Science：廉价光催化剂也可实现气态烷烃C(sp3)–H键活化

在无导向基团参与条件下实现高选择性的碳氢键活化，一直是有机化学领域非常具有挑战性的课题，而通过气态低碳烷烃的碳氢键活化将烷烃转化为高附加值的化学品更是吸引着化学家的兴趣。到现在为止，对气态烷烃进行高附加值衍生化的主要手段是预官能团化以增加其反应性。比如，气态烷烃可以在高温（> 500 °C）或者光照下，通过自由基链反应机理与卤素反应生成卤代烷，后者可以作为活性中间体参与各种反应从而实现烷烃的官能团化。但是该方法的产率往往较低，选择性较差，所以工业上必须采用额外的手段进行分离纯化，降低了整个流程的经济性（图1A）。虽然有这些缺点，但是由于目前没有更好的官能团化气态烷烃的手段，该卤化工艺流程的规模每年仍在吨级。

和多步工艺相比，通过碳氢键选择性活化直接实现碳氢键的官能团化更符合绿色化学的理念。虽然已有若干直接碳氢键活化低碳烷烃的例子，但是这些反应往往底物范围窄、选择性低或者实际应用价值有限。在这个背景下，近期荷兰埃因霍芬理工大学（TU/e）的Timothy Noël教授等研究者发展了一个通用且温和的策略，无需预官能团化，在流动反应条件和室温下使用廉价的十钨酸四丁基铵（tetrabutylammonium decatungstate, TBADT）为光催化剂，通过氢原子转移（HAT）来活化低碳烷烃（甲烷、乙烷、丙烷和异丁烷）的C(sp³)–H键，所得碳中心自由基可被多种迈克尔受体高效捕获，从而以良好的分离收率和高选择性产生相应的加氢烷基化加合物。该工作发表在Science 上，共同第一作者为Noël教授课题组研究生Gabriele Laudadio和上海科技大学与中科院上海高等研究院孙予罕教授课题组联合培养研究生邓宇超（Yuchao Deng）。

图1. 光催化实现低碳烷烃的C(sp³)–H键活化。图片来源：Science

要想实现气态低碳烷烃（比如甲烷）的直接碳氢键官能团化，至少有以下两个挑战。第一，由于没有邻近官能团的活化，这些气态烷烃的碳氢键键能往往非常高，将其进行活化非常困难（图1B）。第二，如何让气体反应物与催化剂有效接触？对于简单的液体或者固体有机物，通过添加溶剂调节溶液浓度，可以轻松实现反应物与催化剂的接触，但是气体在有机溶剂中的溶解度较低，通过配制溶液来获得有效浓度的方法并不可行。面对这些困难，作者考虑利用激发态的钨催化剂TBADT来活化惰性碳氢键，这样就可以解决高键能碳氢键不易活化的问题。同时，他们设想利用流动反应装置来解决气体反应物在有机溶剂中低溶解度的问题。另外，通过额外增加反应压力，提高溶解在液相中的气态烷烃含量，可以提高其有效浓度，从而更快的参与反应。需要强调的是，利用流动反应器可以使反应装置微型化，从而降低这些易燃气体可能带来的各种安全风险（图1C）。

自上世纪80年代以来，Emory大学的Craig Hill课题组就开始利用聚钨酸阴离子作为光敏剂来实现光解水以及简单烷烃的氧化。随后，许多课题组进入这个领域，开始利用该催化剂实现更复杂的碳氢键官能团化。比如，普林斯顿大学Sorensen 课题组利用该催化剂实现了饱和烷烃的脱氢化反应，加拿大Simon Fraser大学Britton组利用该催化剂实现了碳氢键的氟化反应，普林斯顿大学MacMillan组则实现了碳氢键的芳基化和三氟甲基化。虽然该催化剂已经被成功用于多种反应，但是用于活化气态烷烃的例子却未有报道。有意思的是，这些反应都经过了一个相同的反应机理，即通过激发态的钨酸阴离子将碳氢键转化为相应的碳自由基。在不同自由基受体的存在下，碳自由基可以参与不同类型的反应从而实现不同的碳氢键官能团化。考虑到这些反应都经过自由基中间体，为了快速验证作者利用其活化气态烷烃的设想，在先前报道的标准光照条件下，作者利用TEMPO对异丁烷、丙烷、乙烷和甲烷分别进行了自由基捕捉实验。结果表明，所有气态烷烃都能和TEMPO形成新的碳氧键（图1D）。这样就证明了这些气态烷烃也能被激发态的聚钨酸催化剂转化为相应的碳自由基。

图2. 实验中所用的流动反应装置。图片来源：TU/e

在此基础上，作者进一步优化了反应条件。他们首先利用异丁烷作为自由基前体、苯亚甲基丙二腈为自由基受体、TBADT为光催化剂、乙腈和水（7：1）作为反应溶液进行反应。由于TBADT不能被可见光（> 400 nm）激发，他们利用了365 nm波长的发光二极管作为光源。为了确保反应的可重复性，他们使用了商品化的光反应流动装置。通过一系列优化，他们发现利用1 mol%的光催化剂TBADT，能以91%的分离收率得到目标产物。

在最优条件下，作者进一步研究了该反应的底物范围（图3）。除了苯亚甲基丙二腈，其他具有不同电性和位阻的自由基受体也能参与该反应，以非常好的位置选择性和收率（82%-93%）得到目标产物。另外，丙烷（液化石油气的主要成分）、乙烷甚至甲烷也能作为自由基前体参与该反应。对于含有多种氢原子的气态烷烃，反应会生成碳氢键官能团化的混合物。值得指出的是，由于甲烷的超级稳定性，作者对其标准反应条件做了一定调整，即反应催化剂的量从1 mol%提高到5 mol%，同时反应的压力也由10 bar提高到45 bar。此外，作者将乙腈溶剂更换为氘代乙腈，以减少溶剂参与的氢原子转移副反应。显然，用氘代溶剂并不是一个经济可行的方案，作者正在尝试用更廉价、绿色环保的溶剂来取代氘代乙腈，相关研究正在进行中。

图3. 反应底物范围研究。图片来源：Science

在之前类似工作的基础上，作者提出了一个可能的反应机理：在365 nm紫外光照射下，钨酸阴离子被激发；激发态的钨酸阴离子可以从气态低碳烷烃中攫取一个氢原子生成碳自由基，从而实现底物的碳氢键活化，而钨酸阴离子催化剂则变为含有一个氢原子的钨酸阴离子（H⁺[W₁₀O₃₂]^5-）；随后，该碳自由基被自由基捕捉剂捕获生成新的碳碳键，后者从H⁺[W₁₀O₃₂]^5-中得到一个氢原子转化为最终产物，同时钨酸阴离子也实现了催化循环（图4A）。另外，作者发现反应光源的光强对该反应的影响非常大。在32 W UV-A发光二极管光源下，丙烷的反应非常缓慢。当用60 W UV-A 发光二极管光源时，反应效率则大大提高。对于甲烷的活化，反应则需要用150 W的强光（图4B）。

图4. 反应可能的机理及光强对反应效率的影响。图片来源：Science

总结

考虑到钨酸盐光催化剂制备简单、价格便宜，反应原料廉价易得，而且反应条件温和，作者认为该反应是衍生化气态低碳烷烃生产更高价值化学品的理想方法。作者在文章最后也提到，虽然光反应往往容易受到反应规模的限制，但是如果使用加强版反应容器，比如光旋转反应器（photo-spinning disk reactor），该反应的产能将会大大提高。

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C(sp³)–H functionalizations of light hydrocarbons using decatungstate photocatalysis in flow

Gabriele Laudadio, Yuchao Deng, Klaas van der Wal, Davide Ravelli, Manuel Nuño, Maurizio Fagnoni, Duncan Guthrie, Yuhan Sun, Timothy Noël

Science, 2020, 369, 92-96, DOI: 10.1126/science.abb4688

（本文由波纹供稿）