在無導(dǎo)向基團參與條件下實現(xiàn)高選擇性的碳氫鍵活化，一直是有機化學(xué)領(lǐng)域非常具有挑戰(zhàn)性的課題，而通過氣態(tài)低碳烷烴的碳氫鍵活化將烷烴轉(zhuǎn)化為高附加值的化學(xué)品更是吸引著化學(xué)家的興趣。到現(xiàn)在為止，對氣態(tài)烷烴進行高附加值衍生化的主要手段是預(yù)官能團化以增加其反應(yīng)性。比如，氣態(tài)烷烴可以在高溫（> 500 °C）或者光照下，通過自由基鏈反應(yīng)機理與鹵素反應(yīng)生成鹵代烷，后者可以作為活性中間體參與各種反應(yīng)從而實現(xiàn)烷烴的官能團化。但是該方法的產(chǎn)率往往較低，選擇性較差，所以工業(yè)上必須采用額外的手段進行分離純化，降低了整個流程的經(jīng)濟性（圖1A）。雖然有這些缺點，但是由于目前沒有更好的官能團化氣態(tài)烷烴的手段，該鹵化工藝流程的規(guī)模每年仍在噸級。
和多步工藝相比，通過碳氫鍵選擇性活化直接實現(xiàn)碳氫鍵的官能團化更符合綠色化學(xué)的理念。雖然已有若干直接碳氫鍵活化低碳烷烴的例子，但是這些反應(yīng)往往底物范圍窄、選擇性低或者實際應(yīng)用價值有限。在這個背景下，近期荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)（TU/e）的Timothy No?l教授等研究者發(fā)展了一個通用且溫和的策略，無需預(yù)官能團化，在流動反應(yīng)條件和室溫下使用廉價的十鎢酸四丁基銨（tetrabutylammonium decatungstate, TBADT）為光催化劑，通過氫原子轉(zhuǎn)移（HAT）來活化低碳烷烴（甲烷、乙烷、丙烷和異丁烷）的C(sp3)–H鍵，所得碳中心自由基可被多種邁克爾受體高效捕獲，從而以良好的分離收率和高選擇性產(chǎn)生相應(yīng)的加氫烷基化加合物。該工作發(fā)表在Science 上，共同第一作者為No?l教授課題組研究生Gabriele Laudadio和上?？萍即髮W(xué)與中科院上海高等研究院孫予罕教授課題組聯(lián)合培養(yǎng)研究生鄧宇超（Yuchao Deng）。
圖1. 光催化實現(xiàn)低碳烷烴的C(sp3)–H鍵活化。圖片來源：Science要想實現(xiàn)氣態(tài)低碳烷烴（比如甲烷）的直接碳氫鍵官能團化，至少有以下兩個挑戰(zhàn)。第一，由于沒有鄰近官能團的活化，這些氣態(tài)烷烴的碳氫鍵鍵能往往非常高，將其進行活化非常困難（圖1B）。第二，如何讓氣體反應(yīng)物與催化劑有效接觸？對于簡單的液體或者固體有機物，通過添加溶劑調(diào)節(jié)溶液濃度，可以輕松實現(xiàn)反應(yīng)物與催化劑的接觸，但是氣體在有機溶劑中的溶解度較低，通過配制溶液來獲得有效濃度的方法并不可行。面對這些困難，作者考慮利用激發(fā)態(tài)的鎢催化劑TBADT來活化惰性碳氫鍵，這樣就可以解決高鍵能碳氫鍵不易活化的問題。同時，他們設(shè)想利用流動反應(yīng)裝置來解決氣體反應(yīng)物在有機溶劑中低溶解度的問題。另外，通過額外增加反應(yīng)壓力，提高溶解在液相中的氣態(tài)烷烴含量，可以提高其有效濃度，從而更快的參與反應(yīng)。需要強調(diào)的是，利用流動反應(yīng)器可以使反應(yīng)裝置微型化，從而降低這些易燃氣體可能帶來的各種安全風(fēng)險（圖1C）。自上世紀80年代以來，Emory大學(xué)的Craig Hill課題組就開始利用聚鎢酸陰離子作為光敏劑來實現(xiàn)光解水以及簡單烷烴的氧化。隨后，許多課題組進入這個領(lǐng)域，開始利用該催化劑實現(xiàn)更復(fù)雜的碳氫鍵官能團化。比如，普林斯頓大學(xué)Sorensen 課題組利用該催化劑實現(xiàn)了飽和烷烴的脫氫化反應(yīng)，加拿大Simon Fraser大學(xué)Britton組利用該催化劑實現(xiàn)了碳氫鍵的氟化反應(yīng)，普林斯頓大學(xué)MacMillan組則實現(xiàn)了碳氫鍵的芳基化和三氟甲基化。雖然該催化劑已經(jīng)被成功用于多種反應(yīng)，但是用于活化氣態(tài)烷烴的例子卻未有報道。有意思的是，這些反應(yīng)都經(jīng)過了一個相同的反應(yīng)機理，即通過激發(fā)態(tài)的鎢酸陰離子將碳氫鍵轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的碳自由基。在不同自由基受體的存在下，碳自由基可以參與不同類型的反應(yīng)從而實現(xiàn)不同的碳氫鍵官能團化?？紤]到這些反應(yīng)都經(jīng)過自由基中間體，為了快速驗證作者利用其活化氣態(tài)烷烴的設(shè)想，在先前報道的標準光照條件下，作者利用TEMPO對異丁烷、丙烷、乙烷和甲烷分別進行了自由基捕捉實驗。結(jié)果表明，所有氣態(tài)烷烴都能和TEMPO形成新的碳氧鍵（圖1D）。這樣就證明了這些氣態(tài)烷烴也能被激發(fā)態(tài)的聚鎢酸催化劑轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的碳自由基。
圖2. 實驗中所用的流動反應(yīng)裝置。圖片來源：TU/e在此基礎(chǔ)上，作者進一步優(yōu)化了反應(yīng)條件。他們首先利用異丁烷作為自由基前體、苯亞甲基丙二腈為自由基受體、TBADT為光催化劑、乙腈和水（7：1）作為反應(yīng)溶液進行反應(yīng)。由于TBADT不能被可見光（> 400 nm）激發(fā)，他們利用了365 nm波長的發(fā)光二極管作為光源。為了確保反應(yīng)的可重復(fù)性，他們使用了商品化的光反應(yīng)流動裝置。通過一系列優(yōu)化，他們發(fā)現(xiàn)利用1 mol%的光催化劑TBADT，能以91%的分離收率得到目標產(chǎn)物。在最優(yōu)條件下，作者進一步研究了該反應(yīng)的底物范圍（圖3）。除了苯亞甲基丙二腈，其他具有不同電性和位阻的自由基受體也能參與該反應(yīng)，以非常好的位置選擇性和收率（82%-93%）得到目標產(chǎn)物。另外，丙烷（液化石油氣的主要成分）、乙烷甚至甲烷也能作為自由基前體參與該反應(yīng)。對于含有多種氫原子的氣態(tài)烷烴，反應(yīng)會生成碳氫鍵官能團化的混合物。值得指出的是，由于甲烷的超級穩(wěn)定性，作者對其標準反應(yīng)條件做了一定調(diào)整，即反應(yīng)催化劑的量從1 mol%提高到5 mol%，同時反應(yīng)的壓力也由10 bar提高到45 bar。此外，作者將乙腈溶劑更換為氘代乙腈，以減少溶劑參與的氫原子轉(zhuǎn)移副反應(yīng)。顯然，用氘代溶劑并不是一個經(jīng)濟可行的方案，作者正在嘗試用更廉價、綠色環(huán)保的溶劑來取代氘代乙腈，相關(guān)研究正在進行中。
圖3. 反應(yīng)底物范圍研究。圖片來源：Science在之前類似工作的基礎(chǔ)上，作者提出了一個可能的反應(yīng)機理：在365 nm紫外光照射下，鎢酸陰離子被激發(fā)；激發(fā)態(tài)的鎢酸陰離子可以從氣態(tài)低碳烷烴中攫取一個氫原子生成碳自由基，從而實現(xiàn)底物的碳氫鍵活化，而鎢酸陰離子催化劑則變?yōu)楹幸粋€氫原子的鎢酸陰離子（H+[W10O32]5-）；隨后，該碳自由基被自由基捕捉劑捕獲生成新的碳碳鍵，后者從H+[W10O32]5-中得到一個氫原子轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物，同時鎢酸陰離子也實現(xiàn)了催化循環(huán)（圖4A）。另外，作者發(fā)現(xiàn)反應(yīng)光源的光強對該反應(yīng)的影響非常大。在32 W UV-A發(fā)光二極管光源下，丙烷的反應(yīng)非常緩慢。當用60 W UV-A 發(fā)光二極管光源時，反應(yīng)效率則大大提高。對于甲烷的活化，反應(yīng)則需要用150 W的強光（圖4B）。
圖4. 反應(yīng)可能的機理及光強對反應(yīng)效率的影響。圖片來源：Science
考慮到鎢酸鹽光催化劑制備簡單、價格便宜，反應(yīng)原料廉價易得，而且反應(yīng)條件溫和，作者認為該反應(yīng)是衍生化氣態(tài)低碳烷烴生產(chǎn)更高價值化學(xué)品的理想方法。作者在文章最后也提到，雖然光反應(yīng)往往容易受到反應(yīng)規(guī)模的限制，但是如果使用加強版反應(yīng)容器，比如光旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器（photo-spinning disk reactor），該反應(yīng)的產(chǎn)能將會大大提高。
C(sp3)–H functionalizations of light hydrocarbons using decatungstate photocatalysis in flow
Gabriele Laudadio, Yuchao Deng, Klaas van der Wal, Davide Ravelli, Manuel Nu?o, Maurizio Fagnoni, Duncan Guthrie, Yuhan Sun, Timothy No?l
Science, 2020, 369, 92-96, DOI: 10.1126/science.abb4688
