具体描述
- Provides an up-to-date review of all aspects of supported metal catalysts for those working in the fieldbull; Provides newcomers, including research students, with an overview of the fundamentals associated with preparation, characterisation, theoretical aspects and applicationsbull; Acts as a valuable resource of referenced material for developments up to 2004
催化领域的革新与前沿：一个聚焦于新型无金属催化体系的深度探索 图书名称： 《无金属催化：从基础原理到绿色应用》 本书简介： 在现代化学工业和材料科学的广阔图景中，催化剂扮演着无可替代的核心角色。长久以来，贵金属和过渡金属催化剂因其卓越的活性和选择性，一直是该领域研究的主流方向。然而，面对日益严峻的资源稀缺性、成本高昂、以及环境毒性等挑战，开发高效、稳定且环境友好的无金属（Metal-Free）催化体系已成为全球化学界面临的重大科学命题和技术瓶颈。 本书《无金属催化：从基础原理到绿色应用》，旨在提供一个全面、深入且极具前瞻性的视角，系统性地梳理和剖析当前无金属催化领域的最新进展、核心机理和未来潜力。我们坚信，通过精确调控有机分子、共价有机框架（COFs）、无定形碳材料以及新兴的单原子/团簇有机骨架（如Covalent Organic Frameworks (COFs) 和 Porous Organic Polymers (POPs)）的电子结构和空间构型，可以实现对传统金属催化剂功能的高度模仿乃至超越。 全书共分为六大部分，层层递进，力求构建一个从微观理论到宏观实践的完整知识体系： --- 第一部分：无金属催化的理论基石与研究范式转变 (The Theoretical Foundation and Paradigm Shift) 本部分将首先为读者建立理解无金属催化剂的理论框架。我们不再局限于金属d轨道参与的配位和氧化还原循环，而是深入探讨有机活性位点（如路易斯酸/碱中心、自由基、氢键供体/受体、$pi-pi$ 堆积作用以及非经典共轭效应）的电子态调控。 我们将详述量子化学计算在预测和解释无金属催化反应过渡态中的关键作用，特别是如何利用密度泛函理论（DFT）精确模拟有机分子间的电子转移和能量势垒。此外，本部分还将重点讨论“活性位点工程”在无金属体系中的特殊含义——如何通过精确的官能团引入、取代基效应或拓扑结构设计，来稳定反应中间体（如碳正离子或有机自由基），从而替代金属离子的稳定作用。 --- 第二部分：有机小分子催化剂的精准调控 (Precise Modulation of Small-Molecule Organic Catalysts) 有机小分子催化（Organocatalysis）是无金属催化的重要分支。本章将聚焦于不对称有机催化领域的前沿突破。 详细介绍经典的胺类催化（如脯氨酸及其衍生物）、硫脲/硫代脲催化剂的最新应用，并着重分析新兴的N-杂环卡宾（NHCs）作为强路易斯碱的应用拓展。重点讨论如何利用手性骨架设计，实现对反应对映选择性和非对映选择性的极致控制。我们不仅关注其在C-C键、C-N键形成反应中的应用，更深入探讨其在涉及复杂生物分子合成中的潜力，例如对天然产物全合成路线的简化贡献。 --- 第三部分：多孔有机框架材料的结构与功能集成 (Structure-Function Integration in Porous Organic Frameworks) 多孔有机聚合物（POPs）和共价有机框架（COFs）代表了无金属催化剂在多相催化领域最令人兴奋的进展。这些材料以其高比表面积、结构明确性和可调孔道环境，为固定化活性位点提供了理想的平台。 本章将详细阐述如何通过不同的缩合反应（如席夫碱反应、硼酸酯化反应）构筑具有特定孔径和化学环境的COFs/POPs。关键内容包括： 1. 活性位点嵌入： 如何在骨架合成过程中直接引入路易斯酸性位点（如硼酸基团）或光催化活性基团。 2. 光催化活性： 探讨基于$pi$共轭体系的有机框架作为有机光敏剂，驱动自由基反应或氧化还原过程的机理与效率提升。 3. 尺寸限制效应： 分析孔道尺寸对反应物扩散、产物选择性以及稳定性的影响，实现类似“纳米反应器”的功能。 --- 第四部分：碳基材料的界面工程与催化转化 (Interface Engineering of Carbonaceous Materials for Catalytic Transformation) 碳基材料（如石墨烯、碳纳米管、分级多孔碳）因其优异的导电性和化学稳定性，正被重新定义为高性能无金属催化剂载体。本书将超越传统的“惰性载体”概念。 我们将深入探讨杂原子掺杂碳材料（如氮掺杂、硼掺杂碳）的电子结构重构。重点分析不同掺杂位点（吡啶性氮、石墨态氮、空位缺陷）如何产生独特的电子口袋，充当路易斯酸/碱中心，特别是它们在氧还原反应（ORR）和二氧化碳还原反应（CO2RR）中作为电催化剂的潜能。此外，我们还将介绍通过热解、活化等手段对碳材料表面进行“官能化”，以诱导产生稳定且高效的有机自由基物种，用于复杂的有机转化。 --- 第五部分：生物启发与仿生无金属催化 (Bio-Inspired and Biomimetic Metal-Free Catalysis) 生命系统中的酶催化作用，本质上是高度精密的无金属催化过程。本部分将借鉴生物化学的智慧，设计具有更高效率和选择性的合成催化剂。 重点关注非血红素酶（Non-Heme Enzymes）中活性铁原子周围的氨基酸残基如何激活氧分子或底物的原理。我们将探讨如何利用模仿天然酶活性中心的多功能有机支架，精确排列氨基酸侧链或仿生结构单元，实现对双官能团协同催化的模拟，例如模仿过氧化氢酶的催化循环，实现温和条件下的氧化反应。 --- 第六部分：绿色化工与可持续发展中的无金属催化实践 (Practical Applications in Green Chemistry and Sustainable Development) 本书的最后部分，将理论和材料推向实际工业应用场景，侧重于“绿色化学”的十二项原则。 详述无金属催化剂在以下关键领域的突破： 1. 水相反应： 开发能够在水相中稳定存在并高效催化有机反应的亲水性有机催化剂或水溶性COFs。 2. 光驱动转化： 聚焦于利用可见光作为清洁能源驱动的无金属光催化体系，实现室温下的惰性键活化（如C-H键官能化）。 3. 环境修复： 讨论高性能碳基或聚合物催化剂在降解水中有机污染物（如抗生素、染料）中的应用前景，强调其易回收和可重复使用的优势。 通过对这些前沿内容的系统梳理与深入剖析，《无金属催化：从基础原理到绿色应用》将成为化学、材料科学、化学工程及相关领域的研究人员、工程师和高年级学生不可或缺的参考书，指引下一代催化科学的发展方向，加速迈向资源节约型和环境友好的可持续化学制造时代。
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