- A+
简单烷烃的直接功能化/活化是个相当难做的问题，一方面，简单烷烃的C-H键能较高，难以极化；另一方面，C-H键的氧化性很弱，难以像C-X（X=Cl, Br, I）键那样和低价金属发生氧化加成，即使能形成抓氢键，但是有时会生成β-H消除的产物。因此尽管Pd，Rh，Ir等金属配合物的碳氢活化现象已经被广泛地报道，然而大部分这些反应都需要导向基进行辅助，而且要使用当量氧化剂氧化金属中心，因此基于传统的金属有机体系实现简单烷烃的无导向基活化依旧是非常具有挑战性的问题。在这方面，Emory大学的Davies教授做了相当精彩的工作：他们使用了自己课题组之前发展的双核Rh催化剂，通过巧妙的设计配体可实现戊烷的高选择性无导向基sp3 C-H活化（ref 1,2）（一作都是鸭大化院校友……然而这不是我要讨论的问题）可以说是金属有机化学在这个问题上为数不多的成功结果之二。
通常来说，C1-C4烷烃的活化大多经过相当苛刻且复杂的过程得到其官能团化的产物，这些过程通常需要较高的压力和温度，贵金属催化剂，而由于绝大部分溶剂都不能溶解C1-C4的低级烷烃，巨大的传质阻力极大限制了这些方法的工业应用（ref 3）。另外，由于低级烷烃C-H键惰性太强，以至于相当大的一部分溶剂都有比底物还高的反应活性，因此控制溶剂参与反应的副产物是相当严峻的问题。为了克服这些金属有机体系固有的缺点，有必要发展新的方法学以实现无导向基高选择性的低级烷烃活化。
近年来，可见光促进的氧化还原催化反应逐渐受到关注（很多人开始灌这个了）。这类光催化剂的一个显著特点就是使用具有长寿命三线态激发态的金属配合物（联吡啶Ru，Ir……），通过金属-配体电荷迁移（MLCT）实现催化剂和底物之间的单电子转移，从而产生参与反应的活泼自由基离子，实现特定位置化学键的活化（ref 4）。这类体系最好的特点就是，光敏剂本身的激发态氧还电势可通过调节配体的电子密度（富电子or缺电子，有没有强的π-{attr}3224{/attr}）得到调节，但是Ru，Ir价格很贵，而且激发态氧还电势的gap比较窄，很少到2.2V以上，这就意味着底物的电子结构必须是精心设计的，使得底物能正确的被激发态的催化剂所氧化/还原，这一缺点是Davies来敝校讲座指出的：
“你们photoredox就是逊啊，都要用active的东西才能做”（大意如此）。
即使近来有其他金属的体系陆续被报道（Cu，Pd……见ref 5）但在光化学上仍然不能取代Ru，Ir的地位，并且Ru，Ir有的问题都继续存在。其他的体系（无金属的）比如Fukuzumi catalyst，其电子结构的调节相比配合物来说更麻烦，而且稳定性不太好，难以在反应后回收。同时，由于这个过程中底物需要和催化剂发生碰撞才能产生需要的单电子转移过程，但是碰撞过程产生的能量驰豫就会导致这一过程的量子产率下降，降低电子转移的效率。
最近，上海科技大学的左智伟教授报道了Ce盐光催化的简单烷烃（C1-C4）的官能团化.他们利用之前自己报道的Ce盐光催化体系，通过Ce中心和简单醇类配体的配体-金属电荷迁移原位产生烷氧自由基，这个烷氧自由基可以选择性攫取低级烷烃上的H（由于极性匹配效应，攫取乙腈的氢是动力学惰性的，尽管乙腈酸性强得多），发生所谓的“氢原子迁移反应（HAT）”产生高度活泼的烷基自由基，从而被捕获剂（偶氮）捕获，得到官能团化的低级烷烃（C1-C4）（ref 6）。与其师Macmillan的联吡啶Ru，Ir体系相比，Ce盐由于独特的电子排布，会和氧配体产生配体-金属电荷迁移（LMCT），这个过程会促进配体O-H键的均裂，产生活泼的烷氧自由基，并且由于LMCT不会因为碰撞产生能量驰豫，提高了光致电子转移的效率，使得Ce基催化剂的TON值相当高。这个反应甚至可通过流动反应器放大，展现了这类型光催化反应的潜在巨大工业价值。
值得注意的是，如果调整这个反应中烷氧自由基的前体醇的电子结构，则可以有效得到不同电性的烷氧自由基，这类型烷氧基自由基对丙烷或者丁烷不同位置的H原子结合能力不同，故能得到不同的烷基自由基，实现烷烃C-H键官能团化的区域选择性。
实际上Ce体系并非左组的独创，早在15年Schelter等人就实现了Ce盐光催化下的脱卤素形成芳基自由基的偶联反应，但是他们所用的Ce配合物合成比较复杂，而且最多也只能以中等收率得到产物（ref 7,8）。到了16年的时候，左组发现简单的三价Ce盐可以在可见光下催化环状仲醇的C-C键活化，而重要的是，他们发现氯离子在反应中起到相当大的作用，如果没有氯化四丁铵作为助剂，或者把抗衡离子换成其他阴离子，马上就会导致产率大幅下降，甚至不反应（ref 9）。这个有趣的现象引起了他们的注意，通过对几个Ce化合物的UV-Vis光谱研究，发现无论是Ce的氯盐还是Ce的醇配合物，在400nm都没吸收，而氯离子过量下则出现强的吸收峰，这证明过量氯离子存在下，Ce催化剂才会在蓝光有强吸收，从而解释了为何氯离子是必要的。
之后，左组发现，对于长链的伯醇来说，如果是在Ce催化剂的参与下会得到δ-官能团化的产物，通过机理研究发现这是一个类似Barton reaction的通过自由基攫取氢原子的1,5-氢迁移远程官能团化反应，最后他们以中等收率得到远程胺基化的产物（ref 10）。按照C-H活化的概念来说，伯醇的羟基相当于一个长程导向基，而实际上活化δ-H的则是LMCT产生的烷氧自由基。遗憾的是，对于不对称的底物来说，这个反应没有立体选择性，也没有较好的dr值。但我个人猜测这是这篇science文章中报道的HAT思路的起源。
PS:上科大有高通量
PPS：左老师师承就是大名鼎鼎的David Macmillan……
reference
- <li>
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/pdf/10.1021/jacs.6b02248
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/pdf/10.1021/jacs.5b05411
http://science.sciencemag.org/content/361/6403/668
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/chem.201703602
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/cr300503r
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.6b00739
https://www.nature.com/articles/nature24641
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/jacs.7b13131
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201609035
https://www.nature.com/articles/nature17651
目前评论：0