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大连理工大学金云鹤/段春迎 | “照”铁成金:铁/光联合催化轻质烷烃直接功能化研究

在自然界中,轻质烷烃分布广泛且含量丰富。目前,这种储量巨大、成本低廉的有机碳源通常作为燃料供能使用,增加碳排放的同时,经济价值也不甚突出,而其在有机合成中的应用尚未被充分开发。由于轻质烷烃固有的惰性、不可控的化学选择性以及气态烷烃在大多数溶剂中的低溶解度,使其C(sp3)-H键活化困难重重,该过程曾被誉为合成化学的“圣杯”。近年来,通过均相催化反应将天然烷烃转化为增值精细化学品所带来的经济和生态效益引起了人们的极大关注,同时也带来了巨大科学挑战。因此,开发在温和条件下能够实现C(sp3)-H功能化的简单高效绿色的催化体系就显得至关重要。铁元素作为地壳元素分布中占比最高的过渡金属元素,具有廉价易得、生物毒性低等优势,因此其催化反应研究一直备受关注。


近日,大连理工大学张大煜学院段春迎点击查看介绍)教授、金云鹤点击查看介绍)特聘助理教授课题组报道了一种绿色高效的光诱导铁催化体系,能够在常温常压下将包括乙烷、丙烷等气态烷烃在内的轻质烷烃C(sp3)-H键转化为多种高附加值化合物。该方法利用廉价过渡金属盐FeCl3代替传统光敏剂,利用Fe-Cl配合物在光诱导下发生的配体到金属电荷转移 (LMCT) 过程,替代传统氧化还原过程产生氯自由基,继而利用氢转移 (HAT) 过程实现轻质烷烃的碳氢活化,快速高效的将C(sp3)-H键转化为C-N和C-C键(图1)。该催化体系相比于传统C(sp3)-H键功能化体系,具有底物范围广泛,适用性较强,催化剂价格低廉(¥80/kg),易于分离纯化及放大合成等诸多优势。

图1. 光诱导LMCT/HAT过程实现轻质烷烃C(sp3)-H功能化。图片来源:Green Chem.


文中对该方法的底物适用性进行了充分研究(图2)。对于烷烃类底物,常规液态及固态烷烃均适用于该体系,包括乙烷在内的气态烷烃也同样适用,此外,含有芳烃、醚键、氨基、羰基、卤素等多种类型官能团的底物也能够高效获得对应的C(sp3)-H活化产物。该方法同样对不同的自由基捕获剂展开研究,并发现丙烯酸酯、丙烯酰胺、丙烯腈、乙烯基砜及偶氮类化合物等多种类型的自由基捕获剂均适用于该体系,为烷烃底物的C(sp3)-H功能化提供了多种选择。值得一提的是,由于该催化体系中多数反应产率较高,副产物极少,因此通过简单的水洗萃取,无需层析便可实现目标产物的提纯(图2中示),这为该反应的放大合成及应用拓展提供了诸多便利。

图2. 底物适用性研究。图片来源:Green Chem.


通过大量的机理研究实验,作者提出了可能的反应机理(图3)。首先,通过紫外-可见吸收光谱研究、荧光淬灭实验及DFT计算,作者充分证明了Fe(III)-Cl配合物能够受光激发,发生LMCT过程生成中间体Fe(II)配合物和高活性的氯自由基。接下来,氯自由基与烷烃发生HAT过程攫取氢原子,生成相应的烷基自由基和HCl,EPR实验及自由基捕获实验均验证了氯自由基和碳自由基的生成。之后烷基自由基被自由基捕获剂DBAD捕获,生成一个新的氮自由基。相较于其他催化体系,Fe(II)配合物中间体具有较高的还原性和配位能力,可以有效加速氮自由基与Fe(II)配合物之间的单电子转移(SET)过程,完成催化剂循环并释放最终C-N功能化产物。量子产率测试结果证明在该反应体系中自由基链式反应对产物的生成作用不大,而KIE实验证明HAT过程并非该反应的决速步(rate-determining step),但对最终产物的生成有一定的决定作用(product-determining step)。

图3. 作者推测的反应机理。图片来源:Green Chem.


综上,该课题组开发了一种高效、绿色、简洁的铁/光协同催化轻质烷烃C(sp3)-H功能化体系,能够通过氯自由基介导,有效实现天然烷烃向高附加值产品的转化过程,具有广泛的应用前景。该研究成果近期发表在Green Chemistry上。论文共同第一作者为大连理工大学张大煜学院博士研究生张晴晴,通讯作者为段春迎教授和金云鹤特聘助理教授。


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):

Convenient C(sp3)-H bond functionalisation of light alkanes and other compounds by iron photocatalysis

Yunhe Jin, Qingqing Zhang, Lifang Wang, Xinyao Wang, Changgong Meng, Chunying Duan

Green Chem., 2021, DOI: 10.1039/D1GC01563J


金云鹤

http://faculty.dlut.edu.cn/jinyunhe/zh_CN/index/1066226/list/index.htm 

https://www.x-mol.com/university/faculty/224240 

段春迎

http://faculty.dlut.edu.cn/Chunying_Duan/zh_CN/index.htm 

https://www.x-mol.com/university/faculty/254271 


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