第一作者：Gabriele Laudadio, Yuchao Deng

通讯作者：Timothy Noël

通讯单位：Micro Flow Chemistry and Synthetic Methodology, Department of Chemical Engineering and Chemistry, Eindhoven University of Technology

该工作发表在Science 上，共同第一作者为Noël副教授课题组研究生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），Timothy Noël副教授为通讯作者。

发展了一个无需预官能团化，在室温和流动反应条件下使用廉价的四丁基铵十聚钨酸盐（TBADT）为光催化剂、通过氢原子转移（HAT）活化轻烃（甲烷、乙烷、丙烷和异丁烷）的策略。

对于有机化学家而言，在几步之内以无浪费和最少的能量合成复杂分子一直是一项长期的挑战。现在在许多情况下可以以石油中的烃为起始原料经多步加工后设计出具有不同程度结构复杂性的分子，甚至是能大规模生产的分子的简单合成方法。甲烷是天然气的主要成分，但其在化学合成方面的局限性限制了其在有机合成中的应用。为了促进甲烷和其他轻质烷烃转化为方便储存和运输的增值产品，化学家们做出了巨大的努力，而如何在较温和的条件下控制轻质烷烃进行较高的区域选择性转化依然是一项较大的挑战。是否可以在直接活化碳氢化合物的同时确保其较高的区域选择性呢？

气态烃的直接活化和高选择性转化

近日，我们团队（荷兰埃因霍温理工大学Noël副教授、上海科技大学物质学院与中国科学院上海高等研究院孙予罕教授等人）在线报道了一种通过在毛细管的流动和近紫外光（UV，~365 nm）照射的条件下有效的以气态烷烃来形成更复杂的化合物分子的合成策略。我们设计了一种在温和条件下能实现气态烷烃活化后仍具有高选择性地生成C–C键的连续流平台。

图1. 光催化轻烃C–H功能化（图源Science）

光催化C–H活化可以在受控条件下通过氢原子转移（HAT）过程光诱导产生高反应性的以碳为中心的亲核自由基，从而获得具有高选择性的产品。为了避免添加助催化剂，我们使用激发态的分解钨酸盐阴离子（* [W₁₀O₃₂] ^4-）为光催化剂来提高甲烷，乙烷，丙烷和异丁烯的C–H功能化，直接进行了HAT氢原子转移。

图2. 轻烃C(sp³)–H官能化的可能机理。（A）根据观察结果提出的机理。（B）光子通量和催化剂负载对于丙烷C(sp³)–H键的官能化的有效性。（图源Science）

轻烃的C(sp³)–H官能化的方法是在四丁基铵十聚钨酸盐（TBADT）存在下于乙腈和水（7:1）中混合气态烷烃和亚苄基丙二腈（同时具有良好的溶解性和良好的反应活性），在UV-A[365 nm发光二极管（LED），60 W]光源下反应。在优化反应条件之后，以1 mol%的TBADT作为HAT光催化剂，能得到高达91％分离产率和 tBu : iBu〜92:8 的选择性获得异丁烷官能团化产物1（图3）。丙烷烷基化化合物分离收率为73%—92%，且异丙基衍生物（iPr）具有很高的选择性（iPr : nPr〜85 : 15）。与异丁烷和丙烷相似，乙烷可以使用2 mol％的TBADT和25 bar的压力液化气态烃，对于各种不同的加氢乙基化化合物（23至33），均获得了良好的分离收率（62％- 87％）。甲烷是最丰富的碳基原料之一，其C(sp³)–H键BDE高达105 kcal / mol，调整反应方案的催化剂负载和反应压力（45 bar压力和5.0 mol％TBADT），可最终获得相应的加合物38％ - 48％的分离产率。虽然甲烷活化使用了d3-乙腈作为溶剂，但更便宜、更环保的替代溶剂还在继续研发中。

图3. 异丁烷、丙烷、乙烷和甲烷反应底物范围研究。（高清图，请放大观看）

此次我们这项成果能够在《Science》上发表，非常感谢Noël副教授、Ravelli教授和孙予罕教授的倾力合作，以及Vapourtec公司的大力支持。从生产的角度来看，单个微反应器的产量可以忽略不计，在将来的研究中可以使用增强型反应器来提高生产力。

关键词：

C(sp³)–H functionalizations，photocatalytic，flow

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/369/6499/92

课题组介绍：

TimothyNoël副教授出生于1982年， 2004年获得根特KaHo Sint-Lieven的理学硕士学位（工业化学工程）。2009年在Johan Van der Eycken教授的指导下获得根特大学博士学位。随后， 在麻省理工学院-诺瓦提斯大学连续制造中心从事新的交叉偶联化学连续流方法的开发工作。 目前担任埃因霍温理工大学微流化学与合成方法小组的主席。 他的研究兴趣是流动化学，均相催化和有机合成。到目前为止已发表SCI文章五十余篇。

Gabriele Laudadio （左）；Yuchao Deng (右)

更多介绍：

https://www.noelresearchgroup.com/timothy-noel/

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201900862