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用于改进生物燃料生产的离子液体中坎尼扎罗反应的蒙特卡罗量子力学/分子力学模拟研究。

Monte Carlo QM/MM simulation studies of the Cannizzaro reaction in ionic liquids for improved biofuel production.

作者信息

Romero Maria, Kushnir Jamie S, Mochi Bruno, Velez Caroline, Acevedo Orlando

机构信息

Department of Chemistry, University of Miami, Coral Gables, Florida 33146, USA.

出版信息

J Chem Phys. 2024 Aug 28;161(8). doi: 10.1063/5.0222092.

DOI:10.1063/5.0222092
PMID:39206828
Abstract

The conversion of biomass to 5-hydroxymethylfurfural (HMF) holds substantial promise as a renewable energy source. Notably, HMF can be transformed into 2,5-bis(hydroxymethyl)furan (BHMF), a crucial reactant in biofuel production, but requires harsh operating conditions, H2, and precious metal catalysts. A recently reported Cannizzaro reaction of HMF to BHMF, characterized by its efficiency, mild conditions, and eco-friendliness, instead employed ionic liquids (ILs) to achieve high yields. In this study, combined quantum mechanical and molecular mechanical (QM/MM) simulations in conjunction with Metropolis Monte Carlo statistical mechanics and free-energy perturbation theory utilized M06-2X/6-31+G(d), PDDG/PM3, and the OPLS-VSIL force field to uncover important solute-solvent interactions present in the HMF to BHMF reaction pathway. The Cannizzaro reaction was examined in water and in five ILs composed of the 1-butyl-3-methylimidazolium [BMIM] cation coupled to hexafluorophosphate, tetrafluoroborate, thiocyanate, chloride, and bromide. Energetic and structural analysis of the rate-determining hydride transfer between HMF and the hydride-donor anion HMFOH- attributed the enhanced reactivity to highly organized solvent interactions featuring (1) hydrogen bonding between the ring protons of [BMIM] and the negatively charged carbonyl oxygen atoms on the transition structure, (2) favorable electrostatic interactions between the IL anions and solute hydroxyl groups, and (3) beneficial π-π stacking interactions between [BMIM] and the two aromatic rings present in HMF and HMFOH-.

摘要

将生物质转化为5-羟甲基糠醛(HMF)作为一种可再生能源具有巨大的潜力。值得注意的是,HMF可以转化为2,5-双(羟甲基)呋喃(BHMF),这是生物燃料生产中的一种关键反应物,但需要苛刻的操作条件、氢气和贵金属催化剂。最近报道的HMF到BHMF的坎尼扎罗反应,以其效率、温和条件和环境友好性为特征,取而代之的是使用离子液体(ILs)来实现高产率。在本研究中,结合量子力学和分子力学(QM/MM)模拟,以及大都会蒙特卡罗统计力学和自由能微扰理论,利用M06-2X/6-31+G(d)、PDDG/PM3和OPLS-VSIL力场,揭示了HMF到BHMF反应途径中存在的重要溶质-溶剂相互作用。在水中以及由1-丁基-3-甲基咪唑鎓[BMIM]阳离子与六氟磷酸盐、四氟硼酸盐、硫氰酸盐、氯化物和溴化物组成的五种离子液体中对坎尼扎罗反应进行了研究。对HMF与氢化物供体阴离子HMFOH-之间的速率决定氢化物转移进行的能量和结构分析,将反应活性的提高归因于高度有序的溶剂相互作用,其特征包括:(1)[BMIM]的环质子与过渡结构上带负电荷的羰基氧原子之间的氢键;(2)离子液体阴离子与溶质羟基之间有利的静电相互作用;(3)[BMIM]与HMF和HMFOH-中存在的两个芳香环之间有益的π-π堆积相互作用。

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