成果簡介配體到金屬電荷轉(zhuǎn)移(LMCT)催化范式與自由基中間體的整合改變了惰性碳?xì)滏I的選擇性功能化,促進(jìn)了非貴金屬催化劑在苛刻轉(zhuǎn)化中的使用。需注意的是,由于甲基自由基的快速氧化,甲烷的需氧C-H羰基化到乙酸仍然是可怕的,產(chǎn)生不需要的C1氧合物。基于此,中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所左智偉研究員和美國匹茲堡大學(xué)劉鵬教授(共同通訊作者)等人報(bào)道了一種利用LMCT的三聯(lián)吡啶鐵催化劑,通過協(xié)同光激發(fā)、甲基自由基生成和羰基化實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的C2/C1選擇性。機(jī)制研究強(qiáng)調(diào)了Fe(II)和鐵羰基配合物通過自由基反彈樣途徑繞過甲基自由基氧化的關(guān)鍵作用,解鎖了甲烷好氧羰基化的前所未有的效率。在室溫LED照射下,單一鐵催化劑顯示出協(xié)調(diào)甲基自由基產(chǎn)生及其隨后捕獲的卓越能力,有效地克服了快速的有氧氧化,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)羰基化的特殊選擇性。最重要的是利用光誘導(dǎo)鐵-LMCT體系和自由基-金屬組合策略,這有望不斷揭示在溫和條件下推進(jìn)無數(shù)開殼轉(zhuǎn)變的機(jī)會(huì)。相關(guān)工作以《Iron-Catalyzed Aerobic Carbonylation of Methane via Ligand-to-Metal Charge Transfer Excitation》為題發(fā)表在最新一期《Journal of the American Chemical Society》上。圖文導(dǎo)讀在LED(中心波長:400 nm,0.37 W/cm2)照射下,與C1氧化的甲醇和甲酸一起檢測到所需的羰基化產(chǎn)物乙酸和六氟異丙基醋酸酯,導(dǎo)致C2: C1選擇性為1.7: 1。重要的是,沒有觀察到過氧化物或其他可能的副產(chǎn)物,如甲基自由基與六氟異丙基自由基偶聯(lián)形成的醚。Fe(III)三聯(lián)吡啶(2)顯著提高乙酸的生成(327 μmol的C2產(chǎn)物),C2/C1選擇性為12: 1。在恒定CO壓力下,增加鐵催化劑負(fù)載導(dǎo)致更高的C2/C1選擇性。這種關(guān)系在低CO壓力下尤為明顯,而在高CO壓力水平下,即使在較低的催化劑負(fù)載下,也可獲得優(yōu)異的羰基化/氧化選擇性,有助于實(shí)現(xiàn)高催化劑周轉(zhuǎn)率,而不會(huì)顯著損害選擇性。在5 bar CH4和50 bar CO的最優(yōu)條件下,鐵催化劑2促進(jìn)了C2產(chǎn)物的生成,TON高達(dá)8770,選擇性比為11: 1。具有吸電子基團(tuán)的鐵催化劑,如羧酸酯(3)和三氟甲基(4),導(dǎo)致乙酸的效率有所降低,選擇性下降,而提供電子的替代品,如叔丁基(5)或甲氧基(6),則提高了選擇性。特別是甲氧基取代(6)的選擇性比顯著提高到26: 1,同時(shí)TON達(dá)到10680(TOF為0.4 s-1)。圖1.單一鐵催化劑選擇性催化甲烷好氧羰基化圖2.光催化甲烷的好氧羰基化圖3.同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)通過密度泛函理論(DFT)計(jì)算,作者研究了鐵配合物攔截甲基自由基和C2產(chǎn)物形成的機(jī)制。結(jié)果表明,最有利的反應(yīng)途徑是在八面體LFeII(CO)X2配合物(12, L=三吡啶,X=六氟異丙醇)的羰基配體上進(jìn)行甲基自由基加成。CO分子與五坐標(biāo)Fe(II)配合物11(TS-1,ΔG?=5.5 kcal/mol)結(jié)合的低屏障,隨后甲基自由基加入Fe(II)羰基配合物(TS-2,ΔG?=8.0 kcal/mol)對(duì)于C2產(chǎn)物的高選擇性形成至關(guān)重要。在關(guān)鍵的C-C鍵形成后,乙酰基Fe(III)配合物(13)通過親核取代(TS-3)與氯陰離子反應(yīng)生成乙酰氯,這是一種實(shí)驗(yàn)檢測到的中間體,然后被水解成乙酸。醇氧陰離子解離形成陽離子Fe(III)配合物14促進(jìn)了該過程,F(xiàn)e(III)配合物14在與氯離子的親核取代中比13更活躍。初始甲基自由基加成到Fe(III)中心在動(dòng)力學(xué)上可行,但隨后CO遷移插入到Fe-CH3鍵形成乙酰基Fe(III)所需的勢壘比通過TS-2的外球甲基自由基加成途徑高7.0 kcal/mol。圖4.機(jī)理研究文獻(xiàn)信息Iron-Catalyzed Aerobic Carbonylation of Methane via Ligand-to-Metal Charge Transfer Excitation. J. Am. Chem. Soc., 2024,?