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光催化C-H活化新突破！最新Angew，CO气流氢原子转移！

邃瞳科学云

2023-07-23

导读：本文报道了一种通用、温和且可扩展的策略，该策略能够使用光催化氢原子转移（HAT）和气态一氧化碳（CO），对饱和烃（包括天然产物和轻质烷烃）进行直接C（sp3）-H羰基化。

第一作者：Fabian Raymenants

通讯作者：Timothy Noël

通讯单位：荷兰阿姆斯特丹大学

论文DOI：https://doi.org/10.1002/anie.202308563

全文速览

目前，针对 sp³ 杂化碳原子直接 C-H 官能化的合成方法，仍然存在相当大的局限性。轻质烷烃具有自然界中已知的最强 C-H 键，因此需要大多数有机分子无法耐受的极端活化条件。为了克服这些问题，研究人员依赖于预官能化的烷基卤化物或有机金属偶联“伙伴”。针对各种不同有机支架中的区域选择性 C-H 键的新合成方法，对于生物活性分子的后期功能化，以及对于廉价且丰富的碳氢化合物原料催化升级具有巨大价值。本文报道了一种通用、温和且可扩展的策略，该策略能够使用光催化氢原子转移（HAT）和气态一氧化碳（CO），对饱和烃（包括天然产物和轻质烷烃）进行直接C（sp³）-H羰基化。流动技术对于实现高气液传质速率和快速反应动力学至关重要，这不仅能够避免有害的反应途径，还能够利用可扩展且安全的工艺。

背景介绍

sp³杂化碳的选择性和受控CH功能化，是当代合成有机化学中最具挑战性的目标之一。尽管目前C-H 活化的技术不断进步，但仍然难以实现饱和烃的选择性 C-H 官能化。这是由于多种因素造成的，包括 C−H 键的低反应性、在没有导向基团的情况下难以实现选择性反应，以及存在可能干扰反应的更多反应性官能团。而当涉及气体成分时，由于气液传质的限制，这些问题变得更加明显。此外，将气态烷烃（如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷）选择性转化为更有用的化学产物，仍然是一个未解决的问题，因为这些组分被认为是反应性最低的。事实上，直接转化轻质烃的制备通常需要更极端的反应条件，这降低了它们作为制备复杂有机分子前驱体的价值。

饱和烃因其惰性不直接参与化学反应。为了在合成化学中利用它们，必须首先将它们转化为更具反应性的试剂。目前主要有两种策略处理饱和烃。第一种策略涉及蒸汽重整，其中烷烃在高温（700-1000 °C）和压力（高达 15-40 bar）下转化为合成气（CO 和 H₂ 的混合物）。然后，该合成气可用于生产一系列商品化学品。第二种策略是将其卤化，这为进一步的化学反应创造了极化和反应位点。然而，这种自由基卤化过程产率低且无选择性，需要大量的能源密集型纯化和回收工作。从长远来看，这两种工艺都不具有环境可持续性，但是它们仍在大规模应用，以生产药品、农用化学品、材料和其他工业化学品的大宗化学品。因此，直接且广泛适用的C-H官能化策略将带来显著的好处，其不仅可以避免能源密集型和低产率的重整和卤化过程，而且还可以实现复杂有机分子的后期官能化。

图文解析

图1.通过流动的 HAT 光催化作用，气态、液态和可溶性烷烃与一氧化碳进行 C(sp³)–H 羰基化。(A) 蒸汽重整和卤化主要用于活化轻质烷烃的高惰性键。(B) 烷烃的光催化羰基化会产生不对称酮。(C) 饱和烃的光催化羰基化需要结合 HAT 光催化、气体的使用、一氧化碳的安全处理和流动化学。(D) 流动化学的使用对于开发安全、实用和可扩展的烷烃光催化羰基化工艺至关重要。

图2. 反应压力、停留时间、光催化剂负载和光功率的参数优化。除非另有说明，标准反应使用 0.1 M 烯烃作为限制试剂、10 当量烷烃、35 当量 CO 和 4 mol% TBADT 负载，在 UV-A LED 光照射下（365 nm，144 W 光输出功率）。报告的产率反映了通过 ¹ H NMR 获得的产率。(A) 2 min停留时间时，反应压力的影响。(B) 在 34 bar 下，进行反应的停留时间的影响。(C) 在 30 min停留时间和34 bar 压力下，光催化剂负载量对反应的影响。(D) 在0.25 mol% 催化剂负载和 30 min停留时间下，马来酸二正丁酯的转化率与光输出功率的函数关系。

图3. 烷烃与一氧化碳和烯烃光催化羰基化产生不对称酮的范围。反应在 0.1 M 烯烃浓度、10当量烷烃、35 当量一氧化碳气体、1-4mol%的TBADT光催化剂，在UV-A光照射（365 nm，144 W光输出功率）和34 bar的压力下进行。所有产量均为分离产物的产量。[a] 对于烯烃范围，保持 30 min的停留时间和 1 mol% 的催化剂负载，以确保整套底物的完全转化。[b] 用 5 当量 CO (g) 进行放大反应，在 12 bar 反应压力和 10 min停留时间下，在 3 h处理时间内反应 5 mmol 储备溶液。[c] 对于烷烃范围，保持 1 h的停留时间和 2 mol% 的催化剂负载，以确保整套底物的完全转化。[d] 对于轻质烷烃范围，保持52 bar的反应压力和4mol%的催化剂负载，正丁烷、丙烷和乙烷的停留时间分别为2 h、4 h和6h。[e] 用10 mol%的FeCl₃.6H₂O作为HAT光催化剂进行甲烷反应，停留时间为8小h。[f] 20 mol% 的催化剂负载量，应用于苄基乙烯基砜。[g] 与 5 当量 ¹³CO 的反应。

总结与展望

总的来说，本文报道的光催化羰基化反应为直接 C(sp³)-H 活化不同烷烃提供了一种强大的方法。该过程使得羰基部分能够在简单和复杂的有机支架中进行区域选择性安装，从而扩展了有机合成的工具包。重要的是，该方法代表了一种在环境温度下升级轻质烃的有前途的途径，为使用这些容易获得的原料作为复杂有机分子合成中的偶联“伙伴”打开了大门。

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