“铈”在必得：上科大左智伟团队Science报道光促进的甲烷常温选择性官能化

随着近年来海洋中天然气水合物（即俗称的“可燃冰”）的大量探测发现以及页岩气、油田气、煤层气等开采技术的进步，储量丰富、价格低廉的天然气利用方式已不仅仅局限于作为燃料。对天然气的主要成分甲烷进行直接化学转化，生产高附加值化工产品，无疑可以更高效地利用资源。然而，甲烷这种化学中最小的有机分子相对稳定，如何选择性实现其碳氢键的活化一直是化学领域的重大挑战之一。究其原因，主要是由于相比于其他有机分子中的碳氢键（如催化体系中的产品分子和溶剂分子等），甲烷分子的碳氢键具有更高键能和更弱极化性，因此如何实现甲烷的高选择性转化而不发生产品和溶剂的过度官能化则成了甲烷活化中最大的难题。另一方面，气体在有机溶剂分子中的低溶解度也给甲烷活化的实际操作带来了挑战。利用新发展的催化技术来解决这一能源化工难题吸引了众多化学家的关注，目前该领域已取得很多进展（Chem. Rev., 2017, 117, 8521-8573）。例如，2016年Science 杂志上以背靠背的形式连续报道了两篇甲烷硼化反应的突破性工作（Science, 2016, 351, 1421-1424; Science, 2016, 351, 1424-1427，点击阅读相关）。美国科学院院士、密西根大学化学系教授Melanie Sanford 课题组和宾州大学化学系 Daniel Mindiola 教授及合作者，通过巧妙的配体设计，利用铑、钌、铱等贵金属在150 ℃条件下成功实现了甲烷分子的直接硼化反应。这两个催化体系具有很高的选择性和令人满意的催化效率。尽管如此，到目前为止，甲烷的直接转化反应一般需要依赖昂贵的过渡金属（铂、钯等）做催化剂，以及高温等剧烈条件。如何发展高效、廉价的催化体系，实现温和条件下的甲烷活化，进而满足工业中环保和经济性的要求，仍是化学家们不懈追求的目标。

光促氧化还原催化（Photoredox catalysis）在过去的十年中得到了迅速的发展。该催化模式利用催化剂将光能转化为化学能，在温和的条件下实现有机分子的高效活化，进而实现一些之前较难实现的选择性化学转化（C. R. J. Stephenson, T. P. Yoon, D. W. C. MacMillan, Visible Light Photocatalysis in Organic Chemistry. (Wiley, 2018)）。例如，利用光促进的氢原子转移途径（HAT），可实现温和条件下烷烃碳氢键的选择性官能化反应，尤其在复杂有机分子碳氢键官能化反应中展现了独特的反应活性和选择性（Science, 2015, 349, 1532-1536; Science, 2016, 352, 1304-1308; Nature, 2016, 539, 268-271; Nature, 2016, 539, 272-275）。但是受甲烷碳氢键键能的限制（碳氢键键解离能105 kcal/mol），利用光能实现甲烷活化是一大挑战。

最近，上海科技大学物质科学与技术学院的左智伟（点击查看介绍）课题组在光促进甲烷转化方向取得突破性进展。他们开创性的发展了廉价、高效的铈盐/醇的协同催化体系，利用光能即可在室温条件下将甲烷一步转化为高附加值的液态产品。这一基础领域的突破性进展为甲烷转化成高附加值的化工产品提供了高效且经济环保的解决方案。北京时间2018年7月27日，这一重大科研成果在线发表于顶级学术期刊Science 上，论文四位作者全部来自上海科技大学物质科学与技术学院：博士后胡安华、郭婧婧为共同第一作者，2016级硕博连读研究生潘辉为第二作者，左智伟教授为通讯作者。上海科技大学为唯一通讯单位。这一研究工作得到了国家自然科学基金委的资助。

论文作者（从左至右）：胡安华博士、左智伟教授、潘辉、郭婧婧博士。图片来源：左智伟课题组

反应机理示意图。图片来源：上海科技大学

左智伟课题组一直致力于开发廉价、可持续的金属催化剂来发展更具实用性的光促催化反应。铈在我国的稀土资源中储量丰富，占比约百分之五十，其低廉的价格和独特的光物理性质吸引了他们的注意。通过对其高价态的独特电子结构的分析，他们认定铈复合物具有的配体到金属电子跃迁途径（ligand-to-metal charge transfer, LMCT）可以作为发展新型光催化剂的重要契机。在光促进氧化还原反应中，迄今被广泛采用的是通过光促金属到配体的电子跃迁途径（metal-to-ligand charge transfer, MLCT）将光能转化成化学能。在MLCT途径中，光激发的铱、钌等金属催化剂要历经系间跃迁（ISC）和外层电子传递才能实现有机分子的单电子氧化，从能量利用的角度，ISC过程造成了催化剂吸收光能的部分损失。而在LMCT途径中，在光照后即诱发配位键均裂形成有机自由基物种，减少中间态从而能最大限度的利用光能来实现有机分子的单电子氧化。对于具有高氧化电势的化合物，如醇类化合物，LMCT无疑是一种直接形成高能烷氧自由基的高效活化手段。

图1. 催化反应中光促化学过程比较。图片来源：上科大网站

2016年，左智伟课题组实现了光促LMCT催化的首次突破。利用普通的LED光源和廉价的三氯化铈为催化剂，在室温条件下他们实现了一系列仲醇类化合物的高选择性碳碳键断裂-胺化反应（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 15319-15322）。2017年，左智伟课题组进一步将该体系拓展到伯醇的直接活化（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 1612-1616）。在光照室温条件下，以廉价的铈化合物为催化剂，一系列伯醇被直接活化形成高活性烷氧自由基，通过分子内1,5-氢迁移（1,5-HAT）进而实现了醇类化合物的高选择性远程胺化反应，这是对经典的Barton远程官能化反应现代化应用的一大补充。

图2. 铈催化的醇类化合物的直接转化。图片来源：上科大网站

在前期工作的基础上，他们进一步提出了光促甲烷活化的大胆设想。他们推断，利用LMCT催化模式，在铈催化剂作用下，普通的醇能在光照条件下形成高能烷氧自由基，该烷氧自由基可发生氢转移途径选择性活化甲烷形成相应的甲基自由基。甲基自由基和自由基捕获试剂（偶氮类化合物）发生偶联反应，进一步通过和三价铈复合物的单电子还原过程形成最终产物甲基肼，同时也完成了铈的催化循环。

图3. 光促铈催化的甲烷碳氢键胺化反应。图片来源：Science

经过四个多月的两千多次尝试，左智伟课题组最终找到了一个非常高效、廉价的甲烷活化体系。在三氟甲磺酸铈和三氯乙醇的协同催化作用下，利用光照在室温条件下即可以成功实现甲烷的选择性胺化反应，催化剂转化数（TON）高达2900。天然气中的另一常见组分乙烷也能够被高收率、高效的转化为胺类化合物，TON高达9700。值得指出的是，利用该催化体系，还能实现甲烷的高效、高选择性的烷基化、芳基化等一系列转化反应。令人兴奋的是，除了催化剂的廉价性、转化的多样性等优势之外，这一催化体系还可以通过改变作为HAT催化剂的醇化合物的结构来调控烷氧自由基的电性，进而实现对多类型碳氢键的区域选择性调控。液化石油气中的主要成分，丙烷、丁烷分子中存在伯、仲两种不同取代类型的碳氢键，由于它们的反应活性十分接近，实现高选择性的丙烷、丁烷转化也成为了一大难题。左智伟课题组的研究发现，利用普通的甲醇作为HAT催化剂，就能实现高区域选择性的丙烷、丁烷的胺化反应。

图4. 光促铈催化的气态烷烃碳氢键胺化反应。图片来源：Science

光促有机反应在应用中的一大难题是如何实现规模化放大。一般随着反应规模增大和溶剂体积增加，光子的利用率会大大降低，反应的转化率和催化效率也会随之下降。相比于普通的单相溶液反应，气液两相反应更进一步加大了放大反应的难度。左智伟课题组采用流动化学的技术，利用康宁的玻璃微反应器技术，成功实现了甲烷、乙烷等气体参与的气液两相流动光化学反应，得到了令人满意的转化效率，为这一催化体系的放大应用打下了基础。

图5. 气态烷烃碳氢键胺化反应在流动反应器中的放大应用。图片来源：Science

这一温和、高效、廉价的甲烷活化催化体系的成功发展引起了国际国内众多化学家的高度赞誉。著名有机化学家、中国科学院院士、中国科学院上海有机化学研究所所长丁奎岭院士认为，“甲烷分子的碳氢键活化和官能化是涉及能源和化工过程最基本的化学反应之一，由于甲烷分子中碳氢键的高度稳定性和弱极性，它的转化极具挑战性，通常需要高温高压等苛刻的反应条件，因此如何在温和条件下实现甲烷分子碳氢键的官能化，被认为是化学中的圣杯。左智伟课题组的工作代表了甲烷转化研究中的一个新的重大突破，通过精妙的催化反应设计，利用光的促进作用，在室温下实现了甲烷分子的转化，为甲烷的资源化和高值化利用开辟了一条新的途径。”

现代光促氧化还原催化的开创者之一、美国国家科学院院士、普林斯顿大学杰出校聘教授David MacMillan评价说，“左智伟课题组取得了一个惊人的突破。过去十年中，光促氧化还原催化领域出现的许多研究方向都对我们的社会产生了重要的影响。这一新的研究成果又开创了一个甲烷活化的新方向，他们发展的LMCT 催化方法将在医药、农业化学品和精细化工等行业中有着毋庸置疑的应用潜力。这是一个来自中国的年轻研究小组所完成的一项将在世界范围内产生广泛影响的工作，我十分期待他们的下一个突破。”

荷兰壳牌石油公司的新能源技术资深首席科学家Alexander van der Made和甲烷转化项目经理Sander Van Bavel一致认为，“在烷烃活化领域，这一工作是优异和精巧化学设计的体现。更重要的是，这一发现标志着，我们已经在温和条件下烷烃的绿色转化道路上迈出了关键一步。最终，这一方向的发展将能为化学工业充分利用甲烷这一丰富的自然资源提供解决方案。”

总之，这一催化体系的普适性和多样性给化学家提供了一个非常好的天然气转化利用的催化平台，有望推进该领域研究工作的进一步发展。而且，LMCT催化模式的深入研究和推广也将给我国稀土资源的高价值利用提供新的思路和前景。

注1：部分图片、文字及评论引用来源于上海科技大学官网。

注2：左智伟课题组正在招聘博士后、研究助理教授，有意者请点击阅读招聘启事

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Selective functionalization of methane, ethane, and higher alkanes by cerium photocatalysis

Anhua Hu, Jing-Jing Guo, Hui Pan, Zhiwei Zuo

Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aat9750

导师介绍

左智伟

http://www.x-mol.com/university/faculty/21525

课题组链接

http://spst.shanghaitech.edu.cn/2018/0301/c2349a17023/page.htm

上海科技大学官网新闻：

http://www.shanghaitech.edu.cn/2018/0727/c1001a30496/page.htm

（非常感谢论文作者对本报道的支持！）