第一作者：胡安华、郭婧婧

通讯作者：左智伟

通讯单位：上海科技大学

研究亮点：

发展了一种普适性的可见光催化甲烷、乙烷以及高级烷烃的高选择性C-H氨化、烷基化和芳基化方法。

将甲烷和各种轻质碳氢化合物作为起始原料，用来合成具有高附加值的化学品，是各国科学家目前面临的重要任务。机遇与挑战并存。

有鉴于此，上海科技大学左智伟团队报道了一种室温可见光催化甲烷、乙烷以及高级烷烃的高选择性C-H氨化、烷基化和芳基化。

相较于传统有机反应，可见光催化反应通过催化剂吸收利用可见波段光的能量，能在温和反应条件下高选择性高效率地构建化学键，与当前对新时期化学发展的环保、绿色等要求十分契合，因此新型光催化剂的研发成为化学家们关注的焦点。目前常用的光催化反应主要是依赖于贵重过渡金属铱、釕等复合物，通过金属到配体的电子转移（MLCT）实现能量转换利用，这类技术一方面催化剂之昂贵让大规模应用受限，另一方面系间跃迁和单电子转移过程等损失了化学能，造成了反应适用性上的局限。

铈（Ce）是稀土金属中储量最丰富的一种元素，我国是稀土资源的储量大国，铈的储量更是达到了稀土金属总储量的28%。目前在工业上，铈主要以辅助角色使用，如作为添加剂用于荧光材料、工业废气处理等；而在传统的有机化学中，大多利用它作为路易斯酸和氧化剂，在光催化这一新领域对它的研究十分少见，将它作为光催化剂用于可见光催化反应中更是鲜有报道。

左智伟团队研究内容概览

左智伟团队则独辟蹊径，在长期工作中深入探索了铈复合物的光学性质，发现四价铈和醇形成的复合物能被蓝光波长区域的光照射激发，通过配体到金属电子转移（LMCT）过程促进配位键均裂，在温和的反应条件下产生高活性的烷氧自由基物种，烷氧自由基又可以作为氢原子转移催化剂。

在这项研究中，研究人员同样采用铈盐作为光催化剂，获得了优异的催化效率和选择性，TON高达2900（甲烷）和9700（乙烷）。同时，研究人员还将这种气液混合相反应拓展到连续流，从而确保在大规模应用中气体的有效利用。

总之，这项研究为甲烷等能源分子的绿色、低廉、高效光催化活化与利用提供了新的借鉴！

表1. 氨基化

图1. 烷氧自由基的辅助作用

图2. 可能的机理

图3. 芳香化

图4. 连续流放大装置

参考文献：

Anhua Hu, Jing-Jing Guo, Hui Pan, Zhiwei Zuo. Selective functionalization of methane, ethane, and higher alkanes by cerium photocatalysis. Science 2018.

作者简介：

左智伟，助理教授、研究员。2003年至2007年就读于南京大学化学化工学院，获化学学士学位；2007年至2012年就读于中科院上海有机化学研究所，获得有机化学博士学位，师从马大为研究员，主要从事天然产物全合成研究; 2013年至2015年在普林斯顿大学化学系从事博士后研究，师从David W. C. MacMillan教授，专注于发展高效的光催化合成方法学。

2015年9月加入上海科技大学物质学院担任助理教授和博导。

主要研究内容：可见光催化是通过催化剂将光能转化为化学能，进而实现反应底物的高选择性、高效率活化。我们致力于发掘廉价金属的光化学性质，开发新型光催化剂，将廉价易得的化工原料高效转化为高附加值产品。我们不仅探索有机分子中的碳氢键、碳碳键活化方法，而且更加深入研究能源分子如甲烷、二氧化碳等的催化活化与利用。在成功开发这些高效合成方法的基础上，我们将进一步展开对高活性天然产物、药物分子的合成；同时也将探索小分子试剂与蛋白质等大分子的反应性，开发新型光催化生物正交反应。

本文部分参考上海科技大学官方网站