作为一种廉价易得的化工原料，以甲烷为主、同时也含少量乙烷、丙烷的天然气可以用于生产品类众多的化工产品。对天然气烷烃的C-H键活化一般都是利用过渡金属催化剂实现，并且已经得到了广泛的研究和应用。近年来，主族元素化合物因其独特的结构和化学活性得到了广泛关注。在温和条件下，它们能够实现一些过渡金属都很难做到的小分子活化转化，例如对H₂、N₂、NH₃、CO、C₂H₄和P₄。然而，C-H键活化、特别是烷烃的C-H键活化，对主族元素化合物来说一直非常困难。

中国科学院上海有机化学研究所王新平研究员近年来致力于发展基于酸碱单电子转移现象的Lewis酸耦合的电子转移策略（Lewis acid coupled electron transfer,LACET）。近年来他们利用LACET策略合成了一系列自由基化合物，并把LACET策略引入到动态化学、主族元素化学、磁性材料、光电转换材料等领域（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144,7978; CCS Chem. 2023, 5,334; Angew. Chem. Int. Ed. 2023,62,e202300068; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145,17292;Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63,e202400913;Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202411180）。利用这一策略，他们将强Lewis酸与已知结构的氮杂环卡宾耦合，分离出了稳定的Lewis酸-卡宾加合物。这一加合物在不改变卡宾本身结构的基础上，大大增强了卡宾的亲电性，并赋予其独特的反应活性，并且首次实现了稳定卡宾分子与乙烯的[2+1]环加成反应（J. Am. Chem. Soc. 2023,145,21733-21737）。

近期，王新平研究员与南京大学梁勇教授合作，利用Lewis酸-卡宾加合物活化了乙烷、丙烷、丁烷及其他简单烷烃的C-H键。反应仅需常温常压，并且具有良好的区域选择性。活化后的反应产物还可以进一步转化为醛类物质（如图1所示）。

图1 本工作内容概要

在与Lewis酸配位前，卡宾DAC₁在正己烷中是稳定的。然而在加入强Lewis酸B(C₆F₅)₃后，即可与正己烷的C-H键反应。它同样能够活化气态烷烃丙烷和正丁烷的二级C-H键，并具有良好的区域选择性。当选定B(C₆F₅)₃参与反应时，主要活化二级C-H键。

若使用更强的Lewis酸Al(OR_F)₃ (OR_F=OC(CF₃)₃)与卡宾配位，则能够进一步降低其LUMO能量，进一步提高其反应活性，进而实现对乙烷C-H键的活化。

图2 Lewis酸-卡宾加合物与气态烷烃及其他简单烷烃的反应。所涉及的所有化合物均通过单晶衍射确认结构。具体详见原文。

理论计算表明，强Lewis酸的加入极大降低了卡宾与烷烃反应的能垒。对B(C₆F₅)₃而言，其与二级C-H键的能垒大大降低，但与一级C-H键的能垒仍然很高，这也是其反应选择性的来源。为了进一步研究这一现象的根源，作者利用自然布居分析法（NPA charge）计算比较了卡宾加合物的亲电性。计算发现，在与B(C₆F₅)₃配位后，卡宾碳的电荷数从0.248提高至0.288。更高的亲电性意味着从烷烃攫取氢成为可能，从而降低反应能垒。该反应是卡宾加合物从烷烃中攫取氢负物种，烷烃因此产生了碳正离子，并进一步与卡宾碳偶联。因此，烷烃上不同位点碳正离子的稳定性就决定了该反应的选择性。

对具有更强酸性的Al(OR_F)₃而言，卡宾碳的电荷数进一步提高至0.292，其与一级C-H键的反应能垒被进一步降低，因而能够在温和条件下与乙烷反应。

图3 反应能垒示意图与电荷的自然布居分析。

这一反应的产物还能进一步转化为更具应用价值的醛类化合物。卡宾与烷烃反应后的产物用LiAlH₄还原再经稀盐酸后处理，能够将产物中的五元环变为醛基（如图4所示）。通常情况下，含有羰基的五元环在LiAlH₄还原后会生成化合物7，但在酸性条件下，化合物7会进一步水解为醛类物质。这一反应意味着烷烃可以在温和条件下直接转化为醛，而无需经过烯烃与合成气（CO/H₂）在高温高压下反应。此外，在传统的氢甲酰化反应中，丁烯和丙烯在羰基化反应中产生以直链的戊醛和丁醛作为主要产物，而难以得到支链的醛。本文则从丁烷和丙烷出发，获得了支链的2-甲基丁醛和异丁醛，与传统的氢甲酰化反应形成互补。

图4 天然气烷烃的直接羰基化过程，无需过渡金属与高温高压的反应条件。

总的来说，本文通过将氮杂环卡宾与强Lewis酸配位，极大增强了其反应活性，成功实现了与气态烷烃及其他简单烷烃的选择性C-H键活化，为更多主族元素化合物参与C-H键活化奠定基础。这类反应仅需常温常压的温和条件，并不需要大过量的烷烃原料，且具有良好的区域选择性。卡宾加合物的反应活性可以通过不同Lewis酸来调控。活化后的产物还可以进一步转化为醛类物质，实现烷烃的碳链增长。这种策略将在更具挑战性的小分子活化转化（如甲烷）与有机催化等领域有巨大应用前景。

相关工作近期发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。文章的共同第一作者是南京大学博士研究生裴润博、福州大学常文举博士和南京大学博士研究生何连诚，共同通讯作者是王新平研究员和梁勇教授。感谢南京大学朱少林教授和博士生王世超在气相色谱-质谱联用测试方面提供的帮助。本工作得到国家自然科学基金、中国科学院新率先行动计划、国家重点研发计划、江苏省自然科学基金、中央高校基本业务费、南京大学、中国科学院上海有机化学研究所、配位化学国家重点实验室、金属有机化学国家重点实验室的经费支持。

文章信息：

Runbo Pei⁺,Wenju Chang⁺,Liancheng He⁺,Tao Wang,Yue Zhao,Yong Liang*,Xinping Wang*. Main-group compounds selectively activate natural gas alkanes under room temperature and atmospheric pressure. Nat. Commun. 2024,15,7943.

DOI：10.1038/s41467-024-52185-w