《Inorganic Chemistry Communications》：Fe/Mn-synergistically promoted alkyl exchange of triethylaluminium with chloromethane for trimethylaluminium synthesis
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摘要三甲基铝是一种重要的有机金属化合物。虽然烷基交换反应被视为合成三甲基铝的可行途径，但现有方法通常依赖价格昂贵且具有环境危害性的甲基源，如溴甲烷或碘甲烷，且产率较低。在本研究中，我们报道了一种在三乙基铝与价格低廉的氯甲烷之间进行烷基交换的反应，该反应在铁/锰协同体系的催化下能够
摘要 三甲基铝是一种重要的有机金属化合物。虽然烷基交换反应被视为合成三甲基铝的可行途径，但现有方法通常依赖价格昂贵且具有环境危害性的甲基源，如溴甲烷或碘甲烷，且产率较低。在本研究中，我们报道了一种在三乙基铝与价格低廉的氯甲烷之间进行烷基交换的反应，该反应在铁/锰协同体系的催化下能够高效生成三甲基铝。通过基于科尔莫戈洛夫-阿诺德网络的贝叶斯优化方法对反应参数进行优化后，无需添加额外溶剂即可获得75%的产率。机理研究显示，低价态的铁物种通过自由基途径参与氯甲烷的活化。本研究为使用氯甲烷而非溴甲烷或碘甲烷合成三甲基铝提供了一种实用且具有机理指导意义的策略。
引言 三甲基铝是一种重要的有机金属化合物，广泛应用于工业催化[1]、半导体制造[2]以及有机合成领域[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。它是甲基铝氧烷的关键前体，而甲基铝氧烷则作为茂金属催化聚烯烃生产过程中的共催化剂[9]。高纯度的三甲基铝还广泛用于半导体制造中，通过化学气相沉积或原子层沉积技术来制备氧化铝和氮化铝薄膜[10]、[11]、[12]、[13]。此外，三甲基铝还可以参与胺酯交换反应，并在有机转化过程中充当甲基化剂[14]、[15]。
近几十年来，有许多研究致力于三甲基铝的合成。目前最常见的工业方法是钠还原法，即先由铝粉和氯甲烷生成甲基铝亚氯化物，再通过熔融钠将其还原为三甲基铝[16]、[17]。然而，这种方法存在操作复杂且效率低下的问题，因为铝在钠表面沉积会阻碍进一步的还原反应。其他方法，如铝还原法、格氏试剂法以及镁铝合金还原法[18]，也因试剂危险、转化率低或成本过高而难以大规模应用。
相比之下，C2+ 型三烷基铝化合物可以直接由铝、氢气和烯烃制备，因此属于价格低廉且易于获取的原料。所以，三烷基铝化合物与卤代甲烷之间的烷基交换反应为三甲基铝的合成提供了一条有吸引力且可能具备可持续性的途径。此前已有研究使用不同的卤代甲烷报道了多种烷基交换方法。三乙基铝与碘甲烷直接进行烷基交换可得到70%产率的三甲基铝，这表明碘甲烷在该反应中具有很高的反应活性[19]。采用铋催化剂进行烷基交换反应时，可得到71%产率的三甲基铝[20]。基于钒的催化体系使用氯甲烷时也能获得80%的产率，但需要过量乙基碘作为催化体系组分，从而增加了反应的复杂性和试剂需求[21]。尽管这些方法证明了通过烷基交换合成三甲基铝的可行性，但它们都依赖反应活性更高的碘甲烷或溴甲烷作为甲基源。而氯甲烷由于C-Cl键强度较大且反应活性较低，其使用难度更高。因此，一个关键挑战在于如何在能与高反应活性的三烷基铝试剂相容的条件下激活氯甲烷中较强的C-Cl键。
还原偶联反应近年来被视为一种从两种亲电试剂选择性构建化学键的强大策略[22]、[23]、[24]。与传统依赖预先制备的有机金属亲核试剂的偶联反应不同，这种方法借助镍[25]、[26]、[27]、铁[28]、[29]、[30]、[31]以及钴[32]、[33]等过渡金属催化剂，结合锌、锰或镁等化学计量比的还原剂，能够实现易得亲电试剂之间的直接偶联。虽然还原偶联反应已广泛应用于碳-碳键的形成，但其在碳-锌键构建中的应用仍相对较少。例如，舒团队报道了镍催化的碳-硅键形成反应[34]、[35]、[36]，邱团队则分别利用镍基和铁基催化体系实现了碳-锑键以及碳-铋键的形成[37]、[38]，这些研究表明还原偶联概念可以拓展到传统的碳-碳键形成反应之外[39]、[40]。
三烷基铝化合物与卤代甲烷之间的烷基交换反应在概念上与涉及亲电试剂的还原偶联反应相似，这表明过渡金属/还原剂体系可能适用于三甲基铝的合成。在此研究中，选择铁作为关键的过渡金属，是因为它价格低廉、储量丰富，且具有成熟的通过自由基途径活化卤代烷的能力。选择锰作为还原剂，则是因为它与铁介导的还原过程相兼容，同时还能有助于维持具有催化活性的低价态铁物种。因此，本研究的目的是开发一种由铁/锰催化的烷基交换体系，该体系能够在与高反应活性的三乙基铝相容的条件下激活氯甲烷中较强的C-Cl键（见图1c）。与以往主要依赖溴甲烷或碘甲烷的烷基交换方法相比，该方法以价格低廉的氯甲烷作为甲基源，且无需添加额外的有机溶剂，因为过量的氯甲烷同时也可作为高压液相反应体系中的反应介质。通过基于科尔莫戈洛夫-阿诺德网络的贝叶斯优化方法对反应参数进行系统优化后，可得到最高75%产率的三甲基铝。机理研究显示，铁/锰体系通过低价态铁物种及自由基途径促进氯甲烷的活化。本研究为基于氯甲烷的三甲基铝合成提供了另一种途径，同时也展现了铁/锰协同体系在促进含有反应活性较低的C-Cl键的烷基交换反应方面的潜力。
章节节选 材料 本研究使用的所有化学试剂和材料均为市售产品，其中部分材料在使用前需进一步纯化，具体细节见补充信息。
通用步骤 除非另有说明，所有操作均采用标准的Schlenk技术或在手套箱内进行。实验前需将10毫升的厚壁耐压瓶彻底干燥。在手套箱中，依次加入三乙基铝（0.2330克，2毫摩尔）、适量三氯化铁以及锰粉。
铁/锰催化的烷基交换反应的发现与筛选 为了实现三乙基铝与卤代甲烷之间的高效烷基交换以生成三甲基铝，我们对现有的各种过渡金属催化体系进行了系统筛选，重点考察了铁(II/III)/锰、镍(II)/锌以及钴(II)/锌等多种组合。实验结果如图1(a)所示。在初始条件下，三氯化铁/锰体系表现出最高的催化活性，可得到36%产率的三甲基铝。而三氯化铁/锰体系仅能得到11%的产率，此外没有三甲基铝生成。
结论 总之，本研究成功开发出一种由铁/锰协同催化的烷基交换方法，以氯甲烷作为甲基源，从三乙基铝出发制备三甲基铝，且无需添加额外的有机溶剂，从而为三甲基铝的合成提供了另一种途径。通过结合贝叶斯优化与科尔莫戈洛夫-阿诺德网络模型，我们对关键反应参数进行了系统优化，确定最优条件为：三氯化铁浓度为10.05摩尔%，锰的用量相当于2.18当量，反应温度为107摄氏度，反应时间为5.1小时，在此条件下可得到75%产率的三甲基铝。
CRediT作者贡献说明 田向民： 论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿，结果验证，正式分析，数据整理。顾双超： 正式分析。王俊涛： 软件应用，正式分析。李建宁： 数据整理。刘尊超： 正式分析。马存飞： 正式分析。赵国峰： 可视化处理。蒋宇辰： 方法设计。刘启磊： 软件应用，正式分析，概念构思。孟庆伟： 论文撰写——审阅与编辑，研究监督，资源协调，项目管理，方法设计。
利益冲突声明 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢 我们感谢中国国家自然科学基金 的财政支持（项目编号：U20A20143）。同时也要感谢国家重点实验室——精细化学品实验室以及中国中部高校基本科研业务费 的支持（项目编号：DUT22LAB608）。
田向民 目前是大连理工大学化学工程学院的博士研究生，他的研究方向为精细化学品制备工艺的开发与优化。
Xiangmin Tian|Shuangchao Gu|Juntao Wang|Jianing Li|Zunchao Liu|Cunfei Ma|Guofeng Zhao|Yuchen Jiang|Qilei Liu|Qingwei Meng
中国辽宁省大连市116024，大连理工大学化学工程学院，智能材料导向化学工程前沿科学中心，国家重点实验室——精细化学品实验室
