[科普中国]-碳氢化合物氧化

碳氢化合物氧化是现代化学化工中最重要的反应之一，其是将石油化工初级产品转化为具有广泛用途的医药、精细化工中间体的重要途径。

简介碳氢化合物活化和氧化是现代化学化工中最重要的反应之一，其是将石油化工初级产品转化为具有广泛用途的医药、精细化工中间体的重要途径1。

过渡金属催化剂的双态反应性过渡金属催化剂的双态反应性。该理论是由以色列的Shaik教授和德国的Schwarz教授共同提出的。对于含有过渡金属的催化剂体系，由于金属的外层电子容易激发到较高的能级上,并且激发后所得化合物与基态化合物能级比较接近，这时就需要考虑两条反应通道:低自旋反应通道和高自旋反应通道，即考虑反应过程中催化剂的双态反应性。

双态反应存在多种形式:

(a)低自旋反应通道和高自旋反应通道完全不交叉，在这种情况下，反应完全沿着能量低的一-条反应通道进行;

(b)低自旋反应通道和高自旋反应通道只在过渡态之后交叉，这时反应能垒仍然由能量低的反应通道决定;

(c)低自旋反应通道和高自旋反应通道只在过渡态之前交叉，这主要是由于能量比较高的反应起始物的反应通道比较平缓，而能量比较低的反应起始物的反应通道比较陡峭造成的，在这种情况下，真实的反应物及过渡态将来自不同反应通道，从而可能降低反应的能垒;

(d)低自旋反应通道和高自旋反应通道在过渡态之前、之后都交叉，在这样的情况下，反应物及产物来自于同一条反应通道，而过渡态来自于另一条反应通道。在后面的综述中，我们将看到对于很多含过渡金属催化剂的催化过程，考虑双态反应性具有重要意义。

发展现状碳氢化合物的氧化是有效利用石油和天然气资源来生产化学产品的重要途径。但是，碳氢化合物氧化反应通常需要使用污染环境的氧化剂或催化剂，碳氢化合物空气氧化还需要高温高压条件。由于碳氢化合物氧化反应通过一个以活化惰性碳氢键为诱导过程的自由基反应，反应难以控制;同时，碳氢化合物氧化是一个多步串联反应过程，导致氧化产物复杂,所以转化率和选择性低是目前碳氢化合物工业氧化中的普遍问题。目前，在工业上能够有效利用分子氧选择性氧化碳氢化合物获取具有高附加值化学品的例子很少2。

利用金属卟啉作为催化剂实现碳氢化合物仿生催化氧化是一类新型绿色络合催化反应。该反应采用与生物体中氧化酶辅基结构相似的金属卟啉作为催化剂，通过与生物氧化相似的反应过程，在比较温和的条件下实现了如下碳氢化合物的空气选择性氧化。

氧化机理以及催化剂由于C-H键键能非常大，碳氢化合物的活化也是最难的反应之一3，如何有效地对碳氢化合物进行活化是一个富有挑战性的问题。采用氧气来氧化碳氢化合物是一“种廉价、环境友好的方法。通过理论方法研究碳氢化合物的氧化，可以对不同催化剂及氧化剂的反应机理形成深刻认识,从而指导设计合成更加高效的碳氢化合物氧化催化剂。在这个领域，我们在研究不同催化剂( 全金属芳香化合物、离子液体支载催化剂、修饰的金属卟啉催化剂)催化碳氢化合物氧化机理的基础上，总结了不同催化剂的结构-活性关系，提出了评估催化剂活性的方法。最近，我们采用基于从头计算分子动力学模拟，反应路径分析以及分子势能面扫描的研究，发现C-H活化可以分为如下两个过程: C-H迁移和C-H键断裂。相应的，C-H活化能垒也包含两个部分:迁移能和键断裂能。在所有研究的例子中，只有在C-O键键长缩短到一-定的值时，C-H键断裂才开始发生。同时键断裂能总是小于总活化能的50%，部分能量被用于C-H迁移过程。进一步的研究表明键断裂能与催化剂的电子结构以及底物的C-H键解离能相关，而能与催化剂和底物的相互作用相关。相应的研究结果可用于催化剂设计过程中的电子及空间影响的定量研究。

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学