脂肪族C–H键官能团化从实验室向工业生产的转化：十钨酸盐光催化是否已准备好实现跨越？-上海善施科技

选择性操控脂肪族C–H键是现代合成化学的重大挑战。这类化学键在有机分子中普遍存在，但反应性极低，被称为“非官能团”。利用碳中心自由基中间体的氢原子转移策略，尤其是光催化HAT，已成为可持续且高效的解决路径。十钨酸盐阴离子作为多金属氧酸盐家族的一员，近年来成为活化无偏倚脂肪族C–H键的可靠光催化剂，广泛应用于氘代、氧合、胺化、氟化及交叉偶联等反应。

Scheme 1. DT光催化用于HAT：从实验室向工业生产的转化

（图源：Chem，2026）

DT在324 nm处具有特征吸收峰，吸收拖尾延伸至可见光区。其初级激发态具有配体到金属的电荷转移特性，寿命约30 ps，以0.5–0.6的量子产率衰变为反应性瞬态物种wO。wO通过HAT或单电子转移与底物反应，反应模式取决于底物性质：低氧化电位底物优先发生SET，而具有较弱C–H键（BDE ≤ 100 kcal·mol⁻¹）的氧化惰性底物发生HAT。尽管DT在学术界已展现出广泛合成潜力，但其向工业过程化学的转化非常有限。流动化学因其短光程、均匀光照、优异传质传热特性，成为推动DT光催化放大的关键技术。然而，仍存在催化剂负载量、抗衡离子选择、可见光利用、稳定性与TON提升及从均相向非均相体系过渡等诸多挑战。

一、反应条件对DT光催化的影响

抗衡离子效应

DT的溶解性主要通过抗衡离子调控。Na⁺适用于水相，TBA⁺适用于极性有机溶剂。然而，TBA⁺会部分猝灭wO态，缩短其寿命（τ_Na = 68 ns，τ_TBA = 56 ns），并可通过HAT被活化生成副产物。四烷基铵阳离子中烷基链越长，竞争氧化越显著，量子产率顺序为Na⁺ > TBA⁺ > THA⁺。缩短烷基链长度可提高催化性能。TPP⁺因C(sp²)–H键具有高BDE，对激发态DT的HAT表现出更高抗性，便于催化剂回收。TBP⁺可改善溶解性，在较低负载下实现相当催化效果。基于DT的离子液体（如与三己基十四烷基氯化膦组合）形成可回收的稠密油相，在批式与流动条件下均表现良好。

溶剂效应

许多常见溶剂（如烃类、醚类、酰胺）是DT的典型底物，易发生HAT；质子性溶剂（如醇）也存在竞争氧化。乙腈、丙酮和水是目前最常用溶剂。DT在水中仅在pH<3时稳定。乙腈中C–H键虽弱（93 kcal·mol⁻¹），但因极性失配，对亲电性wO的动力学反应性可忽略。激光闪光光解研究表明，wO在乙腈和丙酮中寿命相近（约60 ns），在乙腈-d₃中延长，存在动力学同位素效应；在水中寿命显著缩短（约37 ns），羟基自由基生成机制存在争议。氘代溶剂可活化强惰性底物（如甲烷），但工业实施具挑战性。调节离子强度（如添加LiClO₄）可稳定激发态形成的激基复合物，促进反应。Brønsted酸（如HCl、H₂SO₄、H₃PO₄）可提高DT氧化还原电位约1 V，使HAT速率和量子产率提升达25倍。在环己烷氧化中，10 M HCl与12%水共存实现最高转化率及对环己酮的完全选择性；HBr可被激发DT氧化为Br·，在HMF氧化中起关键作用。

二、DT光催化的过程赋能策略

固载化

二氧化硅：TBADT通过浸渍负载于SiO₂，在环己烷氧化中转化率低于均相，但连续循环稳定性优异，无浸出。抗衡离子影响表面极性，TBA⁺使局部环境疏水，增强与非极性底物作用。

介孔MCM-41：负载DT后，在环己烷和环十二烷氧化中效率优于或相当于均相体系，对酮的选择性更高，且在纯CH₂Cl₂中可反应，催化剂可循环三次以上。

二氧化钛：DT-MTA体系（DT/介孔TiO₂）在芳醇氧化中虽速率较慢，但对醇α位C–H键选择性更高，归因于TiO₂极性表面对羟基的富集与定向。可通过过滤回收，三循环后活性略降。

MOF：DT掺入铜基MOF用于脂肪族腈的β/γ位C–H烷基化，1 mol%催化剂照射36 h产率83%，可回收三次活性不降。但大体积底物因孔道位阻反应受限，可用于尺寸选择性转化。

聚合物：聚异丙基丙烯酰胺烷基铵基质固载DT，在烯烃环氧化和氯醇化中性能优于均相，可在苯、CH₂Cl₂等非极性溶剂中反应。

配位聚合物：通过溶剂热法合成铜基DT配位聚合物，降解罗丹明B活性部分优于均相DT。

膜回收

采用有机溶剂纳滤膜（NF030306，截留分子量500–800 g·mol⁻¹），低分子量底物与产物透过，大体积DT被截留并循环。Giese烷基化3天循环实验产率79%–84%，总TON达6,738；C(sp³)–H胺化27 h TON达8,423。该膜还可回收其他三种商业光催化剂（4CzIPN、Ru(bpy)₆(PF₆)₂、Ir配合物），回收率>90%。

膜固载化折中策略

将DT固载于PVDF和PDMS膜。PDMS-TBADT在戊醇光氧化中表现出更好可回用性（三循环TON > 77），但固载化减缓反应速率。催化剂性能对膜聚合物性质高度敏感，可实现一定底物识别。

DT光催化为无偏倚脂肪族C–H键官能团化提供了强大平台，但在过程化学中的应用仍滞后。

就反应条件影响来说，铵盐虽提升有机溶解性但可能产生副产物；选择稳定阳离子（如TPP⁺、TBP⁺）或形成DT-IL可改善性能与回收。溶剂主要限于乙腈/水混合物；大多数溶剂非惰性，碱性或低极性条件易致催化剂沉淀与降解，尤其在流动体系中会堵塞反应器。酸性条件促进HAT速率，碱性条件损害催化。

在光子效率方面，内量子效率常低于1，原因包括wO生成量子产率及初始HAT步骤的部分可逆性，消耗光子而不生成产物；外量子效率因照射几何未优化更低。缺乏链传播意味着更高光子需求与光相关成本，阻碍工业放大。

高分子量应对策略中，固载化（无机、有机、杂化载体）和膜回收是主要方向。固载化主要停留在概念验证和动力学研究阶段，缺乏实际过程应用验证。膜回收需解决：商业纳滤膜对有机溶剂兼容性有限、催化剂沉淀导致膜污染、膜性能对压力高度依赖等问题。

DT光诱导反应性的某些机理仍存争议，需持续研究。结构调变以增强可见光响应、减少对紫外光源依赖是重要方向；太阳光驱动DT反应前景广阔。通过杂化策略修饰DT阴离子或开发更轻量化的POM（如六钼酸TBA盐）均是提升效率的有前景路径。

声明：本文仅用于学术文章转载分享，不做盈利使用，如有侵权，请及时联系小编删除。