第一作者：胡安華、郭婧婧
通訊作者：左智偉
通訊單位：上海科技大學
研究亮點：
發展了一種普適性的可見光催化甲烷、乙烷以及高級烷烴的高選擇性C-H氨化、烷基化和芳基化方法。
將甲烷和各種輕質碳氫化合物作為起始原料，用來合成具有高附加值的化學品，是各國科學家目前面臨的重要任務。機遇與挑戰并存。
有鑒于此，上海科技大學左智偉團隊報道了一種室溫可見光催化甲烷、乙烷以及高級烷烴的高選擇性C-H氨化、烷基化和芳基化。
相較于傳統有機反應，可見光催化反應通過催化劑吸收利用可見波段光的能量，能在溫和反應條件下高選擇性高效率地構建化學鍵，與當前對新時期化學發展的環保、綠色等要求十分契合，因此新型光催化劑的研發成為化學家們關注的焦點。目前常用的光催化反應主要是依賴于貴重過渡金屬銥、釕等復合物，通過金屬到配體的電子轉移（MLCT）實現能量轉換利用，這類技術一方面催化劑之昂貴讓大規模應用受限，另一方面系間躍遷和單電子轉移過程等損失了化學能，造成了反應適用性上的局限。
鈰（Ce）是稀土金屬中儲量最豐富的一種元素，我國是稀土資源的儲量大國，鈰的儲量更是達到了稀土金屬總儲量的28%。目前在工業上，鈰主要以輔助角色使用，如作為添加劑用于熒光材料、工業廢氣處理等；而在傳統的有機化學中，大多利用它作為路易斯酸和氧化劑，在光催化這一新領域對它的研究十分少見，將它作為光催化劑用于可見光催化反應中更是鮮有報道。
左智偉團隊研究內容概覽
左智偉團隊則獨辟蹊徑，在長期工作中深入探索了鈰復合物的光學性質，發現四價鈰和醇形成的復合物能被藍光波長區域的光照射激發，通過配體到金屬電子轉移（LMCT）過程促進配位鍵均裂，在溫和的反應條件下產生高活性的烷氧自由基物種，烷氧自由基又可以作為氫原子轉移催化劑。
在這項研究中，研究人員同樣采用鈰鹽作為光催化劑，獲得了優異的催化效率和選擇性，TON高達2900（甲烷）和9700（乙烷）。同時，研究人員還將這種氣液混合相反應拓展到連續流，從而確保在大規模應用中氣體的有效利用。
總之，這項研究為甲烷等能源分子的綠色、低廉、高效光催化活化與利用提供了新的借鑒！
表1. 氨基化
圖1. 烷氧自由基的輔助作用
圖2. 可能的機理
圖3. 芳香化
圖4. 連續流放大裝置
參考文獻：
Anhua Hu, Jing-Jing Guo, Hui Pan, Zhiwei Zuo. Selective functionalization of methane, ethane, and higher alkanes by cerium photocatalysis. Science 2018.
作者簡介：
左智偉，助理教授、研究員。2003年至2007年就讀于南京大學化學化工學院，獲化學學士學位；2007年至2012年就讀于中科院上海有機化學研究所，獲得有機化學博士學位，師從馬大為研究員，主要從事天然產物全合成研究; 2013年至2015年在普林斯頓大學化學系從事博士后研究，師從David W. C. MacMillan教授，專注于發展高效的光催化合成方法學。
2015年9月加入上海科技大學物質學院擔任助理教授和博導。
主要研究內容：可見光催化是通過催化劑將光能轉化為化學能，進而實現反應底物的高選擇性、高效率活化。我們致力于發掘廉價金屬的光化學性質，開發新型光催化劑，將廉價易得的化工原料高效轉化為高附加值產品。我們不僅探索有機分子中的碳氫鍵、碳碳鍵活化方法，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與利用。在成功開發這些高效合成方法的基礎上，我們將進一步展開對高活性天然產物、藥物分子的合成；同時也將探索小分子試劑與蛋白質等大分子的反應性，開發新型光催化生物正交反應。
本文部分參考上海科技大學官方網站
