光催化酰基化：将气态烷烃升级为大宗化学品的新策略

本研究报道了一种基于光氧化还原/镍双催化的创新方法，成功实现了气态烷烃（如甲烷、乙烷、丙烷）与多种酰氯的直接酰基化交叉偶联。该技术操作简便、条件温和，具有优异的化学选择性和区域选择性，为将天然气主要成分高效转化为具有重要商业价值的酮类化合物（如苯丙酮、苯乙酮等）提供了新途径，对减少对石油经济的依赖及降低温室气体排放具有重要意义。

　　

天然气，作为一种主要由甲烷、乙烷、丙烷等气态烷烃组成的化石燃料，是全球最丰富的碳基资源之一。然而，其传统利用方式，如直接燃烧供能或通过蒸汽裂解、重整等能耗极高的工艺进行转化，不仅缺乏可持续性，还导致了大量的温室气体排放。面对日益严峻的气候变化挑战，国际社会已设定目标，计划逐步淘汰天然气的直接燃烧。因此，开发能够将气态烷烃直接转化为高附加值的大宗化学品的技术，对于构建循环经济、降低对石油的依赖以及减少碳排放具有至关重要的意义。但是，这条道路充满挑战。气态烷烃分子中的C-H键具有极高的键解离能（99-105 kcal mol^-1）、高电离电位（约12.5 eV）和低酸性（pK_a ~50-51），化学性质非常惰性。加之其气态特性和在常见有机溶剂中的低溶解度，使得对其实现特定位置的选择性官能团化异常困难。

在众多有机官能团中，酮类化合物以其卓越的实用性和丰富的转化化学，在有机合成和化工生产中占据着核心地位。例如，苯丙酮及其衍生物是全球市场规模达数十亿美元的大宗化学品，被广泛用作工业溶剂、香料、调味剂和昆虫信息素，同时也是合成多种商用药物分子（如苯甲吗啉、依普拉酮等）的关键前体。目前，工业上合成此类酮类化合物通常依赖于条件苛刻的傅-克酰基化反应（>400°C）或实验室规模的金属催化偶联反应，这些方法存在原子经济性差、步骤繁琐或使用对空气敏感试剂等问题。尽管已有报道实现了液态烷烃的直接酰基化，但对于更具挑战性的C1-C4气态烷烃的直接酰基化，至今仍是一个未解的难题。

为了解决这一难题，并为天然气的高值化利用开辟新路径，由Akshay M. Nair、Sergio Barbeira-Arán、Jose M. Malga和Martín Fananás-Mastral组成的研究团队在《Cell Reports Physical Science》上发表了一项突破性研究。他们开发了一种创新的光催化策略，成功实现了气态烷烃与酰氯的直接酰基化交叉偶联，为将天然气主要成分高效转化为具有重要商业价值的酮类化合物提供了强大工具。

研究人员主要运用了光氧化还原/镍双催化这一核心技术。具体而言，他们利用四丁基铵十钨酸盐（TBADT）作为光催化剂，在特定波长（如370 nm或390 nm）的LED光照射下，通过氢原子转移（HAT）机制活化烷烃的C-H键，产生关键的烷基自由基。同时，使用NiCl₂dtbpy（dtbpy = 4,4-二叔丁基-2,2-联吡啶）作为镍催化剂，与酰氯和烷基自由基协同作用，最终实现C-C键的构建，生成目标酮类化合物。反应在高压力反应器中进行，以应对气态烷烃的低溶解度问题，并系统优化了压力、催化剂负载量、溶剂浓度、碱和光照波长等关键参数。

反应优化

研究团队首先以丙烷和4-甲氧基苯甲酰氯的模型反应为起点，对反应条件进行了系统优化。最终确定的最佳条件包括：6 bar丙烷压力，2 mol% TBADT和4 mol% NiCl₂dtbpy作为催化体系，K₃PO₄作为碱，乙腈作为溶剂，在44 W 370 nm Kessil LED灯照射下于室温反应16小时。在此条件下，目标产物以82%的分离收率获得，并且显示出11:1的支链与直链（b:l）区域选择性。研究表明，丙烷压力、镍催化剂配体的选择（NiCl₂dtbpy效果最佳）、催化剂负载量、反应浓度、碱的种类以及光照波长都对反应效率有显著影响。对照实验证实，光、TBADT光催化剂和镍催化剂对于反应的发生都是必不可少的。

底物范围

在优化条件下，研究人员广泛考察了反应的底物适用范围。

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  芳香酰氯与丙烷的酰基化：一系列对位取代的苯甲酰氯，无论是带给电子基团（如甲氧基、甲基）还是吸电子基团（如氟、三氟甲基），都能与丙烷顺利反应，以良好至优异的收率得到相应的异丁酰苯类化合物（支链产物），且区域选择性高（最高>20:1 b:l）。邻位和间位取代的苯甲酰氯也同样适用。杂芳香酰氯（如噻吩甲酰氯）和脂肪族酰氯（直链、支链和环状）也能成功参与反应，得到相应的酮类产物。
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  乙烷和甲烷的酰基化：该方法成功拓展至天然气中更惰性的主要成分——乙烷和甲烷。对于乙烷，通过调整催化剂负载量、提高压力（32 bar）和降低浓度，能够高效地将其转化为具有重要商业价值的苯丙酮类衍生物。而对于甲烷，尽管反应更具挑战性（需要85 bar高压），但仍能以较低收率获得苯乙酮类产物，展示了该方法在甲烷高值化利用方面的潜力。值得注意的是，在这些反应中会副产相当量的苯甲酸，可通过回收再利用。
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  正丁烷的酰基化与波长依赖性二分法：一个有趣的现象在正丁烷的酰基化中被发现。当使用390 nm光照时，反应主要生成2-甲基丁酰苯类产物。然而，当切换至370 nm光照时，产物则变为苯丙酮，且选择性极高。研究人员提出，这可能是由于在370 nm光照下，初始生成的2-甲基丁酰苯产物发生了诺里什II型（Norrish type II）光化学反应，经历1,5-氢原子转移和自由基碎裂，最终生成苯丙酮和乙烯。这一发现不仅揭示了通过简单改变光照波长即可精确调控反应化学选择性的新策略，也为从正丁烷温和条件下（1 bar, 室温）合成苯丙酮提供了新思路。

机理研究

为了深入理解反应机理，研究团队进行了一系列机理实验。自由基捕获实验（使用TEMPO）证实了烷基自由基（包括支链和直链）是反应中间体。波长对区域选择性的影响实验支持了诺里什II型反应副反应的存在。使用预形成的酰基镍(II)模型复合物的实验表明，该复合物在标准条件下不能直接与烷基自由基结合生成产物，但其可以参与催化循环。哈米特（Hammett）研究显示，在决速步中羰基碳上可能积累了正电荷密度。基于这些实验结果和文献 precedent，研究人员提出了一个合理的催化循环机理：光激发的十钨酸盐(*[W₁₀O₃₂]^4-)通过HAT过程从烷烃抽取氢原子，生成烷基自由基和还原的十钨酸盐。烷基自由基与Ni(0)催化剂结合形成烷基-Ni(I)中间体。该中间体随后对酰氯进行氧化加成，生成Ni(III)中间体，最后经还原消除得到目标酮产物并再生Ni(I)物种。Ni(I)物种被完全还原的十钨酸盐还原，重新生成Ni(0)催化剂，完成催化循环。观察到的高支链选择性可能源于快速的氧化加成步骤，避免了烷基-Ni(I)中间体发生β-氢消除/再插入等副反应，而哈米特研究结果可能暗示还原消除是反应的决速步。

综上所述，这项研究开发了一种高效、温和且操作简便的光催化策略，首次实现了气态烷烃与酰氯的直接酰基化交叉偶联。该方法的底物范围广泛，能够将甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等天然气主要成分转化为苯乙酮、苯丙酮、异丁酰苯和2-甲基丁酰苯等具有重要工业价值的酮类大宗化学品。其显著的化学选择性和区域选择性，特别是发现的可通过光照波长调控产物选择性的独特现象，为C-H键官能团化领域提供了新的见解。更重要的是，这项工作为将丰富的天然气资源直接升级为高附加值化学品开辟了一条原子经济性高、更具可持续性的新途径，对推动化学工业的绿色转型和实现碳资源的循环利用具有深远意义。