物理化学学报, 2019, 35(9): 977-988 doi: 10.3866/PKU.WHXB201811045

综述

普通烷烃C―H键的活化官能化

赵梦迪, 陆文军,

Alkanes Functionalization via C―H Activation

ZHAO Mengdi, LU Wenjun,

收稿日期: 2018-11-30   接受日期: 2019-01-15  

基金资助: 国家自然科学基金.  21372153

Corresponding authors: LU Wenjun, Email: luwj@sjtu.edu.cn; Tel.: +86-21-54747456

Received: 2018-11-30   Accepted: 2019-01-15  

Fund supported: the National Natural Science Foundation of China.  21372153

作者简介 About authors

陆文军，1987年在华东化工学院获学士学位后，到中国科学院大连化学物理研究所工作八年1997年在香港科技大学获硕士学位1998年至2001年在日本九州大学，师从YuzoFujiwara教授获博士学位随后在美国UniversityofColoradoatBoulder跟随JosefMichl教授从事博士后工作近两年现为上海交通大学化学系教授一直从事惰性C—H键功能化反应以及高效、温和与环境友好的化学反应的研究工作 , E-mail：luwj@sjtu.edu.cn

摘要

普通烷烃C―H键是指不受杂原子和碳不饱和官能团影响的sp3C―H键，如甲烷、链烷烃和环烷烃的C―H键等。它们具有较大的键能和较小的酸碱性，因而呈现惰性，通常不易在温和条件下发生断裂。同时，除个别烷烃以外，普通烷烃往往具有不同性质和不同位置的C―H键，其反应选择性也是一个难点。近半个世纪以来，金属参与的惰性C―H键活化及官能化反应得到了重视与发展。其中，在没有官能团导向作用下，过渡金属催化剂对甲烷C―H键和普通烷烃一级C―H键进行选择性亲电活化和氧化加成，从而导致官能化反应发生是比较有效的。本文介绍了这些方法的研究进展，包含机理分析以及相关反应的建立。

关键词： 烷烃 ; C―H活化 ; 官能化 ; 选择性 ; 过渡金属

Abstract

Normal alkyl sp3C―H bonds are ubiquitous in compounds such as methane, linear alkanes, and cycloalkanes that are not linked directly to heteroatoms or other functional groups. These unactivated bonds are not broken readily under mild conditions because their bond dissociation energy values are high and acidity values are low. Moreover, in the radical processes at high temperatures, reaction selectivity is not good for an alkane substrate with various alkyl sp3C―H bonds, which is commonly methyl < 1° < 2° < 3°. In the past five decades, C―H activation by transition-metal species to give C-metal bonds under mild conditions was intensively studied; all efforts were undertaken to provide new methods that can be applied in both chemical synthesis and chemical industry. However, the effective transformations of inert C―H bonds, particularly alkyl sp3C―H bonds, without the assistance of directing groups have been rarely investigated. This review focuses on the functionalization of normal alkyl sp3C―H bonds, such as methyl and primary sp3C―H bonds, via electrophilic activation or oxidative addition by using homogenous transition-metal catalysts, which are two main strategies in the study of inert C―H activation. The selectivity on C―H bond is methyl > 1° > 2° > 3° in both the reactions. Neither heterogeneous catalysis nor biocatalysis is mentioned in this review. Some remarkable progress is described on the study of reaction mechanisms and the establishment of novel reactions. For example, several selective oxidations of methane or linear alkanes have been introduced to afford new C―O, C―Cl, or even C―C bonds in the presence of Pt or Pd catalysts. The Shilov chemistry, which combines electrophilic activation of the C―H bond by the transition-metal complex, oxidation of the transition-metal intermediate, and nucleophilic substitution of organometallic species, has been emphasized in these reactions. Other transition-metal catalysts including Rh, Ir, Re, and W have been employed successfully in the carbonylation, borylation, and dehydrogenation of alkanes at moderate temperatures. The reaction pathways normally involve oxidative addition of the C―H bond with the transition-metal complex followed by insertion-elimination, reductive elimination, or β-H elimination. In the cascade reactions consisting of dehydrogenation of alkanes and addition of alkenes, new C―C or C―Si bonds can also be formed at terminal sites of linear alkanes. However, most of the above-mentioned reactions are still under investigation because of limited scope of the substrate, excess loading of the alkane, low efficiency of the catalyst, and high cost of the reaction operation. Breakthroughs in this promising field of alkane functionalization are possible when new concepts and technology are realized and applied.

Keywords： Alkane ; C―H activation ; Functionalization ; Selectivity ; Transition metal

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本文引用格式

赵梦迪, 陆文军. 普通烷烃C―H键的活化官能化. 物理化学学报[J], 2019, 35(9): 977-988 doi:10.3866/PKU.WHXB201811045

ZHAO Mengdi. Alkanes Functionalization via C―H Activation. Acta Physico-Chimica Sinica[J], 2019, 35(9): 977-988 doi:10.3866/PKU.WHXB201811045

1 引言

烃类物质，即碳氢化合物，是煤、石油和天然气的主要组成部分。它们蕴藏丰富，较易获取，价格便宜，其主要用途是作为能源和化学工业的原材料。其中的普通烷烃如甲烷、链烷烃和环烷烃等，直接转化为官能团化有机化学品以及在化学合成中作为反应物使用是非常困难的1-6。这是因为普通烷烃的C―H键非常惰性1-7，具有很大的键能(BDE ≥ 400 kJ·mol-1) 6, 7和很小的酸性(pKa ≥ 40) 1, 6与碱性1-6。目前，工业上主要是在高温高压条件下将甲烷转化为合成气1, 2，进而制成基本化学品。如果烷烃直接进行化学转化，需要高活性物质的参与，如卤素自由基参与发生卤代反应6, 8-11以及“超酸”使其形成碳正离子的反应等6, 12-14。而烷烃C―H键在这些反应中的活性顺序是3℃―H键> 2℃―H键> 1℃―H键>甲烷C―H键，且产物选择性不高，反应条件比较剧烈或苛刻。

五十年来，人们尝试了很多方法来实现温和条件下高选择性的烷烃直接转化。其中较成功的是由配位基团导向的过渡金属催化的烷烃C―H键官能化反应，生成新的C―C、C―O或C―N等化学键6, 15-18。但是，这些方法仅限于含必要官能团的特殊烷烃，并不适用于无导向基团的普通烷烃。因此，普通烷烃C―H键选择性官能化仍是一个有意义且极具挑战的研究课题，被称为化学的一个“圣杯”1。

普通烷烃C―H键官能化的第一步是实现C―H键的断裂。利用金属物种(M)进攻C―H键生成C―M键，即所谓的C―H活化，是可以在温和条件下选择性地实现断裂的方式之一。对于普通烷烃C―H键断裂的选择性主要涉及两个问题：①烷烃中不同的C―H键的选择性。通常在金属参与的C―H键活化反应中，C―H键断裂的选择性正好和自由基反应的选择性相反，即甲烷C―H键> 1℃―H键> 2℃―H键> 3℃―H键。②烷烃底物与产物之间的选择性，因为普通烷烃惰性，而产物往往含有更活泼的化学键。因此，如果在体系中C―H键选择性活化之后，再有效地连接后续官能团化，就有可能建立温和条件下普通烷烃C―H键，尤其是惰性的甲烷C―H键和1℃―H键选择性官能化反应。

本文针对金属对烷烃C―H键活化的主要几种途径1-6，从中选取了目前看来可发展成有效官能化反应的两种，即亲电活化和氧化加成方法做综述介绍，但不涉及金属催化剂固载等形式的多相反应和生物催化反应。

2 亲电活化机理及相关反应

金属离子络合物进攻烷烃C―H键，造成金属离子(Mn)取代H质子，形成了C―Mn键，被称为亲电活化。该过程前后金属离子的价态不变;其中质子被金属络合物上的阴离子配体结合后离去，或者被体系中的其它阴离子(或称为碱)夺取后离去(图1)。以下介绍几个成功的反应实例。

图1

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图1   亲电活化过程

Fig 1   Electrophilic activation.


2.1 Shilov化学及相关反应

1967年，Garnett和Hodges 19, 20在含四氯铂酸钾(K2PtCl4)的水溶液中检测到了芳烃及环己烷的C―H键上的氢氘交换。

1969年，Shilov 2, 19也发现了类似现象，并且使用计量的氯铂酸盐(PtCl42-和PtCl62-)，在弱酸性水溶液中，成功地对普通烷烃的C―H键进行了氧化，生成了以端位官能化为主的醇和氯代烷烃(图2)。该反应体系被称为“Shilov体系(Shilov System或Shilov Chemistry)”。这也是最早的烷烃C―H键以活化方式断裂的官能化反应。

图2

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图2   典型的Shilov体系反应

Fig 2   The Shilov chemistry.

Adapted from ACS publisher 2.


后来很多人都对Shilov体系进行了研究。其中Bercaw和Labinger19等人对该体系的机理进行了细致的验证，成为目前普遍认同的Shilov体系涉及的活化官能化反应机理2, 5, 19 (图3，以甲烷CH4为例)。首先Pt(Ⅱ)物种对甲烷C―H键进行亲电活化，生成二价铂中间体Pt(Ⅱ)―CH3，该过程是可逆的。随后该中间体被Pt(Ⅳ)物种氧化，原位生成一个四价铂Pt(Ⅳ)―CH3中间体。此时与Pt(Ⅳ)相连的烷基C显示出较强的电正性特征，被亲核试剂进攻后，得到亲核取代产物。

图3

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图3   Shilov体系的机理

Fig 3   The mechanism of Shilov chemistry.

Adapted from Elsevier publisher 19.


但该体系的反应收率不高，主要是因为普通烷烃底物在水中的溶解性不好19。研究者在使用含有亲水基团的烷烃底物，如羟基21、磺酸基22、氨基23等后，收率有所提高，然而端位选择性仍不够理想。另外，使用四价铂Pt(Ⅳ)做氧化剂，不够经济。于是尝试引入其它便宜易得的物质作为最终氧化剂，当然最理想的是直接使用空气或氧气为氧化剂。Bercaw等人认为，氧气直接氧化烷基二价铂物种Pt(Ⅱ)-alkyl需要克服巨大的动力学能垒19。人们发现在氧气存在条件下，二价铜盐Cu(Ⅱ)能氧化该铂物种，于是重点开展了对Pt(Ⅱ)/Cu(Ⅱ)/O2体系23-25的研究。

最近的一篇关于Shilov体系报道是2015年，Sanford等人25将Pt(Ⅱ)/Cu(Ⅱ)/O2氧化系统用于烷基胺的端位C―H键氧化反应(图4)。该反应的底物烷基胺在水溶液中的溶解性不好，所以他们加入略微过量的硫酸，使其质子化，呈现很好的水溶性。他们将CuCl2·2H2O作为氧化Pt(Ⅱ)―C的氧化剂，并且作为反应的有限反应物，即以铜盐为基准来计算收率。由反应配平可知，氧化1当量(化学计量数)的C―H键需要2当量的铜盐。以底物二丙胺为例，该反应加入底物为5当量，催化剂K2PtCl4为1% (摩尔分数)，在150 ℃加热条件下反应30 h。结果得到烷基链上羟基取代的氧化产物，用核磁共振氢谱(1H NMR)检测的总收率为97%，这是目前Shilov体系反应中报道的较高的收率。其中γ位与β位的产物比例为8比1，无α位产物，显示出较好的端位选择性。该选择性归功于两个因素，Pt(Ⅱ)对C―H键的亲电进攻倾向于选择位阻较小的端位，同时N的质子化使其α位和β位C―H键活性降低。该反应适用于一级、二级和三级胺，但是对于含有更长碳链的底物，端位选择性有所下降。该反应在8 h左右，已经完成了烷基胺的氧化，产物主要是氯代物，延长反应时间后，氯代物在高温水溶液中发生亲核取代生成醇。但是该条件并不适用于无氨基的普通烷烃。

图4

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图4   Pt(Ⅱ)催化的烷基胺端位选择性sp3C―H键的氧化反应

Fig 4   Pt(Ⅱ)-catalyzed oxidation of terminal sp3C―H bonds on aliphatic amines.

Adapted from ACS publisher 25.


2.2 硫酸为氧化剂的甲烷C ― H键氧化反应

浓硫酸、甚至发烟硫酸等高浓度的硫酸也可以作为氧化剂用于甲烷C―H键的活化氧化反应26-29。

早期的例子是，1993年，Periana等人26以浓硫酸为氧化剂，金属Hg(Ⅱ)为催化剂，对甲烷C―H键进行官能化反应，得到的产物为硫酸氢甲酯(CH3OSO3H)，基于甲烷的收率达到43%，其余副产物主要是CO2。1998年，他们又使用了金属Pt(Ⅱ) 27作为催化剂，得到了更高的收率和选择性(图5)。其中Pt(Ⅱ)络合物([Pt(Ⅱ)])的投料方式是溶于浓硫酸中，得到[Pt(Ⅱ)]的浓度为50 mmol·L-1的浓硫酸溶液，折算后，催化剂约为底物甲烷的4% (摩尔分数)。该反应在220 ℃的高温下进行，2.5 h后，气相色谱检测约有90%的甲烷发生了转化，核磁检测得到硫酸氢甲酯的选择性为81%，基于甲烷的收率则为73%。作者提供的可能性机理与上文的Shilov体系基本一致(图3)，只是第二步由浓硫酸(起始为质量分数102%的发烟硫酸)中的SO3起到了氧化剂的作用，将Pt(Ⅱ)―CH3中间体氧化为Pt(Ⅳ)―CH3，而SO3自身被还原为SO2。

图5

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图5   浓硫酸中Pt(Ⅱ)催化的甲烷C―H键的氧化反应

Fig 5   Pt(Ⅱ)-catalyzed oxidation of methane in conc. H2SO4.

Adapted from AAAS publisher 27.


浓硫酸为氧化剂的体系中，检测到少量的CO2和一氯甲烷，与产物加和后，使得甲烷的碳守恒能达95%以上。体系中没有检测到其它氧化产物，作者认为产物硫酸氢甲酯中―SO3H基团起到了“保护”作用，抑制其发生进一步的氧化。

2.3 Pd(Ⅱ)参与的C ― H键亲电活化

2015年，Kozlowski等人30报道了对于一端含有芳环的直链烷烃的端位官能化反应，生成了新的C―C键。其中，他们以Pd(OAc)2为催化剂，2, 6-二甲基苯醌(2, 6-dimethylbenzoquinone，2, 6-DMBQ)为氧化剂(图6)。通过对氘代乙苯的考察，他们提出了如图6所示的C―H键活化机理，认为首先Pd(OAc)2与芳环作用，但是没有活化芳烃C―H键，而是通过亲电活化，断裂了苄位C―H键，从而形成了苄位Pd(Ⅱ)―C键，这里体现了Pd对不同类型C―H键的选择性;接着进行β-H消除，断裂端位C―H键，形成Pd(Ⅱ)与烯烃双键的络合物;随后该络合物发生烯烃插入，形成端位Pd(Ⅱ)―C键。这样就完成了金属Pd由苄位到端位的迁移过程，对于更长的烷基链也是有效的，如丁苯。该反应的另一底物组分是一个苄位的3℃―H键，即该反应完成了另一分子的C―H键官能化，但是目前机理并不清楚，作者推测是反应初期快速生成了二聚体，这是有效的能进行后续偶联反应的组分。

图6

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图6   Pd(Ⅱ)催化的选择性C―H活化偶联反应

Fig 6   Pd(Ⅱ)-catalyzed coupling of C―H bonds via selective C―H activation.

Adapted from ACS publisher 30.


3 氧化加成机理及相关反应

金属络合物进攻烷烃C―H键，结果是烷基(R)和氢(H)均加到金属(Mn)上，形成R-Mn+2-H络合物，完成C―H键活化。发生该过程的金属处于较低价态，其络合物是配位不饱和的，反应后金属的价态由n价上升为n + 2价，所以被称为氧化加成(图7)。以氧化加成方式断裂C―H键的普通烷烃官能化反应，不但有涉及形成新的C―C键、C―B键的反应，而且可以端位脱氢形成新的端烯并进行后续反应。下面分别对这些反应进行介绍，其中在机理方面，选取每一类反应中相对完整和代表性的作为详细介绍的例子。

图7

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图7   氧化加成反应

Fig 7   Oxidative addition.


3.1 烷烃羰基化

1987年，Tanaka等人31报道了最早的过渡金属催化的烷烃羰基化反应。他们使用铑催化剂对环己烷进行羰基化反应，收率和选择性都不太好。之后他们又选择了正戊烷为底物进行该反应31。反应在室温、常压CO气氛条件下进行，以100 W高压汞灯(紫外光)为光源照射16.5 h，得到以端位为主的羰基化产物，其中正己醛(n-hexanal)基于Rh(Ⅰ)催化剂的收率为2725% (图8)。

图8

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图8   Rh(Ⅰ)催化的烷烃端位羰基化反应

Fig 8   Rh(Ⅰ)-catalyzed carbonylation of alkanes.

Adapted from ACS publisher 32.


对于该反应，他们提出了可能的机理32 (图8)：①首先在光照条件下，CO配体与Rh(Ⅰ)络合物解离; ②随后含空位的Rh(Ⅰ)对正戊烷进行C―H键活化，方式是氧化加成，倾向于选择端位C―H键，于是Rh(Ⅰ)变成Rh(Ⅲ); ③CO再与Rh(Ⅲ)络合; ④羰基CO插入; ⑤另一份CO与Rh(Ⅲ)络合; ⑥还原消除得到己醛和Rh(Ⅰ)。

但是该反应除了生成己醛以外，还生成了9250%的1-丁烯、2180%的乙醛、1510%的乙醇等副产物，化学选择性不高。

1994年，Sen等人33以甲烷为底物，研究了在加热条件下与CO的羰基化反应(图9)。他们使用RhCl3为初始催化剂，反应在氘代水溶液中进行，其中还添加了HCl和HI。该反应在95 ℃下反应将近18天，检测到生成醋酸的浓度为0.276 mol·L-1，即催化循环数TON为27.6。同时也检测到生成了少量的副产物甲酸。文中并未给出具体机理，但是排除了乙酸由甲醇转化而来的机理，并认为Rh(Ⅰ)为实际催化物种。

图9

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图9   Rh(Ⅰ)催化的甲烷羰基化反应

Fig 9   Rh(Ⅰ)-catalyzed carbonylation of methane.

Adapted from Macmillan publisher 33.


烷烃通过羰基的直接插入形成醛(或者得到酸)的官能化方法，由于其副产物较多(如烯烃、醇等)仍有待发展提高。

3.2 烷烃硼化

1997年，Hartwig等人34报道了计量的金属硼试剂与正戊烷的反应，单一地生成了端位C―H键硼化的产物，收率为85% (图10)，这是早期的金属参与的烷烃硼化反应的一个例子。该反应在以400 W中压汞弧灯为光源照射下进行，其中底物正戊烷大大过量，也作为反应的溶剂。他们分别尝试了第一过渡系的铁Fe、第二过渡系的钌Ru和第三过渡系的钨W，结果显示使用钨-硼试剂的收率最高。他们认为光照使得一分子CO和W解离;然后，W与烷烃端位C―H键进行氧化加成;最后W与相连的烷基和硼基发生还原消除，得到烷基硼化物。

图10

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图10   计量钨硼试剂对烷烃端位进行的硼化反应

Fig 10   Borylation of alkanes with stoichiometric W-Bcat.

Adapted from AAAS publisher 34.


继计量金属试剂反应之后，1999年，Hartwig等人35报道了催化量的金属参与的烷烃端位C―H键硼化反应(图11)。由于之前第三过渡系的金属表现较好，于是他们挑选了另一种第三过渡系的金属Re(Ⅰ)作为催化剂，使用双(频哪醇合)二硼((Bpin)2)为硼试剂。反应每生成一分子烷基硼化物，就会产生一分子相应的频哪醇硼烷(HBpin)，而HBpin难以进一步反应。该反应在室温(25 ℃)、两个大气压的CO气氛中进行，经过450 W中压汞弧灯照射56 h，可以得到烷基硼的气相色谱检测(GC)收率为95%。

图11

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图11   Re(Ⅰ)催化的烷烃端位硼化反应

Fig 11   Re(Ⅰ)-catalyzed borylation of alkanes.

Adapted from WILEY-VCH publisher 35.


2000年，Hartwig等人36对该反应做了进一步研究和改进，报道了在150 ℃加热条件下、铑Rh催化的烷烃硼化反应。该反应仍然使用(Bpin)2为硼试剂。然而，在该条件下，(Bpin)2提供一份硼片段后生成的HBpin仍然能作为硼试剂继续反应，即一分子(Bpin)2理论上能生成两分子的烷基硼，这是产物的收率基准;同时最终生成一分子的氢气H2 (图12)。

图12

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图12   Rh催化的烷烃端位硼化反应

Fig 12   Rh-catalyzed borylation of alkanes.

Adapted from AAAS publisher 36.


对于反应机理，他们认为起始阶段，Rh(Ⅰ)络合物解离配体后，与烷烃C―H键和(或)硼试剂经两次氧化加成和一次还原消除，生成实际有效的催化剂铑-硼络合物或铑-二氢络合物([Rh]H(X)，X = H或Bpin) (图12)。在反应催化循环中，此催化剂先与硼试剂((Bpin)2或HBpin)进行氧化加成，随后还原消除生成一分子HBpin或H2，随后与烷烃C―H键进行氧化加成，得到含烷基和硼基的Rh中间体，最后还原消除得到产物烷基硼和[Rh]H(X)。

2016年，Sanford等人37报道了甲烷和乙烷的硼化反应。由于甲烷、乙烷是气体，与液态烷烃的反应有较大的区别。他们以加压的甲烷为底物，环己烷为溶剂，(Bpin)2为硼试剂和产率基准，和上文1999年Hartwig等人的工作一样，该反应中(Bpin)2也仅能使用一半。他们尝试了几种催化剂，各有优缺点，其中Rh(Ⅰ)催化剂能达到较高的反应收率和选择性。该反应通过气相色谱检测，总收率能得到99%，其中88%为产物甲基硼化物。而选择性体现在产物(甲基硼化物)和副产物(亚甲基二硼化物、环己基硼化物)的比值较大(图13)。

图13

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图13   Rh(Ⅰ)催化的甲烷硼化反应

Fig 13   Rh(Ⅰ)-catalyzed borylation of methane.

Adapted from AAAS publisher 37.


与此同时，Mindiola等人38也报道了类似条件下Ir(Ⅰ)催化甲烷的硼化反应(图14)。该反应也在加热条件下进行，也是以(Bpin)2一半的硼片段用量为产物收率基准。他们选用Ir(Ⅰ)络合物，通过加入双齿膦配体，实现了催化循环，得到的甲基硼化物气相色谱检测收率为52%。他们还对反应机理做了较为详细的研究，主要涉及Ir(Ⅰ)络合物的配体解离和络合、对甲烷C―H键的氧化加成、还原消除生成甲烷硼化物等步骤。

图14

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图14   Ir(Ⅰ)催化的甲烷硼化反应

Fig 14   Ir(Ⅰ)-catalyzed borylation of methane.

Adapted from AAAS publisher 38.


3.3 烷烃脱氢反应

1979年，Crabtree等人39报道了最早的由金属参与的烷烃脱氢反应。他们使用了计量的过渡金属Ir，以叔丁基乙烯为氢接收体(the hydrogen acceptor)，使环辛烷与Ir络合物发生反应，生成脱氢产物1, 5-环辛二烯，分离收率为50% (图15)。

图15

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图15   Ir参与的烷烃脱氢反应

Fig 15   Ir-mediated dehydrogenation of alkane.

Adapted from ACS publisher 39.


由于烷烃脱氢反应在合成上具有极大应用价值，近四十年来人们对该反应进行了不断的研究。

1983年，Felkin等人40首次实现了催化量的过渡金属参与的烷烃脱氢反应，虽然当时催化循环数仅为9。他们使用铼Re络合物为催化剂，叔丁基乙烯为氢接收试剂，使环辛烷在80 ℃条件下加热10 min，得到环辛烯(图16)。

图16

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图16   Re催化的烷烃脱氢反应

Fig 16   Re-catalyzed dehydrogenation of alkane.

Adapted from RSC publisher 40.


以叔丁基乙烯等烯烃作为氢接收体的脱氢反应，事实上是每生成一分子新的烯烃，就要牺牲另一分子其它原有的烯烃。为了使脱氢反应更实用，人们试图开发无需氢接收体的烷烃脱氢反应。

1985年Crabtree等人41, 42报道了无需烯烃作为氢接收体的烷烃脱氢反应(图17)。在室温(25 ℃)、紫外光照条件下，以Ir络合物为催化剂，环辛烷为底物和溶剂，反应7天，得到产物环辛烯，放出氢气。催化循环数为7。他们认为光照条件产生的能量提供了Ir络合物脱氢所必须的热力学驱动力。

图17

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图17   紫外光照条件下Ir催化的烷烃脱氢反应

Fig 17   Ir-catalyzed dehydrogenation of alkane under UV irradiation.

Adapted from RSC and ACS publishers 41, 42.


除了光照条件，加热条件也能完成无氢接收体的烷烃脱氢反应。1990年，Saito等人43报道了环辛烷在151 ℃回流温度、Rh(Ⅰ)络合物催化条件下的脱氢反应(图18)。

图18

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图18   加热回流条件下Rh(Ⅰ)催化的烷烃脱氢反应

Fig 18   Rh(Ⅰ)-catalyzed dehydrogenation of alkane.

Adapted from RSC publisher 43.


他们通过气相色谱检测确定环辛烯的收率，折合催化循环数为14;同时通过回流冷凝器，用50 mL的气体滴定管测量得到氢气的析出量。对于沸点较高的烷烃，回流温度可以使得游离的氢气逸出，拉动平衡，所以可以不使用氢接收体5。

之后，Crabtree等人44为了使该加热条件不受限于高沸点烷烃底物，且为了降低体系的反应温度，报道了使用惰性液体全氟萘烷与烷烃共同作为溶剂的方法，降低了溶剂的沸点，以及用氩气鼓泡来除去体系中产生的氢气的方法，但是效果不明显。

之前的烷烃脱氢研究主要是对环烷烃进行的，1999年，Goldman等人45考察了直链烷烃正辛烷的脱氢反应情况，报道了生成的辛烯的双键位置选择性(图19)。在150 ℃加热条件下，他们使用钳形配体螯合的Ir络合物(PCP)IrH2为催化剂、降冰片烯(Norbornene)等烯烃作为氢接收体，得到混合的辛烯产物，如端位的脱氢产物1-辛烯(1-octene)，以及反式2-位(trans-2)、顺势2-位(cis-2)、反式3-位等辛烯。不同反应时间的考察结果显示：反应初期主要生成端位1-辛烯，选择性能超过91%;然而随着反应的进行，端位烯烃的收率增加缓慢，却检测到生成越来越多的其它位置的烯烃; 20 min以后，虽然生成的辛烯的总收率仍不断增加，反应结束时总TON能达到208，但是端位烯烃收率反而下降;从反应开始到结束，端位烯烃占总收率的比率越来越小。

图19

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图19   Ir催化的正辛烷脱氢反应

Fig 19   Ir-catalyzed dehydrogenation of n-octane.

Adapted from ACS publisher 45.


他们认为这是端位烯烃在体系中发生了异构化反应，其它很多文献46, 47也报道了相应的结果。该脱氢反应及端位烯烃异构化的可能机理如图20所示。

图20

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图20   Ir催化的正辛烷脱氢及烯烃异构化反应机理

Fig 20   A proposed mechanism of Ir(Ⅰ)-catalyzed dehydrogenation of n-octane and octene-isomerization.

Adapted from ACS publisher 46, 47.


需要氢接收体的脱氢反应，从物料平衡上看，是一个转移脱氢反应(transfer-dehydrogenation)。机理是(PCP)IrH2首先在降冰片烯的作用下经历烯烃插入和还原消除过程，脱去二氢，生成(PCP)Ir; (PCP)Ir对正辛烷进行C―H键活化，优先选择在端位发生氧化加成，得到中间体(PCP)Ir(CH2C7H15)(H);该中间体经历β-H消除，得到端位脱氢产物1-辛烯。

端位烯烃在该体系中，可以发生对(PCP)IrH2的插入，形成中间体(PCP)Ir(CH(CH3)C6H13)(H)，该中间体发生β-H消除，得到热力学更稳定的内烯烃产物(如反式2-辛烯)，即端位烯烃完成了异构化过程。

上述脱氢反应的催化效率都不高，有的还必须加入氢接收体; 2014年，Beller等人48通过加入光敏剂或稳定剂作为添加剂，在光照、无氢接收体的条件下，使得普通烷烃脱氢反应的TON得到了很大提高(图21)。以正辛烷为例，他们使用Rh络合物为催化剂，4, 4’-联吡啶为添加剂，在氩气流、光照条件下，剧烈搅拌(为了加速游离氢分子与反应体系的分离)7 h，得到基于正辛烷的烯烃总收率达到20%，TON达到1518。该反应几乎都生成单烯烃，只观测到痕量的二烯烃产物，但是单烯烃的位置选择性不好。

图21

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图21   Rh(Ⅰ)催化的高效正辛烷脱氢反应

Fig 21   Highly efficient Rh(Ⅰ)-catalyzed dehydrogenation of n-octane.

Adapted from WILEY-VCH publisher 48.


3.4 烷烃脱氢反应的后续串联反应

对于烷烃脱氢反应，人们已经能得到可用的收率，但是难以单一生成端位烯烃。于是人们研究直接将烯烃进行转化，甚至是对于混合烯烃，也可以得到选择性较好的端位产物。

途径是通过金属与内烯烃配位，发生一次或连续的1, 2-氢迁移或1, 3-氢迁移反应，使内烯烃原位异构化成为端位烯烃，然后再进行官能化反应。就像金属带着双键在碳链上行走(metal-walk或chain-walk)49至端位;反应的关键是控制异构化和官能化的反应速度。人们通过这个策略，实现了内烯烃的端位官能化，生成多一个碳原子的直链烷基醛50和烷基胺51，或生成烷基硅化合物52，或端位烯烃发生烯烃复分解53，得到偶联的长链烷烃等。

人们将烷烃脱氢的反应与烯烃原位异构化后官能化的反应结合，进行分步的串联操作，可以最终得到烷烃的端位官能化产物，这样就避免了第一步脱氢反应的烯烃双键的位置选择性问题。

最近的一篇关于该串联反应策略的报道是在2018年，Huang等人52将普通直链烷烃置于Ir催化的脱氢条件下反应，得到混合的烯烃，然后串联不同的反应条件，分别生成了直链的烷基醛、胺和硅化物(图22)。其中第一步反应结束后无需进行产物的纯化分离，将混合物反应液转移至第二步的反应条件下即可。第二步的烯烃转化的关键是控制烯烃异构化速度和转化为其它官能团的速度。使用适当的催化剂、配体及调整气体压力，能有效地将第一步脱氢反应得到的烯烃异构化为端烯，并得到较高收率的以直链官能化为主的产物。例如，正戊烷在第一步脱氢反应条件后，接着发生端位Rh催化的羰基化的反应，最终得到65%的己醛，直链端位选择性高达98%。

图22

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图22   催化的正戊烷端位C―H键官能化反应

Fig 22   Catalytic functionalizations of terminal C―H bond of n-pentane.

Adapted from ACS publisher 52.


4 其它烷烃端位反应策略

烷烃的脱氢反应是一个较强的吸热反应，需要很高的温度;或者需要额外加入至少一当量的烯烃作为氢接收体，实际上是一个氢转移反应。目前烷烃难以直接脱氢得到单一的烯烃，所以人们使用串联反应的方法，使其原位异构为单一的端烯从而进行其它转化。而这种通过“金属行走”(metal-walk)的迁移反应对烷基卤代物中也可以进行。

2016年，Baudoin等人54报道了普通烷烃溴代、端位与芳基偶联的串联反应。以正戊烷为例，他们首先对其进行传统的自由基溴代反应，得到以2℃―H键取代为主的溴代产物。随后将该混合物置于与三氟甲磺酸芳基酯偶联的条件下，Pd在碳链上完成了到端位的迁移，迁移过程类似于图6，最终得到以正戊烷端位为主的与芳基的偶联产物(图23)。以三氟甲磺酸芳基酯为基准，得到偶联产物的分离收率为85%。

图23

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图23   直链烷烃端位C―H键与芳基偶联

Fig 23   Catalytic cross-coupling of terminal alkyl C―H bond with aryl reagent.

Adapted from WILEY-VCH publisher 54.


2017年，Martin等人55也报道了以烷烃经溴代物转化的串联官能化反应。以正庚烷为例，经自由基溴代反应后，将生成的溴代正庚烷异构体与剩余的正庚烷混合物置于羧化条件下，生成端位的羧化产物，用盐酸水溶液后处理，得到多一个碳的直链羧酸。以单质溴为基准，得到正辛酸的分离收率为65%，无其它异构体(图24)。

图24

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图24   直链烷烃端位C―H键的羧化反应

Fig 24   Catalytic carboxylation of terminal alkyl C―H bond with CO2.

Adapted from Macmillan publisher 55.


5 结论

基于以上介绍的关于普通烷烃C―H键在非高温条件下的官能化反应的研究进展，我们了解到过渡金属Pt和Pd已成功用于甲烷以及一级烷烃C―H键通过亲电活化过程的催化氧化反应，如生成C―Cl和C―O键，甚至对于特定的烷烃可以生成C―C键等。但是，仍然存在着底物范围受限、催化效率不高、氧化剂特殊以及反应后处理复杂等问题。相比之下，更多的金属催化剂如Rh、Ir、Re和W等，以及相应的配体也已经开发成功，应用于烷烃的羰基化、硼化、脱氢制烯烃等反应中。这些反应大多被认为经历的是氧化加成的C―H键活化过程。同样，它们也有许多方面有待提高。例如，烷烃底物是需要过量使用;反应成本较高，尤其在脱氢反应中需要牺牲另一个烯烃;端位官能化产物的获得需要附加反应等。总之，到目前为止，无论对于实验室合成还是工业规模的生产需求，还极少能提供实际可行的温和条件下普通烷烃直接转化官能化的高效方法。虽然此方向的研究还处于初始阶段，但可以相信的是随着对金属催化剂、配体、添加剂、氧化剂、反应试剂及反应条件等与C―H键官能化反应路径之间关系认识的加深与明确，设计并建立有效实用的反应过程体系必将成为现实。

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