研究背景

有机烃类C(sp³)−H键的选择性氧化制含氧化学品是化工和有机合成的重要反应，尤其是高附加值醛类，广泛应用于香料、增塑剂、染料、阻燃剂和医药领域。但该反应面临两大核心难题，一是C(sp³)−H键键能较高（70-130 kcal mol⁻¹），且三线态O₂存在自旋翻转限制，难以直接活化。二是醛类热力学和动力学上易被过度氧化为羧酸、CO或CO₂。

传统氧化方法需化学计量的强氧化剂（高价金属盐、卤化物、过氧化物）或昂贵金属配合物，且反应条件苛刻（高温高压）。光催化氧化因利用太阳能、条件温和成为绿色研究方向，但现有光催化体系存在醛选择性低、催化剂制备复杂且成本高的问题，HBr介导的光氧化体系还常生成羧酸或溴代产物，醛选择性差。因此，亟需开发高效、环保、低成本、易放大的C(sp³)−H键选择性光氧化合成醛新方法。

核心问题

如何开发无金属、低成本的光诱导体系，实现O₂氧化烃类C(sp³)−H键高选择性合成醛/酮，解决现有体系选择性低、催化剂复杂的问题？

明确HBr介导的光氧化反应机理，尤其是溶剂、HBr的作用及活性自由基的生成与转化路径。

验证该体系对不同烃类底物的普适性，实现芳香烃和脂肪烃的高效氧化。

研究方法和主要内容

反应条件优化与核心结果

以甲苯为模型底物，O₂为氧化剂，在乙腈（CH₃CN）溶剂、氙灯（λ>320 nm）光照的室温常压条件下，探究卤素酸种类、HBr用量、溶剂对反应的影响，确定最优反应条件：

- 卤素酸筛选：0.25 mol% HBr为最优介导剂，苯甲醛生成速率达175 mmol g_HBr⁻¹ h⁻¹，选择性95%，转化率7.4%（TON=29.6）；HCl、HI无明显产物生成，原因是无法形成氯自由基或碘自由基活性不足。

- HBr用量优化：0.25 mol%为最佳比例，用量降至0.12 mol%时生成速率降至78 mmol g_HBr⁻¹ h⁻¹，增至0.5 mol%时因产物过度氧化，生成速率轻微下降。

- 溶剂筛选：CH₃CN为唯一有效溶剂，环己烷、二氯甲烷、乙醇、THF、DMF、甲醇、水等溶剂中反应几乎完全停止。

- 控制实验：无HBr、无O₂、无光照时，反应均无法进行；仅含Br⁻（KBr）或仅含H⁺（H₃PO₄/H₂SO₄）也无产物，证明Br⁻和H⁺是反应必需条件。

最优反应条件：10 mmol烃类底物，0.25 mol% HBr（基于底物），10.0 mL CH₃CN为溶剂，O₂氛围，室温，λ>320 nm光照2.0 h，产物经气相色谱（GC）以氯苯为内标定量。

底物范围与普适性验证

该体系对芳香烃（甲苯衍生物）和脂肪烃均具有良好的兼容性，目标醛/酮产物均表现出高选择性（>90%）和较高生成速率，具体结果如下：

- 甲苯衍生物：对应醛生成速率均>150 mmol g_HBr⁻¹ h⁻¹，选择性>90%，表现出优异的反应活性。

- 脂肪烃：环己烷氧化为环己酮，生成速率93.4 mmol g_HBr⁻¹ h⁻¹，选择性92%（TON=16），较已有报道性能显著提升；芳香烃活性高于脂肪烃，原因是脂肪族C(sp³)−H键解离能高于苄基C−H键。

- 克级反应：甲苯克级氧化制苯甲醛，生成速率163 mmol g_HBr⁻¹ h⁻¹，选择性92%，证明该方法具有放大应用潜力。

- 局限性：含氨基、酰胺等碱性基团的底物不适用该体系。

反应活性物种与机理验证

通过电子顺磁共振（EPR）、高分辨质谱（HRMS）、分子动力学（MD）模拟、含时密度泛函理论（TDDFT）计算，验证反应的自由基路径及溶剂、HBr的作用：

- EPR测试：光照下检测到DMPO-O₂⁻加合物的特征六线自旋信号，证明生成超氧阴离子自由基O₂⁻；黑暗中无信号，说明光照是自由基生成的必要条件。

- 自由基捕获实验：加入TEMPO（自由基捕获剂），HRMS检测到m/z=248.2018的[TEMPO-Bn+H]⁺加合物，证实苄基碳自由基（Bn•）的存在；加入自由基清除剂完全抑制产物生成，证明反应为自由基机理。

- MD模拟与TDDFT计算：CH₃CN中HBr通过溶剂化作用和氢键均匀分散，光激发下能生成•OOH和•Br自由基；二氯甲烷中HBr易聚集，光激发后快速回到基态，无法生成自由基；水中HBr完全电离为Br⁻和H₃O⁺，也无活性自由基生成。

反应机理推导

结合实验结果和理论计算，提出CH₃CN中HBr介导的甲苯光氧化制苯甲醛的自由基反应机理，核心步骤如下：

溶剂化作用：CH₃CN与HBr通过分子间氢键和静电作用形成溶剂化HBr（[HBr]sol）；

自由基生成：光照下，溶剂化HBr向O₂单电子转移，生成O₂⁻和•Br；或O₂光激发为单线态氧（¹O₂），与HBr发生电子转移生成•Br；

苄基自由基形成：•Br与甲苯的苄基C−H发生氢原子转移（HAT），生成苄基碳自由基（Bn•）；

过氧化物中间体生成：O₂⁻进攻Bn•生成苄基过氧化物阴离子（BnOO⁻），或Bn•与O₂偶联生成苄基过氧化物自由基（BnOO•），再被HBr还原为BnOO⁻；

产物生成与HBr再生：BnOO⁻质子化生成苄基氢过氧化物（BnOOH），脱水生成苯甲醛；同时HBr再生，参与下一轮自由基循环。

结论

开发了一种以0.25 mol% HBr为介导剂、CH₃CN为溶剂的无金属光诱导体系，实现了室温常压下O₂氧化烃类C(sp³)−H键高选择性制醛/酮，反应具有高选择性与高活性、低成本与简易性、良好普适性等优点。相较于现有光催化体系，在经济性和实用性上具有显著优势，为化工领域烃类氧化制醛的绿色合成提供了新策略。

ACS Catalysis 中科院大连物化所李灿

DOI： 10.1021/acscatal.5c07613