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背景

在化学品行业和有机合成中，将碳氢化合物中的惰性C(sp³)–H键选择性氧化为含氧化学品（尤其是高附加值的醛类）是一项极具挑战且重要的反应。醛类化合物是香料、增塑剂、染料、阻燃剂和药物制造中的关键原料。然而，由于C(sp³)–H键键能高（70–130 kcal mol⁻¹），且醛类本身易被过度氧化为羧酸甚至CO₂，传统方法通常依赖化学计量的强氧化剂或苛刻条件（高温高压）下使用特定的贵金属配合物，存在效率低、环境不友好等问题。光催化利用太阳能作为驱动力，为在温和条件下实现C–H键的选择性氧化提供了绿色途径。尽管已有一些光催化体系（如半导体、金属有机框架等）被报道，但其在醛类选择性、催化剂成本及制备工艺方面仍有待提升。

概述

近日，中国科学院大连化物所李灿院士团队报道了一种光催化体系，在常温常压有氧环境下温和的实现C(sp³)−H键高选择性氧化制备醛/酮。该体系以0.25 mol% HBr为介导剂、CH₃CN为溶剂、O₂为氧化剂，在λ>320 nm光照射下，可高效活化C(sp³)−H键。

· 对甲苯氧化为苯甲醛的反应中，选择性高达95%，生成速率达175 mmol gHBr⁻¹ h⁻¹，转换数（TON）=29.6；

· 适用于甲苯衍生物、脂肪族和芳香族烷烃等多种底物，且无需复杂催化剂制备；

· 克级实验验证了其可扩展性，为惰性C(sp³)−H键的绿色氧化提供了简单、经济的方案。

图1. 碳氢化合物中C−H键的光催化选择性氧化（图源：ACS Catal.）

图文解析

反应条件筛选

研究团队以甲苯为模型底物，系统探究了反应条件对性能的影响：

1. 卤素酸的选择

在CH₃CN中，以甲苯作为底物，加入0.25 mol % HBr可实现高效催化反应，苯甲醛选择性95%、生成速率175 mmol gHBr⁻¹ h⁻¹；使用HCl或HI代替 HBr无法有效驱动反应。

2. HBr用量的影响

0.25 mol % HBr用量降至0.12 mol %时，苯甲醛生成速率降至78 mmol gHBr⁻¹ h⁻¹；0.25 mol % HBr增至0.5 mol %时，苯甲醛生成速率略有下降，推测可能因HBr导致苯甲醛过度氧化。证明0.25 mol %是最优用量。

3. 溶剂的影响

使用CH₃CN为反应溶剂时反应性能最优；使用C₆H₁₂、CH₂Cl₂、四氢呋喃（THF）、N, N-二甲基甲酰胺（DMF）、醇类（C₂H₅OH或CH₃OH）或水时，甲苯的光催化氧化几乎被中断。

4. 控制实验验证

无HBr、无O₂或无光照时，该反应均不发生；仅提供Br⁻（如KBr）或仅提供H⁺（如H₃PO₄、H₂SO₄）也无法启动反应，证明H⁺和Br⁻缺一不可。

图2. (a)在乙腈中不同氢卤酸的反应性能。(b)反应性能与溴化氢在乙腈中浓度的关系。(c)溴化氢在不同溶剂中的反应性能。反应条件：在环境条件下，氧气气氛中，向10.0 mL乙腈中加入10 mmol甲苯和0.25摩尔%的溴化氢，置于氧气氛围中，采用λ > 320纳米波长照射。（图源：ACS Catal.）

底物拓展

该光催化体系展现出优异的底物普适性：

· 甲苯衍生物（含烷基、卤素等取代基）：对应醛的生成速率均>150 mmol gHBr⁻¹ h⁻¹，选择性>90%；

· 脂肪烃（如环己烷）：氧化为环己酮的选择性达92%，生成速率93.4 mmol gHBr⁻¹ h⁻¹，因脂肪族C(sp³)−H键的键解离能高于苄基C(sp³)−H键，芳香族底物的生成速率高于脂肪族底物；

· 克规模级实验：苯甲醛选择性保持92%，生成速率163 mmol gHBr⁻¹ h⁻¹，验证了工业化潜力；含氨基、酰胺等碱性基团的底物不适用，可能因会碱性基团与H⁺反应形成盐破坏催化体系。

表1. 碳氢化合物选择性光氧化为醛的范围（图源：ACS Catal.）

机理研究

通过EPR、HRMS、自由基捕获实验及理论计算，证实反应遵循自由基途径，具体机制如下：

图3. (a) 反应溶液（甲苯与含0.25 mol% HBr的乙腈溶液）在298K条件下，以DMPO作为自旋捕获试剂，在光照与黑暗条件下的电子顺磁共振谱图。(b) 电喷雾电离正离子模式下的高分辨质谱图：检测到[TEMPO-Bn+H]⁺离子，质荷比m/z=248.2018。（图源：ACS Catal.）

分子动力学模拟显示：CH₃CN可通过氢键和溶剂效应使HBr均匀分散，在光激发下，CH₃CN 溶液中的HBr通过在O₂气氛中的弛豫发生跃迁形成•OOH和•Br自由基。在CH₂Cl₂中，HBr聚集形成簇（在有氧的CH₂Cl₂溶液中，HBr在光激发时非常迅速地回到基态，无法通过弛豫形成自由基）。水中HBr完全电离，均无法形成活性物种。

图4. 不同溶剂中HBr-体系平衡态分子动力学轨迹：(a)二氯甲烷，(b)乙腈，(c)水；(d)采用密度泛函理论(TDDFT)计算的HBr在隐式溶剂模型下含氧乙腈和二氯甲烷溶液中的垂直激发能（图源：ACS Catal.）

反应机理：

1. 活性物种生成：CH₃CN中，HBr通过氢键形成溶剂化态([HBr]sol)；光照射下，[HBr]sol向O₂转移电子，生成超氧自由基（O₂•⁻）和溴自由基（•Br）；

2. C(sp³)−H键活化：•Br通过氢原子转移（HAT）夺取苄基C(sp³)−H键的H，生成苄基自由基（Bn•）；

3. 过氧化物中间体形成：O₂•⁻或O₂与Bn•结合，生成苄基过氧化物阴离子（BnOO⁻）或自由基（BnOO•），后者被HBr还原为BnOO⁻。另一种可能的途径是苄基自由基(Bn•) 与 O₂之间的偶联，形成苄基过氧化物(BnOO•) 自由基中间体。

4. 产物生成与HBr再生：BnOO⁻质子化生成苄基氢过氧化物（BnOOH），随后脱水生成醛；同时释放Br⁻和H⁺，再生HBr进入下一轮循环。

图5. 乙腈中甲苯光诱导有氧氧化的反应机理示意图（图源：ACS Catal.）

总结

本研究开发了一种无需金属、条件温和、操作简单、成本低廉的光催化体系，实现了C(sp³)–H键到醛/酮的高效、高选择性氧化。该体系对芳烃和脂肪烃均表现出良好的适用性，为醛类化合物的绿色合成提供了新策略。尽管该方法对含碱性基团（如氨基、和酰胺基）的底物适用性有限，但其在药物中间体、精细化学品合成等领域具有广阔的应用前景。这项工作为在温和条件下光照下将惰性C(sp³) − H 烃直接氧化为醛提供了一种高性能、直接、环境友好且具有成本效益的方法。

论文信息

标题：Selective Photo-oxidation of C(sp³)–H Bonds to Aldehydes/Ketones with O₂

作者：Wenlong Lei, Runze Liu, Rengui Li, Yan Liu, and Can Li*

期刊：ACS Catalysis

DOI：https://doi.org/10.1021/acscatal.5c07613

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