作為一種廉價易得的化工原料，以甲烷為主、同時也含少量乙烷、丙烷的天然氣可以用于生產品類眾多的化工產品。對天然氣烷烴的C-H鍵活化一般都是利用過渡金屬催化劑實現(xiàn)，并且已經得到了廣泛的研究和應用。近年來，主族元素化合物因其獨特的結構和化學活性得到了廣泛關注。在溫和條件下，它們能夠實現(xiàn)一些過渡金屬都很難做到的小分子活化轉化，例如對H₂、N₂、NH₃、CO、C₂H₄和P₄。然而，C-H鍵活化、特別是烷烴的C-H鍵活化，對主族元素化合物來說一直非常困難。

中國科學院上海有機化學研究所王新平研究員近年來致力于發(fā)展基于酸堿單電子轉移現(xiàn)象的Lewis酸耦合的電子轉移策略（Lewis acid coupled electron transfer,LACET）。近年來他們利用LACET策略合成了一系列自由基化合物，并把LACET策略引入到動態(tài)化學、主族元素化學、磁性材料、光電轉換材料等領域（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）。利用這一策略，他們將強Lewis酸與已知結構的氮雜環(huán)卡賓耦合，分離出了穩(wěn)定的Lewis酸-卡賓加合物。這一加合物在不改變卡賓本身結構的基礎上，大大增強了卡賓的親電性，并賦予其獨特的反應活性，并且首次實現(xiàn)了穩(wěn)定卡賓分子與乙烯的[2+1]環(huán)加成反應（J. Am. Chem. Soc. 2023,145,21733-21737）。

近期，王新平研究員與南京大學梁勇教授合作，利用Lewis酸-卡賓加合物活化了乙烷、丙烷、丁烷及其他簡單烷烴的C-H鍵。反應僅需常溫常壓，并且具有良好的區(qū)域選擇性。活化后的反應產物還可以進一步轉化為醛類物質（如圖1所示）。

圖1 本工作內容概要

在與Lewis酸配位前，卡賓DAC₁在正己烷中是穩(wěn)定的。然而在加入強Lewis酸B(C₆F₅)₃后，即可與正己烷的C-H鍵反應。它同樣能夠活化氣態(tài)烷烴丙烷和正丁烷的二級C-H鍵，并具有良好的區(qū)域選擇性。當選定B(C₆F₅)₃參與反應時，主要活化二級C-H鍵。

若使用更強的Lewis酸Al(OR_F)₃ (OR_F=OC(CF₃)₃)與卡賓配位，則能夠進一步降低其LUMO能量，進一步提高其反應活性，進而實現(xiàn)對乙烷C-H鍵的活化。

圖2 Lewis酸-卡賓加合物與氣態(tài)烷烴及其他簡單烷烴的反應。所涉及的所有化合物均通過單晶衍射確認結構。具體詳見原文。

理論計算表明，強Lewis酸的加入極大降低了卡賓與烷烴反應的能壘。對B(C₆F₅)₃而言，其與二級C-H鍵的能壘大大降低，但與一級C-H鍵的能壘仍然很高，這也是其反應選擇性的來源。為了進一步研究這一現(xiàn)象的根源，作者利用自然布居分析法（NPA charge）計算比較了卡賓加合物的親電性。計算發(fā)現(xiàn)，在與B(C₆F₅)₃配位后，卡賓碳的電荷數(shù)從0.248提高至0.288。更高的親電性意味著從烷烴攫取氫成為可能，從而降低反應能壘。該反應是卡賓加合物從烷烴中攫取氫負物種，烷烴因此產生了碳正離子，并進一步與卡賓碳偶聯(lián)。因此，烷烴上不同位點碳正離子的穩(wěn)定性就決定了該反應的選擇性。

對具有更強酸性的Al(OR_F)₃而言，卡賓碳的電荷數(shù)進一步提高至0.292，其與一級C-H鍵的反應能壘被進一步降低，因而能夠在溫和條件下與乙烷反應。

圖3 反應能壘示意圖與電荷的自然布居分析。

這一反應的產物還能進一步轉化為更具應用價值的醛類化合物?？ㄙe與烷烴反應后的產物用LiAlH₄還原再經稀鹽酸后處理，能夠將產物中的五元環(huán)變?yōu)槿┗ㄈ鐖D4所示）。通常情況下，含有羰基的五元環(huán)在LiAlH₄還原后會生成化合物7，但在酸性條件下，化合物7會進一步水解為醛類物質。這一反應意味著烷烴可以在溫和條件下直接轉化為醛，而無需經過烯烴與合成氣（CO/H₂）在高溫高壓下反應。此外，在傳統(tǒng)的氫甲?；磻校∠┖捅┰隰驶磻挟a生以直鏈的戊醛和丁醛作為主要產物，而難以得到支鏈的醛。本文則從丁烷和丙烷出發(fā)，獲得了支鏈的2-甲基丁醛和異丁醛，與傳統(tǒng)的氫甲?；磻纬苫パa。

圖4 天然氣烷烴的直接羰基化過程，無需過渡金屬與高溫高壓的反應條件。

總的來說，本文通過將氮雜環(huán)卡賓與強Lewis酸配位，極大增強了其反應活性，成功實現(xiàn)了與氣態(tài)烷烴及其他簡單烷烴的選擇性C-H鍵活化，為更多主族元素化合物參與C-H鍵活化奠定基礎。這類反應僅需常溫常壓的溫和條件，并不需要大過量的烷烴原料，且具有良好的區(qū)域選擇性?？ㄙe加合物的反應活性可以通過不同Lewis酸來調控?；罨蟮漠a物還可以進一步轉化為醛類物質，實現(xiàn)烷烴的碳鏈增長。這種策略將在更具挑戰(zhàn)性的小分子活化轉化（如甲烷）與有機催化等領域有巨大應用前景。

相關工作近期發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。文章的共同第一作者是南京大學博士研究生裴潤博、福州大學常文舉博士和南京大學博士研究生何連誠，共同通訊作者是王新平研究員和梁勇教授。感謝南京大學朱少林教授和博士生王世超在氣相色譜-質譜聯(lián)用測試方面提供的幫助。本工作得到國家自然科學基金、中國科學院新率先行動計劃、國家重點研發(fā)計劃、江蘇省自然科學基金、中央高?；緲I(yè)務費、南京大學、中國科學院上海有機化學研究所、配位化學國家重點實驗室、金屬有機化學國家重點實驗室的經費支持。

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