第一作者：裴润博，常文举，何连诚
通讯作者：王新平，梁勇
通讯单位：南京大学配位化学国家重点实验室、中国科学院上海有机化学研究所金属有机化学国家重点实验室、福州大学化学化工学院
论文DOI：10.1038/s41467-024-52185-w
绝大多数气态烷烃的C-H键活化是通过过渡金属化合物实现的，利用主族元素化合物实现C-H键活化通常需要高温高压和光照等额外条件，且反应选择性难以控制。本文利用Lewis酸-卡宾加合物对乙烷、丙烷、丁烷及其他简单烷烃的C-H键实现选择性活化，并且仅需常温常压的温和条件。产物中的Lewis酸片段可以加入强碱脱去，且反应产物可以转化为醛类物质。这一工作为主族元素化合物对气态烷烃及其他简单烷烃的活化转化提供了全新思路。
图1 本文内容概要
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。王新平课题组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）。1) Lewis酸-卡宾加合物实现了对气态烷烃的C-H键活化；
2) 利用更强的Lewis酸，能够活化乙烷的C-H键；
3) 对简单烷烃的C-H键活化具有良好的区域选择性；
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，但当二级C-H键的位阻增大时，则会与三级C-H键反应。若使用更强的Lewis酸Al(ORF)3(ORF=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(ORF)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。
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。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。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.URL: https://doi.org/10.1038/s41467-024-52185-w(1) 王新平课题组介绍
王新平，中国科学院上海有机化学研究所研究员、博士生导师。2010年至2022年在南京大学化学化工学院和配位化学国家重点实验室任教授，2022年加入中国科学院上海有机化学研究所。是国家杰出青年科学基金获得者（2015），教育部“长江学者”特聘教授（2015），入选国家级人才计划青年项目和领军人才项目，以及中国科学院新率先行动计划（A类）。已发表学术论文100多篇，其中在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、和Acc. Chem. Res.四种刊物上发表论文50多篇。目前担任《中国化学》副主编。王新平课题组根据空间位阻效应和电子性质，设计配体和利用Lewis酸耦合电子转移策略，合成自由基等中间体化合物，结合光/波谱表征技术和量子化学计算, 对生成的化合物的结构、化学键本质和反应机理进行深层次的研究，并挖掘化合物可能具有的功能特性如催化、发光、导电和磁性等，来发现和解决基础化学领域中的重要问题。课题组长期招聘研究生、科研助理和博士后若干名。欢迎大家加入！王新平课题组网站：http://www.sioc.cas.cn/xpwang/(2) 梁勇课题组介绍
梁勇，南京大学化学化工学院教授，博士生导师。2005年获北京大学学士学位，2010年获北京大学理学博士学位。是江苏省特聘教授（2014），并入选国家级青年人才计划（2015）。曾获得中国化学会—物理有机化学新人奖（2017），江苏省“双创”团队领军人才（2019）。在Nature、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.等刊物上发表论文数十篇。梁勇课题组的主要研究方向是：1）计算和实验相结合研究有机化学反应的机理；2）天然产物生物合成中涉及的有机反应和酶催化机制。3）计算机辅助设计用于有机合成的新催化剂和反应；4）计算指导新生物正交试剂的设计与应用。梁勇课题组网站：https://chem.nju.edu.cn/_s365/ly_16308/list.psp
