo Compound with ‘Dumbbell Shape’ [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2006, 27(10): 1999.
[15]	HUANG Kun-Lin, LI Cai-Jin, LIU Qun, BAI Hong-Tao, MU Zhong-Cheng . Synthesis, Single Crystal Structure and ¹H NMR Characterization of 3-(2-p-Methylphenylvinyl)-5(4H)-isoxazolone and Theoretical Study for Its Isomerization [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2004, 25(7): 1264.