CN101146753A - 用于将烃转化成官能化产物的新型催化体系 - Google Patents

Abstract

本发明公开了将烃如甲烷选择性转化成材料如醇或含更反应性官能团的其它材料的方法和工艺。

Description

用于将烃转化成官能化产物的新型催化体系

本申请要求于2005年2月24日提交的US临时申请号60/656,264和2005年2月24日提交的US临时申请号60/656,556的利益。

发明背景

[0001]目前通过多步和/或高温工艺(通常大于300℃)将原始烃转变成商业上更有用的材料。这要求昂贵的反应器，广泛的热管理和后续的高投资和操作成本。在迄今为止开发的转化中，关键的化学挑战是在较低的温度下将烃的C-H或CC键直接、选择性转化以产生官能化键如C-OH、C＝C、其它的C-C或其它的C-X键，其中X是杂原子。一般而言，当前用于C-H和CC转化的氧化催化剂技术的选择性不足以允许直接转化工艺，这归因于自由基尤其是自由基反应路径的卷入，例如Bhinde等人(US专利5,723,697)，该文献在此整体引入作为参考。因此仍需要将C-H键转化成官能化键的新型催化剂，该催化剂可以在更温和且更选择性的条件下用于将烃转化成更有用的材料。

[0002]用于烃烷烃低温选择性氧化成醇(X＝OH)的有效催化体系是Pt(II)和Hg(II)，都在强酸性介质中进行。例如参见Periana等人(US专利5,233,113，US专利5,306,855和US专利申请2003/0120125)，都在此整体引入作为参考。金属Pt和Hg据报道在浓硫酸中催化甲烷转化成甲酯伴有还原的氧化剂形成。甲酯的随后水解和还原的氧化剂的再氧化构成了甲烷选择性氧化成甲醇的完整系统。

[0003]为烷烃的部分氧化设计催化过程中的问题是烷烃C-H键的非反应性性质和难以找到一种催化物质，该催化物质将促进该烷烃反应物的一个或多个C-H键的活化，和在这些键处的反应还不会催化所述烷烃的完全氧化，例如甲烷完全氧化成CO₂。通过美国专利号5,233,113、5,306,855和美国专利申请2003/0120125中描述的催化过程已至少一定程度地解决了这一限度问题。

[0004]在强酸中的Pt(II)或Hg(II)体系的较大缺点是在反应有效终止之前仅可能产生-1M甲醇，这是由于溶剂酸度的显著下降。这种产物抑制不实际地导致高的分离成本。这一产物浓度受限的主要原因是在反应产物混合物中同时聚集了甲醇和水，这些分子与Hg(II)离子优先配位并抑制催化。因此，设计不受水或产物抑制的催化剂是开发将烷烃有效氧化成醇的催化剂的主要挑战之一。

发明概述

[0005]本发明公开了促进烃的C-H键转化成官能化键如C-O、C＝C、C-C和C-X的新型催化剂的设计，其中X是杂原子。具体来说，本发明涉及碱性溶剂，如含胺的共轭碱酰胺溶液，含醇的共轭碱醇盐溶液，含水氢氧化物，碱如NaOH/KOH或NaNH₂/KNH₂的熔融盐混合物作为其中溶解了金属离子(或其它催化剂)和氧化剂的反应溶液的用途，所述反应溶液可以用于将烃直接地、选择性地、容易地转化成更有用的产物。

[0006]元素周期表的许多金属可以考虑用于本发明。适合的金属离子包括但不限于正电性过渡金属如Re、Os、Ir、Ru、W和Rh，它们处于中间氧化态，例如Re(I)、Os(II)、Ir(I)、Ru(II)。其它金属同样可能是适合的，包括Pt(II)以及在水介质中产生碱性金属氢氧化物的其它金属离子。

[0007]本发明的一个方面是在非酸性介质中活化烃的方法，该方法包括使烃的C-H键与溶剂辅助的、非自由基产生催化剂接触。

[0008]本发明的另一个方面是碱性溶剂的用途，该碱性溶剂不是本领域许多专业人员将其与过渡金属催化剂一起使用的中性或惰性有机溶剂如甲苯、CH₂Cl₂、苯、环己烷、THF等。在碱性溶剂中，预计该活性催化剂将：

a)通过允许在该金属催化剂上容易产生开放配位点以致允许烃和金属催化剂之间的配位而促进烃如烷烃和芳烃的活化

b)保持该金属催化剂可溶；

c)防止该金属催化剂被水或氧化产物钝化；

d)防止或使与所需产物的反应最小化(产物保护)和

e)允许使用二氧分子(O₂)作为终止氧化剂。

[0009]使用碱性溶剂以及使用较低氧化态离子如Os(II)、Re(I)、Ir(III)增加这些低氧化态d⁶金属离子的反应性。

[0010]本发明的一个实施方案是在非酸性介质中活化烃的方法，该方法包括使烃的C-H键与溶剂辅助的催化剂接触，该催化剂不通过自由基的产生起作用。

[0011]本发明的另一个实施方案是在非酸性介质中活化烃的方法，该方法包括使烃的C-H键与溶剂辅助的催化剂接触，该催化剂不通过自由基的产生起作用。在一个方面中，该催化剂包含过渡金属离子和至少一种配体。过渡金属的非限制性实例包括Ir、Os、Re、W、Rh和Ru。配体的非限制性实例包括包含一个、两个、三个或四个选自周期表第IV、V和VI族，或其组合的配位原子的那些。含氧配体的非限制性实例包括羟基、烷氧基、氧代、羧酸根、任选取代的二醇、任选取代的多元醇和任选取代的乙酰丙酮酸根。其它的非限制性实例包括螯合的配体，它们具有经由共轭物π体系例如但不限于任选取代的乙酰丙酮酸根连接的至少两个配位原子O原子末端。其它实例包括环庚三烯酚酮、芳氧化物、儿茶酚、羟苯乙酮。

[0012]含氮配体的非限制性实例包括氨络物、任选取代的胺、任选取代的酰胺、任选取代的氮杂环、任选取代的螯合二胺、任选取代的螯合多胺、任选取代的螯合酰胺和任选取代的连氮杂环。连氮杂环的限制性实例包括任选取代的二吡啶、任选取代的二吡嗪和任选取代的二嘧啶。

[0013]根据本发明的另一个实施方案，碱性介质是溶剂。非限制性的实例包括中性溶剂和碱性溶剂。其它的非限制性实例包括含共轭碱酰胺的胺，含共轭碱醇盐的醇，含水氢氧化物，熔融盐混合物如NaOH/KOH或NaNH₂/KNH₂。根据另一个实施方案，非酸性介质是固体载体。本发明的另一个方面是通过溶剂加速烃活化。这些溶剂的非限制性实例包括碱性溶剂和高碱性溶剂。

[0014]可能根据本文公开的方法加以选择性活化的烃的适合的非限制性实例包括烷烃和芳烃，例如甲烷和苯。

[0015]本发明的另一个实施方案是通过本文公开的方法活化的烃致使金属-烷基配合物的形成，所述配合物可以进一步转变成有用的产物。因此，本发明包括烃的选择性氧化方法，包括以下步骤：

(1)在非酸性介质中通过与溶剂辅助的、非自由基产生催化剂接触使烃C-H键活化；

(2)经由氧插入剂使活化烃转变成官能化烃和还原的氧化剂；和

(3)释放氧化烃。

可能根据本文公开的方法加以选择性或部分氧化的烃的适合的非限制性实例包括烷烃和芳烃，例如甲烷和苯。

[0016]步骤(1)的非限制性实例是其中烃活化致使金属-烷基共价键形成的过程。步骤(2)的非限制性实例是其中经由氧插入剂使金属烷基转变成金属醇盐的过程。O-原子供体的非限制性实例包括胺-N-氧化物、氧化铜、氧化铁、高碘酸根、钒酸根、一氧化二氮、硒酸根(SeO₄ ^2-)、次氯酸根(ClO^-)、亚氯酸根(ClO₂ ^-)、硝酸根(NO₃ ^-)、钼酸根、碲酸根和亚砜。

[0017]根据本发明的一个方面，可以在独立的反应器中将还原的氧化剂再生以使氧插入剂再生。此类还原的氧化剂的非限制性实例是SeO₃ ^2-，在独立的反应器中使用空气或氧气作为再氧化剂将它再氧化成SeO₄ ^2-。

[0018]根据另一个实施方案，该方法可以合并成部分氧化性C-H键的催化循环。此种方法的非限制性实例是包括以下步骤的方法：

(1)在官能化条件下使包含烃和氧化剂的原料通过包含可溶性催化剂和氧化稳定性溶剂的第一催化剂段，以形成包含氧化的烃和还原的氧化剂的排出物；

(2)将该氧化的烃与还原的氧化剂分离；

(3)在再氧化条件下使该还原的氧化剂和再氧化剂通过氧化段，以将该氧化剂重整；

其中该催化剂包括选自Re、Os、Ir、Ru、W和Rh的一种或多种金属，其中该金属与一个或多个耐氧化性配体配位，其中该官能化条件包括100-350℃的温度和选自中性、碱性、高碱性和超碱性的酸度水平。

[0019]根据另一个实施方案，该方法的步骤(1)可以使用担载在固体载体上的催化剂进行。

[0020]适合的烃原料包括但不限于烷烃和芳烃，它们分别产生烷醇和酚，氧化的烃是甲醇。适合的温度在150-250℃之间。

[0021]根据该方法的一个实施方案，再氧化剂是氧气。根据该方法的另一个实施方案，再氧化剂是空气。

[0022]本发明的另一个实施方案是确定烃C-H键活化催化剂的方法，包括以下步骤：测定金属水合物在水溶液中的pH值并选择增加溶液pH值的金属催化剂；测定从相应的金属羟基配合物形成金属烷基配合物的吉布斯自由能变化并选择具有小于阈值的值的催化剂。

[0023]根据本发明，pH值和吉布斯自由能值可以按实验方式或计算方式测定。

[0024]本发明的另一个实施方案是确定在非酸性介质中起作用的烃C-H键活化催化剂的方法，包括以下步骤：在活化条件下在氘化溶剂中使候选催化剂与烃接触；检测烃中的氘引入。

[0025]本发明的其它目的和优点将在参照附图阅读以下数个优选实施方案的非限制性描述后领会到。

附图简述

[0026]图1示出了对C-H活化反应的活化能显示主要贡献的概念能量图。

图2示出了C-H键活化反应用于开发烃氧化用催化剂的用途。

图3示出了说明H₂O和X-HOMO与M⁺的LUMO相互作用的能量图。

图4示出了根据本发明一个实施方案的烃活化的实例。

图5示出了根据本发明另一个实施方案的烃活化和H/D交换的实例。

图6是说明H₂O、X^-和OH^-HOMO与M⁺的LUMO相互作用的能量图。

图7是说明可能的OH^-HOMO LUMO与M⁺和发明的金属催化剂N⁺的HOMO和LUMO相互作用的能量图。

图8是说明较不稳定的N-OH物质的产生如何可以产生活化催化剂的能量图。

图9是(NOOO)Pt(IV)配合物与甲烷的反应的计算能量图。

图10是(NOOO)Ir(III)配合物与甲烷的反应的计算能量图。

图11示出了本发明的一个催化剂实施方案的协同(SBM)和逐步氧化加成路径的对比。

图12示出了不要求在金属上的形式氧化态变化的烃转化成醇的概念催化循环。

图13示出了基于M-OH反应的烃转化成醇的概念催化循环。

图13示出了基于M-OH反应的烃转化成醇的催化循环。

图14示出了Wacker型空气氧化方法的图解方案。

图15示出了采用O-原子供体氧化剂将二苯酮Baeyer-Villiger氧化成苯酯的所提出的反应机理。

图16示出了经由CH₃OReO₃将MTO氧化成CH₃OH的所提出的Baeyer-Villiger型机理。

图17示出了基于Baeyer-Villiger和MTO氧化机理氧化M-R的概括方案。

图18示出了在氧可再循环氧化剂的氛围中将甲烷氧化的总氧化和有利热力学。

图19示出了采用(Cat)₂Ir-OH物质的C-H活化的计算位垒。

图20示出了采用(Cat)₂Os-OH物质的C-H活化的计算位垒。

图21示出了采用低氧化态催化剂Mⁿ(OH)(H₂O)，在通过YO的竞争氧化下将CH₄氧化的概念循环。

图22示出了说明活性Pt(II)催化剂被H₂SO₄氧化产生非活性Pt(IV)的问题的Pt(bpym)Cl₂/H₂SO₄体系的催化循环。

图23示出了说明作为活性Pt(II)催化剂氧化成Pt(IV)的替代Pt(bpym)Cl₂为什么是稳定的催化循环。

图24示出了说明引入防止催化剂由于不可逆氧化而失活的k₅步骤的催化体系。

图25描述了说明甲醇的配位和与富电子金属中心的反应预计被脱质子或与OH^-氢键合抑制的计算结果。

图26示出了在具有氧化加成性质的C-H活化反应中在o-供体配体上非成键电子的π-供体卷入的示意图。

图27示出了本发明的具有配位N原子的一个催化剂实施方案的协同(SBM)和逐步氧化加成路径的对比。

图28示出了本发明的具有配位O原子的一个催化剂实施方案的协同(SBM)和逐步氧化加成路径的对比。

图29示出了实施将甲烷选择性氧化成甲醇的包括C-H活化、官能化和氧化步骤的方法的方案。

图30示出了溶剂活化对C-H活化的能线图的影响。

发明详述

[0027]为了更清楚且更一致地理解说明书和权利要求，提供以下定义：

[0028]术语乙酰丙酮酸根是指2，4-戊二酮的共轭碱。它通常缩写位为acac。

[0029]本文所使用的术语“活化”大体上是指引起化学物质对其它化学物质具有反应性的作用。在一个非限制性实例中，可能通常是非活性的或反应缓慢的催化剂可以通过添加另一种试剂或经由与另一种试剂接触而被活化。

[0030]术语“活化C-H键”是指总体方法，通过该方法，C-H键和金属配体配合物MX发生反应产生包含金属-碳共价键(M-C)的金属-烷基配合物。该反应可以认为包括两个步骤，此两个步骤是该总反应的位垒的主要贡献者。所述步骤是与金属催化剂的C-H键配位接着是C-H键裂解产生金属烷基配合物。

[0031]术语“由碱性介质活化”是指C-H键活化步骤的速率加速，该加速由根据本发明数个实施方案的金属催化剂周围的化学环境引起。碱性介质可以是特征为pH值大于7的溶剂如水。碱性介质的实例包括但不限于含共轭碱酰胺的胺，含共轭碱醇盐的醇，含水氢氧化物。在另一个实施方案中，碱性介质是熔融盐混合物如NaOH/KOH或NaNH₂/KNH₂。在另一个实施方案中，碱性介质是固体载体。实例是碱离子交换树脂。在又一个实施方案中，碱性介质是围绕金属离子的配体环境。

[0032]短语“含共轭碱醇盐的醇”是指通过质子的损失或获得而关联的一对化合物。举例来说，甲醇(CH₃OH)具有共轭碱(甲醇盐)。此类醇盐具有非质子性反阳离子，例如碱土金属离子。同样地，氨具有共轭碱NH₂ ^-，在此称为酰胺。

[0033]术语“烷烃”是指通式为C_nH_(2n+2)的非芳族饱和烃，其中n为1或更大。烷烃可以是直链或支化的。实例包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷，以及为液体和固体的那些。

[0034]术语“酰胺”是指含NH₂阴离子的氨的无机衍生物。术语“酰胺”也可以是指通过酰基替换一个或多个氢原子形成的氨的有机衍生物。

[0035]短语“含共轭碱酰胺的胺”是指通过质子的损失或获得而关联的一对化合物。举例来说，氨(NH₃)具有共轭碱NH₂ ^-。此类酰胺具有非质子性反阳离子，例如碱土金属离子。

[0036]术语“芳烃”是指烃，其分子结构包括一组或多组在同一平面内的六个碳原子，这些碳原子由去除的电子连接，去除的电子数目满足它们如同由交替的单和双共价键构成。原型芳族化合物是苯。芳烃的其它实例是由.多于一个芳族环组成的多环芳族烃。

[0037]术语“碱性”是指化合物的功能描述。在某种意义上，碱是一类当溶于水(质子受体)时接受H⁺的化合物。此外，碱可以是Lewis碱。Lewis碱是通过供一对电子可以形成新的配位共价键的任何分子或离子。

[0038]相关术语“高碱性”和“超碱性”是指碱度。在水中，碱度可以按浓度或等价基每单位体积溶剂的单位测量。对于水溶液，碱度可以用pH值单位表示。量化非水溶剂中的碱度是较不简单的，并且非水溶剂中碱强度的简单对比是困难的，因为它们仅考虑对碱离子或分子的稳定性的溶剂化影响，而忽略了其对参与平衡的其它物质的稳定性的影响。特定碱的碱度可能显著地不同于其在水中的值。例如，氢氧离子通常是在非水溶剂(例如液氨、DMSO)中比在水中强得多的碱。至少出于这些原因，碱度的功能定义比不可在溶剂之间转换的数字量优选。例如，超碱是其中碱离子或分子仅极弱溶剂化的碱性介质。

[0039]本文所使用的短语“碱性介质”和“非酸性”介质是指根据本发明数个实施方案的金属催化剂周围的化学环境。碱性或非酸性介质可以是特征为pH值大于7的溶剂如水。碱性介质的实例包括但不限于含共轭碱酰胺的胺，含共轭碱醇盐的醇，含水氢氧化物。在另一个实施方案中，碱性介质是熔融盐混合物如NaOH/KOH或NaNH₂/KNH₂。在另一个实施方案中，碱性介质是固体载体。实例是碱离子交换树脂。其它实例包括但不限于金属氧化物如氧化镁、氧化钙和氧化钡以及在氧化铝和某些沸石上的氟化钾。在又一个实施方案中，碱性介质是围绕金属离子的配体环境。

[0040]本文所使用的术语“催化剂”是指促进化学方法或过程的化学试剂。在本发明的一个实施方案中，该术语用来描述用来将烃C-H键活化的反应物。在另一个实施方案中，该术语是指引发或加速化学反应而本身不受影响的物质。催化剂促进烃、氧化剂、溶剂和化学转变的其它组分之间的化学反应。配位催化剂是通过在催化剂的配位原子的第一配位圈内使反应物配位而促进这些反应的一类催化剂。

[0041]术语“螯合二酰胺”是指金属和形成螯合环的两个酰胺结构部分的金属配体结合物。

[0042]术语“螯合二胺”是指金属和形成螯合环的两个胺结构部分的金属配体结合物。

[0043]术语“共轭π-体系”是指有机化合物的平面；包含两个或更多个各自通过单键彼此隔离的双键。共轭π-体系可以包含杂原子和金属原子。

[0044]术语“含烃和氧化剂的原料”是指进入反应器的烃和氧化剂的混合物。原料通过化学反应而消耗并且获得所需的化学产物。原料可以经加工以提取所需产物或还原的氧化剂或可以将它再循环。

[0045]术语“细碎的固体金属催化剂”是指与固体载体粘结的催化剂。为了使与原料接触的面积最大化或促进后续加工或再生，将该催化剂磨碎。

[0046]术语“第一催化剂段”是指化学过程反应器。此种第一催化剂段在图14中进行了示意性示出，在该催化剂段中，发生烃C-H键活化、官能化和氧化。在图14中，该第一催化剂段与其中发生氧化剂的再氧化的氧化剂再生段不同。图14示出了其中发生烃氧化的第一反应器段(由虚线表示)。根据图14，在官能化条件下甲烷原料进入含本发明活化金属催化剂的第一催化剂段。在该第一催化剂段内还存在溶剂或固体载体。图14中还示出了进入第一催化剂段的氧化剂。在根据图14中的一般反应方程式发生了烃氧化之后，离开该第一催化剂段的排出物包含氧化的烃和还原的氧化剂。将氧化的烃与还原的氧化剂分离，并使还原的氧化剂通过再氧化段以使用空气作为氧化剂将该氧化剂重整。再氧化条件将根据方案14中使用的特定氧化剂改变。对于如图14所示的CuX/CuX₂，已知的Wacker方法中使用的条件可以例如用来将该氧化剂重整。

[0047]术语“自由基”是指具有奇数个价电子的分子并且可以是带电或不带电的(基团阴离子或基团阳离子)或中性的(自由基)，它们没有被某些手段“束缚”或强烈控制并且能够自由显示其固有反应性。

[0048]术语“官能化烃”是指其中至少一个C-H键已经转变成碳官能团键、碳杂原子键的烃，其中杂原子是除H以外的任何原子。仅举例来说，官能化甲烷是甲醇。官能化苯是酚。图29非限制性地举例说明了官能化烃在选择性烃氧化中如何发挥关键的中介作用。

[0049]术语“官能化条件”是指在第一反应器段内将烃转变成官能化烃所要求的条件和组分。官能化条件包括金属配体配合物、溶剂、温度和氧化剂的类型。在一个实施方案中，金属选自Re、Os、Ir、Ru和W。适合的金属的氧化态是中间态，既不是最高氧化态，也不是金属态。在碱性溶剂中Os(II)、Ru(II)、Re(I)、Ir(III)的氧化态是适合的。适合的配体是耐氧化性的并且包括但不限于乙酰丙酮酸根(acac)，环庚三烯酚酮，芳氧化物，儿茶酚，羟苯乙酮，例如2-乙酰基酚。

[0050]术语“吉布斯自由能值”是指热力学参量。吉布斯自由能是热力学势，其确定结果如电化学电池的电压，或可逆反应的平衡常数。通过实验或以计算方式所表征的平衡具有对应值ΔG，它等于吉布斯自由能变化。

[0051]术语“IV族”是指元素碳、硅、锗、锡和铅。

[0052]术语“V族”是指元素氮、磷、砷、锑和铋。

[0053]术语“VI族”是指元素氧、硫、硒、碲和钋。

[0054]本文所使用的术语“烃C-H键”是指位于烃分子内的氢和碳之间的共价键。C-H键可以按照前沿分子轨道理论描述为具有最高已占分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)。

[0055]短语“通过溶剂加速烃活化”是指由于溶剂引起的速率增加，这种速率增加可由C-H键活化结果预知或观察到。

[0056]短语“确定烃活化催化剂”是指预知可用于烃活化的催化剂身份的筛选方法。

[0057]本文所使用的术语“配体”是指与金属离子接触的一组原子、离子或分子。配体包含围绕着该金属的第一配位圈中的金属离子的一组原子、离子或分子。自由配体可能难以与溶剂分子区分。

[0058]本文所使用的术语“配位原子”是指由配体包含的与金属键接的原子。配位原子在某些实施方案中等价于“供体原子”。

[0059]术语“连氮杂环”是指二吡啶、二吡嗪、二嘧啶等。

[0060]术语“金属醇盐”是指与带负电荷的氧原子键接的有机基团，该有机基团还与带正电的金属离子或金属配体配合物键接。金属醇盐还指醇和金属离子的共轭碱。

[0061]术语“金属-烷基共价键”是指与过渡金属或金属配合物键接的烷基。

[0062]术语“金属烷基配合物”是指与金属配合物键接的烷基。

[0063]术语“金属羟基配合物”是指与金属配合物键接的羟基。

[0064]短语“在水溶液中的金属水合物”是指具有结合水分子作为配体的金属配合物。

[0065]术语“金属螯合物”是指包含金属和至少两个第IV族、V族或VI族配位原子结构部分的金属配体结合物，所述配位原子结构部分形成至少一个螯合环。

[0066]术语“熔融盐混合物”如NaOH/KOH或NaNH₂/KNH₂是指通过加热还原成液态的盐的混合物。

[0067]术语“氮杂环”是指包含环状结构的有机化合物，该环状结构包含氮原子作为环的一部分。它们可以是简单的芳族环或非芳族环。某些实例是吡啶、嘧啶和吡嗪。

[0068]本文所使用的术语“非基团产生”是指其特征在于不存在自由基的方法或过程。此类基团可以是氧基、碳基或金属基的。

[0069]术语“O-原子供体”是指在300℃或更低的温度下具有将甲烷热力学氧化成甲醇的势能的任何O-原子供体。甲烷氧化的热力学势可以由以下方程式计算：

CH₄+YO＝CH₃OH+Y

这一反应的吉布斯自由能变化ΔG_rxn确定O-原子转移供体是否具有将甲烷热力学氧化的势能。方程式：CH₄+YO＝CH₃OH+Y的基于计算或表列数据的ΔG_rxn值<0表明甲烷的转化是可行的。ΔG_rxn的近似值可以通过计算反应物和产物的键强度获得。基于此，Y-O键强度小于大约90kcal/mol的任何氧化剂(YO)是候选的O-原子供体。

[0070]术语“O-供体原子”是指与根据本发明某些实施方案的金属直接键接的配体或溶剂分子。O-供体原子可以属于O-供体配体。适合的O-供体配体包括乙酰丙酮酸根(acac)，环庚三烯酚酮，芳氧化物，儿茶酚和羟苯乙酮，例如2-乙酰基酚。

[0071]术语“氧化剂”是指在化学氧化、反应、过程或方法中将另一种物质氧化(从该物质上除去电子)的化合物。在这种情况下，氧化剂在该过程中变得被还原(获得电子)。氧化化学反应受到广泛地限定并且可以具有若干意义。在一个定义中，氧化剂从其它物质(还原剂)接收(接受)电子。由于这个原因，氧化剂称作电子受体。一般地说，此类化学事件按可以称作内界或外界的两种不同途径发生。在另一个意义中，氧化剂将O原子转移到还原剂。由于这个原因，氧化剂可以称作氧化反应物或氧原子转移剂。实例包括胺-N-氧化物、氧化铜、氧化铁、高碘酸根(IO₄ ^-)、钒酸根(VO₄ ^3-)、钼酸根(MoO₄ ^2-)、一氧化二氮(N₂O)、过氧化氢(H₂O₂)、硒酸根(SeO₄ ^2-)、碲酸根(TeO₄ ^2-)、次氯酸根(ClO^-)、亚氯酸根(ClO₂ ^-)、硝酸根(NO₃ ^-)和硫氧化物。

[0072]术语“氧化稳定性溶剂”是指在化学反应、方法或过程的任何步骤中本身不会被氧化的溶剂。

[0073]术语“氧插入剂”是指既用作氧化剂又用作插入金属-烷基共价键的氧原子源的试剂。实例包括胺-N-氧化物、氧化铜、氧化铁、高碘酸根(IO₄ ^-)、钒酸根(VO₄ ^3-)、钼酸根(MoO₄ ^2-)、一氧化二氮(N₂O)、过氧化氢(H₂O₂)、硒酸根(SeO₄ ^2-)、碲酸根(TeO₄ ^2-)、次氯酸根(ClO^-)、亚氯酸根(ClO₂ ^-)、硝酸根(NO₃ ^-)和硫氧化物。

[0100]术语“氧化的烃”是指羟基化的烃。甲醇是氧化的烃(甲烷)。

[0101]术语“耐氧化性配体”是指在化学反应、方法或过程的任何步骤中本身不会被氧化的配体。

[0102]术语“pH值”是指溶液中氢离子(H⁺)的活性的量度，并且因此是该溶液酸度或碱度的量度。pH值小于7的水溶液认为是酸性的，而pH值高于7的水溶液认为是碱性的。

[0103]术语“聚酰胺”是指有机化合物，它们具有两个或更多个伯酰胺基。

[0104]术语“多胺”是指有机化合物，它们具有两个或更多个伯氨基。

[0105]本文所使用的术语“多元醇”是指有机化合物，它们具有两个或更多个伯醇基。

[0106]术语“基团”是指具有奇数个价电子的分子并且可以是带电或不带电的(阴离子或阳离子)或中性的(自由基)。基团通常比具有偶数个电子的分子更具反应性。基团，尤其是氧和卤素基自由基可以与烃C-H键反应，但是这样进行的反应性选择能力为叔C-H键>仲C-H键>伯C-H键。相对于原料烷烃烃，甲醇和其它官能化产物的C-H键可能对与自由基的反应更敏感并因此可能与其在包括自由基的反应中形成的情形相比以更高的速率受到破坏。因此，依靠自由基反应而使C-H键分解的方法可能预计不可用于将具有伯C-H键的烷烃如甲烷选择性氧化以产生产物如醇。

[0107]术语“还原的氧化剂”是指在烷烃官能化过程中或作为烷烃官能化过程的结果已经将O原子转移了的氧化剂。举例来说，对于氧化剂SeO₄ ^2-，还原的氧化剂是SeO₃ ^2-。

[0108]术语“使催化剂再生”是指在烃的选择性氧化过程中的步骤。在这一步骤期间，将还原的氧化剂再氧化成氧化剂或氧插入剂。优选的再氧化剂是空气或二氧(O₂)。适合的氧化剂是可以按热力学有利的反应被空气再氧化的那些：Y+1/2O₂→YO其中在小于300℃的温度下ΔG_rxn<0kcal/mol。基于表列数据，仅出于举例目的给出以下实例。

SeO₄ ^2-+CH₄→SeO₃ ^2-+CH₃OHΔG＝-12kcal/mol在250℃下，K＝10⁵

SeO₃ ^2-+1/2O₂→SeO₄ ^2-ΔG＝-14kcal/mol在250℃下，K＝10⁵

NO₃ ^-+CH₄→NO₂ ^-+CH₃OHΔG＝-11kcal/mol在250℃下，K＝10⁴

NO₂ ^-+1/2O₂→NO₃ ^-ΔG＝-15kcal/mol在250℃下，K＝10⁶

CH₃S(O)CH₃+CH₄→CH₃OH+CH₃SCH₃ ΔG＝-2kcal/mol在250℃下，K＝6

CH₃SCH₃+1/2O₂→CH₃S(O)CH₃ΔG＝-17kcal/mol在250℃下，K＝10⁷

[0109]术语“再氧化段”是指用来使氧化剂再生的第二反应。图14描述了根据一个实施方案的再氧化段。在图14中，再氧化段接收还原的氧化剂，使用空气将该还原的氧化剂再氧化成氧化剂。

[0110]术语“再氧化条件”是指在再氧化段内将还原的氧化剂转变回氧化剂所要求的条件和组分。再氧化条件将根据方案14中使用的特定氧化剂改变。对于如图14所示的CuX/CuX₂，已知的Wacker方法中使用的条件可以例如用于将该氧化剂重整。

[0111]术语“释放氧化的烃”是指本文公开的烃的选择性氧化过程中的步骤。在这一步骤期间，氧化的烃从金属上释放。

[0112]术语“选择性氧化”是指在C-H键活化和后续步骤过程中催化剂显示的C-H键选择能力。例如当催化剂相对于仲或叔C-H键选择伯C-H键时，发生选择性氧化。当催化剂相对于氧化或官能化烃的烷基C-H键选择未反应的烃的烷基C-H键时，也可以发生选择性。

[0113]术语“固体载体”是指催化剂或催化剂配合物附着于其上的不溶性基体。实例是碱离子交换树脂。其它实例包括但不限于金属氧化物如氧化镁、氧化钙和氧化钡以及在氧化铝和某些沸石上的氟化钾。

[0114]术语“溶剂辅助的”是指溶剂分子在C-H键活化步骤的反应动能学中挥发的作用。溶剂辅助的结果是C-H键活化步骤和总体烃氧化过程的反应速率增加。

[0115]本文所使用的术语“过渡金属离子”是指任何过渡元素(即元素Sc至Cu，Y至Ag，La，Lu至Au)，尤其是W、Re、Os、Ir、Rh和Ru。

[0116]本发明涉及一类催化剂，它通过使用在碱性溶剂中的晚富电子金属如Os(II)、Ru(II)、Re(I)、Ir(III)可以将烃选择性氧化成有用的产物如醇。若干概念提供本发明这一实施方案的基础。它们包括：

I)处于选定氧化态下的特定金属可以在碱性溶剂中“活化”(变得更具反应性)；

II)此类金属可以用来催化烃氧化成产物如醇；

III)O-供体配体在这些反应中是有效的；

IV)在碱性介质中稳定的所选氧化剂是有效的并且可以用空气再循环的那些是尤其有用的；

V)金属氢氧化物和金属醇盐是有效的催化剂；

VI)基于用M-OY(其中Y是H或R)将烃RH加以C-H活化以产生YOH和M-R，接着O-原子插入开发的催化循环是用于将烷烃催化转化成醇的有效循环。

[0117]可以通过从在强酸介质中操作的体系的研究获得的知识理解本发明的某些实施方案。这些知识不希望看作是承认在此公开的发明内容的数据之前的知识。

[0118]在强酸性介质中操作的体系的后续研究已经表明那些体系在强酸中可有效地操作，因为该催化剂在酸性介质中促进C-H活化反应。如图1所示，反应经由C-H键的裂解和作为中间物的金属烷基配合物M-CH₃的产生进行。可以看出，C-H活化由有助于活化位垒的两个离散阶段(底物配位和C-H裂解)组成。因为在较低温度下使烃的C-H键断裂是开发在较低温度下操作的有效催化剂的关键，所以使C-H键断裂所包括的两个步骤的能量最小化在降低C-H活化反应的活化位垒方面是重要的。两个步骤都可以显著地帮助总位垒并且降低一个或两个可以引起有效催化剂的产生。C-H活化反应是有用的，因为这一反应在较低的温度下迅速地发生，是高度选择性的并且可以与官能化反应偶合成图2一般性示出的催化序列，用于产生有用的产物如醇、羧酸等。

[0119]Pt(II)和Hg(II)可用作催化剂，因为这些金属是负电性和“柔软的”并且与碳形成较强共价键。这是重要的，因为如可从图1中看出，来自MX与C-H键发生反应而产生金属烷基配合物产物的C-H活化反应的总热力学将设定该反应的最小活化位垒。因为第三和第二排金属与碳形成最强键，所以这些元素中的许多，例如Au、Pd、T1已经显示与甲烷发生反应。Pt(II)和Hg(II)是由强酸性溶剂活化的甲烷氧化催化剂的实例。这一溶剂活化的重要性由以下观察结果证实：汞(II)和Pt(II)都仅在强酸性介质中与烷烃反应；在较小酸性、无酸性或碱性介质中，这些金属不与烃反应或以不实际缓慢的速率进行反应。确实地，Pt(II)或Hg(II)催化的H₂SO₄/CH₄体系的较大缺点是在反应有效终止之前仅可能产生～1M甲醇，这是由于溶剂酸度的显著下降。这种产物抑制导致不实际地高分离成本。这一产物浓度受限的主要原因是当甲醇和水同时在反应混合物中聚集时，这些分子与Hg(II)离子优先配位并抑制催化。

[0120]Pt(II)或Hg(II)在强酸中活化的关键是用酸性溶剂的更弱束缚的共轭阴离子X^-替代与金属牢固配位的配体，例如水或醇，如方程式1所示。

LPt(H₂O)+X^-→LPtX^-+H₂O    ΔG₁>0    Eq

1

[0121]这产生更反应性，或“活化的”催化剂。为了理解要求考虑酸性溶剂作用的原因。在方程式1中，如果X^-是强酸的共轭阴离子，则它是弱的亲核试剂，并且因此可能与水相比与负电性金属的配位更不牢固。LPtX^-物质可能能量更高并因此被活化。如方程式1所示的反应因此是艰难的并且ΔG₁>0。

[0122]由于其更高的自由能，LPtX^-比LPt(H₂O)更具反应性。采用LPtX^-的烷烃活化(以下方程式2)可能显示比采用LPt(H₂O)(以下方程式3)的烷烃活化更低的活化位垒。也就是说，方程式2预计可能比方程式3更有利(要求更少能量)。

LPtX^-+CH₄→LPt(CH₄)+X^-    ΔG₂>0    Eq

2

LPt(H₂O)+CH₄→LPt(CH₄)+H₃O    ΔG₃>0，ΔG₂<ΔG₃    Eq

3

LPt(H₂O)+HX→LPtX^-+H₃O⁺+X^-ΔG₄≤0<ΔG₁    Eq

4

[0123]这可以从图1看出，其中可以看出从更高能量(更不稳定)的MX物质开始与从M(H₂O)物质开始相比导致更低的活化位垒。确实地，理论计算表明对于Pt二嘧啶催化剂这些物质之间的能量差异是～7kcal/mol。催化剂基态的这种较大稳定化导致催化活性的数阶的数值差异。这解释了在水或其它弱酸或碱存在下Pt(II)的不实际缓慢的反应速度和在强酸溶剂中的快速反应。

[0124]包括C-H活化的配位催化是非常有效的催化形式，因为底物对产物的键重排在构成该催化剂的另一个原子或其它原子的第一配位圈内进行调解。这是有用的，因为在整个转变期间反应物与催化剂键接所以反应物被催化剂“控制”。这与以下反应相反，在这些其中，反应物作为具有固有反应性的不能加以控制的“自由”物质产生，例如“自由”基，溶剂分离的碳阳离子、碳阴离子或碳烯。此外，因为在配位催化中与催化剂成键时释放能量，所以这可以补偿使底物中的强键断裂所要求的能量。酸和碱化学过程是包括质子和碱的配位催化的实例，其中化学过程在这些催化剂的配位圈内发生。在大多数酸和碱催化反应中，包括烯烃、羰基、芳烃、醇等的底物是非常好的配位物质并且可以容易地与质子或碱配位。然而，烃化学过程，尤其是烷烃中的关键挑战是这些物质属于已知的最弱配体。确实地，虽然几乎所有官能化类别的分子的配位金属配合物是已知的，但是尚末产生稳定的烷烃配合物。这样的结果是尚末开发出烷烃的有效配位催化。

[0125]开发用于将烷烃转化成醇的配位催化剂的另一个挑战是醇比烷烃更具配位性。因此，许多配位催化剂优先束缚醇而不是烷烃。这变得是成问题的，因为产物醇可能抑制烷烃转化催化剂。醇在碱度和配位能力方面与水相似并且醇可以容易地去水而产生水。此外，在许多情形中，希望在溶剂中进行配位催化，多数情况下希望的溶剂是质子物质如水、酸、碱等。因此，设计不受水抑制的催化剂是开发将烷烃有效氧化成醇的催化剂的主要挑战之一。

[0126]前沿轨道示意图和支持性计算提供了预知宽类别的化合物和它们的反应性的基础。图3描述M⁺离子的前沿轨道(LUMO和HOMO)与配体L、H₂O和强酸的阴离子X^-如HSO₄ ^-的相互作用。图3示出的关键点是M⁺和这些配体之间的初级相互反应是与M⁺的LUMO和L的HOMO。这是所谓的“亲电”催化剂的特征，其中这种前沿轨道相互作用比其它可能的相互作用更重要，而L的LUMO和M⁺的HOMO不是如此重要的。正如所料，基于原子的已知的相对阴电性和H₂O和典型的X^-物质的碱度，水的HOMO预计比X^-的高。相对于MX物质，这导致亲电催化剂LUMO与水的更强相互作用，M(H₂O)配合物的更强键接和更低能量以及更低的反应性和更低的催化剂速率。X^-的HOMO在能量方面更低并且可能与M⁺相互作用更小，从而产生更高能量、更具反应性的物质。图3与图1描述的稳定性的相对次序完全一致。

[0127]重要地，虽然基于这些考虑预计LPtX更具反应性，但是其基于方程式1的平衡浓度可能出于它是更具反应性的同样理由而预计是可以忽略的；所有它是更不稳定的。因此，在方程式1条件下，当水存在于该体系中时，LPtX在催化中可能不是重要的物质，即它可能不是催化剂的主要形式之一并且可能不影响反应速率。用LPtX促进催化的关键是，在酸溶剂中，由方程式4描述的平衡反应是最佳的(如采用QM计算证实)。在这种情况下，对于LPtX的产生来说反应是有利的，ΔG₄<0，原因在于质量作用(HX是溶剂)以及自由水由酸性溶剂引起的质子化(H₂SO₄的水化能是～-22kcal/mol并且LPtX可以变成重要的催化物质)。因此，在方程式4的条件下，在作为溶剂的HX存在下，图1所示的反应示意图可能考虑来自MX物质，因为在这些条件下，MX是催化剂静止状态，原因在于M(H₂O)不存在或两种物质以相当的浓度存在。因此，最后结果是，在酸性溶剂中，催化剂被“活化”到更反应性状态，LPtX物质。这些方面在图30中进行了示出。

[0128]除了基态(催化剂的最稳定状态)之外，图1还指出了对开发经由C-H活化反应操作的催化剂重要的其它考虑。这些考虑包括C-H裂解的能量位垒或过渡状态以及C-H活化产物M-C的稳定性。当考虑所有这些因素以及金属允许形成醇的官能化进行的要求时，理想的催化剂是具有以下特征的物质：

A)不与水或相关的氧物质强烈键接，

B)与碳形成强共价键，

C)对使反应途径上的各种结构稳定而需要的电子构型变化显示低的能量需要，和

D)可以反向地获得不同的氧化态。

[0129]高碱性溶剂(例如，NaOH/H₂O溶液，和MOH的低共熔熔融盐熔体如NaOH/KOH、NH₃等)是为烃氧化成产物如醇所希望的材料，因为它们是：

A)廉价的；

B)可以用水调和；

C)可以在合适的条件下除去水；

D)碱性溶剂可以与活化催化剂强烈地相互作用；

E)可以适当地溶解经设计的催化剂；和

F)可以“保护”氧化产物，例如醇以进一步氧化。

[0130]本发明的一个方面是实现：所选的正电性金属离子可以在碱性介质中朝C-H活化反应活化(产生更反应性的物质)而不是受到抑制。如在Pt(II)和Hg(II)体系的情况下，重要问题将是防止催化剂由于与水或醇产物优先配位而受到抑制，这种配位可能增加C-H活化的位垒。

[0131]图4描述了本发明的一个实施方案。图4描述了采用M-OH物质的C-H活化反应。如在MX物质的情况下那样，关键考虑是烷烃配位的能量、裂解的位垒和M-C形成的热力学。基于金属-碳键强度，认为第二和第三排金属的金属离子是尤其适合的实施方案。

[0132]在碱性介质如OH^-/H₂O或O^2-/OH^-，CH₃O^-/CH₃OH等中，金属配体配合物的组成为M-OY，其中OY是该碱性溶剂的共轭碱；当溶剂是水时为OH^-，当溶剂是NaOH/KOH熔融盐时为O^2-，当该溶剂是CH₃OH时，为CH₃O^-。因此，Y将是供电子基团如H、R、碱金属。如上所指出，M-X物质(其中X是吸电子性的)的反应可在酸性介质中进行。开发在碱性介质中与烷烃反应的催化剂的关键是要求M-OY(Y＝供电子基团如H、R、碱金属、Si、B等)与烃RH的反应产生C-H活化产物M-R和相应的产物YOH。

[0133]M-OY的这类反应的先例，其中OY Y＝H和Y＝烷基或芳基。图4描述的Ir-OMe金属配体配合物与纯苯在200℃以下反应产生Ir-Ph物质和MeOH(参见Tenn et al.J.Am.Chem.Soc.2005，127(41)，14172和其中报道的全部实验细节)。这一观察结果是采用M-OY物质的C-H键活化反应的实例，其中OY是碱性而不是酸性的。在这种情况下，碱性OY基团是甲氧基，它是甲醇的共轭碱。

[0134]图4中的C-H键活化过程与采用Hg(II)或高亲电性阳离子进行的那些不同。这一Ir(III)甲氧基体系用作M-OH物质的反应的先例，因为这一体系催化苯-H₆和D₂O之间的H/D交换。

C₆H₆+D₂O←催化剂→C₆H_nD_6-n(n＝0，6)+H_mD_2-mO(m＝0-2)    Eq

5

[0135]当图5中描述的Ir-OMe配合物溶于水时，观察到OMe和MeOH基团的损失并且(acac)₂Ir(OH)(H₂O)配合物是预计的产物。因此，D₂O和C₆H₆之间的这一交换是采用M-OH物质的C-H活化的证据和优先次序。实验和理论性计算表明这一交换的位垒是～30kcal/mol。观察H/D交换的上述方法包括确定在非酸性介质中的烃C-H键活化催化剂的方法。

[0136]Pt(II)和Hg(II)体系受碱性介质强烈抑制。因此，考虑Pt(II)的以下平衡，方程式6和方程式7，可以表明方程式6是有利的，而方程式7与方程式3乃至方程式4相比可能不利得多。如观察到的那样，这解释了为什么Hg(II)和Pt(II)都强烈地受碱性溶剂抑制。确实地，这些晚负电性金属的特征在于M-OH物质是酸性的并且有利地与OH^-进一步反应产生甚至更稳定的MO物质(方程式8)，该MO物质与M-OH物质相比与甲烷的反应性较差，即，方程式9不比方程式6或方程式7有利。

LPt^II(H₂O)+OH^-→LPt^II(OH)^-+H₂O    ΔG₆<0    Eq

6

LPt(OH)^-+CH₄→Pt(CH₄)+OH^-    ΔG₇>0，ΔG₇>ΔG₄    Eq

7

LPt^II(OH)^-+OH^-→LPt^IIO^2-+H₂O    ΔG₈<0    Eq

8

LPtO^2-+CH₄→Pt(CH₄)+O^2-    ΔG₈>0，ΔG_？>ΔG₇    Eq

9

[0137]将被碱性溶剂活化的金属是第二和第三排晚过渡金属氢氧化物LM-OH，它们与相应的水合配合物(方程式6，ΔG₉<0)相比热力学更不稳定(方程式10 ΔG₁₀>0)。此类M-OH物质可能预计增加水的碱度并且这可能用作确定适合的第二和第三排过渡金属氢氧化物作为候选催化剂的方法。与C-H键反应的此类LM-OH配合物比相应的LM(H₂O)物质更具反应性。

[M(H₂O)]⁺+OH^-→MOH+H₂O    ΔG₁₀>0    Eq

10

测量或计算ΔG值的方法包括确定新型烃C-H键活化催化剂候选物的方法。

[0138]Hg^II-OH和Pt^II-OH比相应的水合配合物Hg^II(H₂O)或Pt^II(H₂O)更稳定的原因与M(H₂O)配合物比MX配合物更稳定的原因相同。这些金属高度负电性的并且与更弱的供体H₂O或X^-(强酸的阴离子)相比与更强的σ电子供体如OH^-形成更强的键。这容易进行概念化，只要将OH^-相互作用添加到图3中以获得图6。可以看出，与H₂O或X^-相比，OH^-的更高HOMO导致与M⁺的LUMO的更大相互作用。

[0139]然而，图6还示出了与采用X^-相比可以将与OH^-或H₂O的键更加减弱的相互作用。这是因为，除了M⁺LUMO和配体HOMO之间的键接相互作用之外，还存在如图7所示的不稳定性M⁺HOMO与配体HOMO相互作用。在Hg(II)的情况下，这种HOMO-HOMO相互作用的重要性比Pt(II)的情况小得多，因为Hg(II)的HOMO是填充的5d¹⁰层并且在能量方面比H₂O或OH^-的HOMO低得多。然而，在Pt(II)过渡金属(价电子层是d-型轨道，d⁸金属)的情况下，HOMO和LUMO都是d-轨道并且M⁺HOMO与配体HOMO变得重要。因此，LPtOH金属配体配合物是否比LPt(H₂O)配合物更稳定取决于LUMO/HOMO有利相互作用和HOMO/HOMO排斥的复杂相互关系，这种相互关系可以根据配合物的几何结构、配体和这些各种轨道的能量改变。倘若必须考虑电子相互作用的这一增加的复杂性，则对于好的预示精确性，需要理论计算。

[0140]如图7所示，如果新的金属物质(指定为N⁺)经选择满足相对于M⁺LUMO和HOMO在能量方面都增加，则在N⁺LUMO和OH^-HOMO之间的键接相互作用将减少，而N⁺HOMO对OH^-HOMO的排斥将增加。在这种情况下，N⁺和OH^-之间的相互作用比与H₂O的相互作用弱并且N(H₂O)⁺与OH^-的反应是艰难的并且可以开发满足方程式10的要求的体系。

[0141]虽然方程式10所示的平衡可以经计算确定哪个N-OH不比根据本发明一个实施方案的N(H₂O)⁺配合物稳定，但是选择的概念基础也是可能的。基于已知的周期趋势，在周期表左侧的金属是更正电性的，由于右侧元素的增加的有效核电荷所以负电性不如在右侧的那些。在增加HOMO LUM0能级中，可以观察到在向左侧移动时这种负电性降低的趋势。因此，如上所讨论，基于FO考虑，可以预见在左侧的N-OH物质与在右侧的那些相比相对于N(H₂O)⁺将越来越不稳定。

[0142]这种一般性预计也与金属水合配合物的已知酸度一致，方程式11。因此，众所周知，金属水合配合物比在左侧那些更具酸性。因此，例如，Hg^II(H₂O)将预计在水中是酸性的并且这种离子的方程式11和ΔG₁₁<0在这种情况下，Hg^II的方程式9<0并且M-OH比N(H₂O)配合物更稳定。然而，随着移到周期表上的左侧，例如Os^II(H₂O)，在水中ΔG_II>0，因为这些金属水合配合物不是酸性的并且N-OH可能预计不如N(H₂O)配合物稳定。

11

[0143]如上所讨论，对于Pt(II)和Hg(II)在酸性介质中的情形，为了与任何物质的有效催化，该物质必须以显著浓度存在。因此，如果需要采用在水介质中的更不稳定的M-OH物质催化，必须调节条件以增加这一物质的浓度。这是碱性溶剂的作用，例如在方程式10中NaOH，并且是本发明的称作溶剂活化的一个方面。通过使用过量的OH^-，或使用除水以外的溶剂，方程式12的ΔG₁₂将预计比方程式10的ΔG₁₀更有利的，ΔG₁₂<ΔG₉并且可能的是，在一组合适的条件下，该平衡可能有利，ΔG₁₂≤0。

M(H₂O)+2OH^-→N-OH+[H₂O—OH]^-    ΔG₁₂≤0，ΔG₁₂<ΔG₉    Eq

12

MOH+RH→N-R+H₂O．    活化位垒  ，ΔG^*≤或≈30kca/mol    Eq

13

[0144]将这些概念与C-H活化反应方程式13结合，可以绘制能量图(图8)来说明使用碱性溶剂通过较不稳定的M-OH物质的形成活化金属朝向与烃的反应的原理。

[0145]说明这一原理的基于理论计算的两个实例在图9和图10中示出。可以看出，在四配位基(NOOO)Pt(IV)配合物的情况下，Pt(OH)₂在能量方面小于Pt(H₂O)(OH)配合物，该Pt(H₂O)(OH)配合物在能量方面小于Pt(H₂O)₂配合物，并且可能预计碱将抑制反应。然而，在Ir(III)较不负电性金属的情况下，形成Ir(OH)(H₂O)是有些容易的但是从Ir(H₂O)₂形成Ir(OH)₂是艰难的并且强碱溶液可能预计加速与烷烃的反应。

[0146]如图10描述，四配位基(N000)Ir(III)(H₂O)₂是较不直观的并且需要进一步的讨论来理解为什么Ir(OH)(H₂O)比Ir(H₂O)₂更稳定但是Ir(OH)₂却更不稳定。从对质子的亲合性来看，OH^-与H₂O相比是更好的σ供体。因此，最初地，OH的形成是稳定的。然而，它也是更好的π-供体并且因为Ir(III)是t_2gHOMO能级的所有d-轨道被填充的d⁶金属，所以Ir(III)上的d-π电子和OH^-上的π-π电子之间的增加的填充-填充p-π与d-π排斥可能使如上所讨论的Ir(OH)₂配合物中的Ir^III-OH键减弱。因此，根据金属上电子的LUMO能级以及HOMO能级(以及几何结构σ或π等)，N-OH配合物可能预计比M-H₂O配合物更稳定，稳定性相当，乃至在金属的合适选择下不如该M-H₂O配合物稳定。在图10中，C-H裂解的过渡状态是所谓的氧化氢转移或OHM。然而，可能的是，包括氧化添加至7-配位(NOOO)Ir(OH)(H)(CH₃)中间物，接着水或OH^-辅助还原消除或Ir-H交换的其它路径可能导致更容易的裂解。OHM(或σ键易位，包括H从C转移至OH的协同反应)和氧化添加路径在图11中进行了对照。从图11可以看出，[(acac)₂Os(OH)₂]^2-比(acac)₂Os(H₂O)₂配合物大～10kcal/mol。因此，从这一配合物开始产生甲烷配合物[(acac)₂Os(CH₄)(OH)]^-可能降低位垒10kcal/mol；这可能致使速率方面的较大改进。产生Os(OH)₂的关键是OH^-与H₂O的水合，这可能相当于～10kcal/mol的驱动力。

[0147]理论计算可以在简化合适的金属催化剂的选择中起重要作用。然而，基于金属和配体的已知性能也可以作出一般性预计。因此，从Hg(II)运动到左侧时，金属配体配合物的HOMO和LUMO能级可能在能量方面都增加并且N-OH可能不如N(H₂O)₂稳定并且此类配合物可能在碱性溶液中活化。此类晚过渡金属氢氧化物的实例是Os^II-OH、Re^I-OH、Ir^III-OH。氧化态是重要的，因为高氧化态金属氢氧化物将具有较低的碱性并且事实上可以变成酸性的。此外，金属上配体的性质也可以控制金属氢氧化物的碱度或酸度。

[0148]二氢分子(H₂)是CH₄的良好模式，即使是更具反应性的模式。这是因为均裂键强度是类似的(～103kcal/mol)并且采用CH₄和H₂的自由基反应需要反应性中间物或苛刻条件。此外，与H₂或CH₄的H-D交换通常在自由基反应中观察不到。因此，如果观察中的与H₂或CH₄的H-D交换温和，很可能正在通过H-H或C-H活化发生反应，而不是通过涉及自由基的过程。为了提供使用碱性溶剂的证据，研究了在酸性和碱性氘化溶剂中(acac-O，O)₂Os^IVCl₂与H₂的反应。在酸性介质(例如乙酸或酸性水)中使H₂与(acac-O，O)₂Os^IVCl₂接触没有显示H-D交换。然而，当将该配合物添加到碱性水(10wt％NaOH/D₂O)中时，与背景反应相比可容易地观察到H₂交换。[参见实施例2]

[0149]除了C-H活化反应之外，本发明的金属配体配合物应该允许催化循环，这种循环为开发通过溶剂辅助催化氧化亲核取代(SACONS)操作的新型、有效催化剂体系提供基础。为根据本发明的方法提供基础的此类催化体系的实例在图12中示出。这一催化循环方面的主要区别是在金属中心处于不需要正式的氧化还原改变，其中反应通过将氧原子插入C-H包含金属烷基共价键的活化中间物M-R来进行。

[0150]图12所示的催化循环包括金属醇盐的反应，但是在图13中示出了由本发明的催化剂体系允许的替换物，它使用所需醇到共轭碱。在此，包含羟基配体的金属配合物如图13所示那样使用。

[0151]如图13所示，M-OR在有合理先例的官能化步骤中通过与水或其它相容的溶剂的反应转变成M-OH物质。氧化步骤：

[0152]如图12所示，用O₂直接地进行氧化步骤。然而，如图13所示，可以用指定为YO的氧化剂间接地进行氧化步骤。如所示，YO用作可逆的O-原子供体/受体。这是有用的构思，因为YO可以按可再循环、化学计量方式使用[如已知的采用Cu(II)将乙烯氧化成乙醛的Wacker方法中那样]。在实践中，在两个反应器中进行这些反应。

RH+YO→ROH+Y    反应器1    (Eq14)

Y+1/2O₂→YO    反应器2(Eq15)

总反应RH+1/2O₂→ROH    (Eq16)

[0153]图14中的方法的一个优点是在加工过程中O₂不与烃混合。如果在包括三重基态氧的反应的存在下产生醇，则这使可能的烃/O₂爆炸性混合物的形成最小化，并且使由于很可能的自由基反应引起的反应选择性损失最小化。该方法也允许通过YO的备选选择更灵活地设计M-R金属配体配合物，而不是限于与O₂的反应。

[0154]与醇的产生不矛盾的将M-R物质转化成M-OR的先例是已知的。众所周知，RLi、R-Na、R₂Mg等与二氧反应，但是这些物质是强碱并且不与在碱性溶剂中的醇的产生相容。与醇的产生更相容的是R-Ni与O₂反应产生M-OR和通过水解产生醇的报道。然而，这些反应经由自由基反应进行是可能的，这除了所需的醇之外还可能产生其它不希望得到的产物。更近的先例是CH₃ReO₃与H₂O₂在碱性溶剂中反应产生MeOH和NaReO₄，方程式17。这一反应在室温下在含过氧化氢的碱性水中较迅速地进行。这一反应的可能性提出低能量过渡状态和优选的路径。

CH₃ReO₃+H₂O₂+NaOH→CH₃OH+NaReO₄+H₂O    Eq

17

[0155]在破坏CH₃ReO₃(MTO)的方法范围中，方程式17中的反应由Espenson首先报道(Abu-Omar et al.，J.Am.Chem.Soc1996，118，4966-4974，and Espenson Chem Comm，1999，479-488)，MTO用于各种催化反应。该工作的焦点不是产生甲醇的方法。为该反应提出了若干机理。该反应可以认为与商业上使用的酮的温和的Baeyer-Villiger氧化相似，图15。与Baeyer-Villiger反应相似，我们提出MTO以类似的方式反应(图16)。该对比强调OOH^-是O-原子供体的实例，其中OH^-作为离去基团，碱性溶液中的可接受的离去基团。这可以按图17所示概括并且可以实现用于这一反应的其它氧化剂的预计。

图17是本发明若干实施方案的概念基础。

实例氧化剂

[0156]Y的作用是作为离去基团和作为可再生氧化剂。在本发明的一个实施方案中，适合的YO氧化剂是胺-N-氧化物、氧化铜、氧化铁、高碘酸根(IO₄ ^-)、钒酸根(VO₄ ^3-)、钼酸根(MoO₄ ^2-)、一氧化二氮(N₂O)、过氧化氢(H₂O₂)、硒酸根(SeO₄ ^2-)、碲酸根(TeO₄ ^2-)、次氯酸根(ClO^-)、亚氯酸根(ClO₂ ^-)、硝酸根(NO₃ ^-)和硫氧化物。确实地，实验发现若干这些和相关氧化剂将在碱性水中使MTO转化成甲醇，从而证实图17中所示的概括方案(参见实验部分中的实施例3)。

[0157]根据本发明的另一个实施方案，某些氧化剂可用空气或O₂再生。适合的空气或O₂可再循环氧化剂包括但不限于氧化铜(CuO)、硒酸根(SeO₄ ^2-)、钒酸根(VO₄ ^3-)和硫氧化物。氧化剂(YO)的尤其有用的实例是可以用氧或空气从Y再氧化成YO的那些。此种氧化剂的实例是如图18所示的SeO₄ ^2-。

[0158]例如由本发明的催化剂经由图12和图13所示的机理催化的SeO₄ ^2-与CH₄的反应是有利的。因此，这一反应可以在一个反应器中进行以产生甲醇。在第二个步骤或反应器中，还原物质SeO₃ ^2-(图17中Y的一个实例)的再生也是热力学有利的并且可以采用O₂或空气进行。重要地，这种SeO₃ ^2-被O₂再氧化以产生SeO₄ ^2-仅在碱性溶液中才是热力学可行的。这显示了使用碱性溶剂的重要优点；许多物质的再氧化成为可能。其它的实例可以选自CuO、FeO₂、O₃VO^2-等。

CH键活化实施例：

[0159]包含M-OH或M-OR结构部分的金属配体配合物与烃反应通过C-H活化反应产生M-R物质。C-H键活化在此限定为致使M-R物质形成而不经由自由基、碳阳离子或碳阴离子的产生进行的反应。此种C-H键活化允许开发在碱性介质中经由图12和图13所示的催化循环操作的新型催化剂。因此，如本文的试验结果所示，反式(acac)₂Ir(OCH₃)(CH₃OH)与苯的反应产生反式(acac)₂Ir(Ph)(L)配合物，如方程式15所示。使用理论计算也发现这一反应是热力学有利的并且与基于图4中所添加的2的～75％的高反应产率一致。

[0160]假若M-OR和M-OH金属配体配合物之间具有预计的相似性，图4中的这种反应为图12和图13所示的反应提供先例。图4中的金属配体配合物2溶于水产生自由甲醇的观察结果与反式(acac)₂Ir(OH)(H₂O)配合物的形成一致。这与观察结果联系，2[或转变成反式(acac)₂Ir(OH)(H₂O)]的水溶液将催化与苯交换以提供如图12和图13所示M-OH物质与烃的反应的先例。

[0161]不要求C-H与M-OH或M-OR金属配体配合物的活化反应是热力学有利的以有益地引入图12和图13中所示的催化循环。确实地，假定～30kcal/mol的总活化位垒是为这些催化反应可接受的，即使其中M-OH和M-OR金属配体配合物与烃C-H产生M-R中间物的活化步骤由于～20kcal/mol而是艰难的(假定逆反应的活化位垒为～10kca/mol)。理论实施例部分

[0162]已经对与M-OH物质的C-H键活化反应显示可能性的若干体系进行了计算。两个实施例在图27和图28上示出。

[0163]这些计算采用在此描述的高精确基本原理量子力学(QM)进行。这使用密度函数理论(DFT)与基于概括的梯度近似值(表示为B3LYP)的杂化交换相关函数。现已公开了许多实例说明这些方法产生非常精确的与实验(当可获得时)高度一致的动力学(位垒高度)和反应焓。这制定了置信水平，即在计算中使用的金属配体配合物将产生与预计的那些接近的速率和动能学。用于新发明的催化剂的实践的此类基本原理已经预先用于两性离子活化的易位聚合催化剂(Goddard III et al.，美国专利号5,939,503)和极性烯烃活化易位聚合催化剂(Philipp etal.，美国专利号6,777,510)，该两篇文献整体地在此引入作为参考。

[0164]合适d⁶，6-配位金属配体配合物包括四个第IV族，第V族或第VI族供体原子如包括在螯合配体内和由不稳定溶剂配体如水性-OH和H₂O占据的两个反应性部位。合适的配体供体原子可以是O-供体原子配体如图19和图20所示的儿茶酚和乙酰丙酮酸根但是包括IV、V和VI族供体原子的其它合适的配体包括C、N、P或S，和它们的结合物。金属配体配合物可以设计用来通过如图19和图20所示螯合两个、三个、或全部四个配体给体原子制备彼此顺式的OH和H₂O基团。

[0165]将烷烃选择性氧化和转化成醇的关健挑战是醇比烷烃更反应性，特别是在自由基反应中如在基于金属氧化物的其它烷烃转化体系中使用的氧化体系。本发明实施的C-H活化基体系的主要优点是避免反应体系中的自由基并且观察到醇产物的反应性不如烷烃。产物保护在强酸性介质中操作的Hg(II)、Pt(II)体系中观察到，但是这一产物保护归因于溶剂质子对醇的质子化或氢键合[ROH----HX]，这导致醇的C-H键中电子密度减少和对亲电金属配体配合物的反应性减少。

[0166]按类似方式，在碱性介质中的醇产物与烷烃相比对本发明所包括的亲核金属催化剂的反应性更低。这是因为醇和氢氧化物之间的氢键合[ROH----OH]^-提高醇的C-H键上的电子密度，因为这有效地用H-C-O^-键替换H-C-H键。因为O^-与H相比是更供电子性的，所以HCO^-中的剩余C-H键将更富电子并且对催化剂具有更低反应性以致主要通过金属HOMO对C-H LUMO相互作用而相互作用。这由图25描述的理论计算显示。经由此类电子相互作用(金属π-对称HOMO对烷烃LUMO)操作的催化剂因此可以称作亲核催化剂。

[0167]作为一个类别，包含配体该配体又包含O-供体原子的金属配体配合物实验上观察到是动力学不稳定的。经历一个配体被另一个配体快速取代的过渡金属配体配合物是不稳定的，然而其中取代进行缓慢或完全不进行的配合物是惰性的。此外，由于“硬软”理论研究，“硬”O-供体原子配体不与“软”晚金属相容。因此，包含O-供体原子的配体通常不用于可溶性催化剂的设计并且配体更动力学惰性的配体如N、P和C-供体配体是更常用的。重要地，动力学不稳定性的这种一般观察仅适用于酸性介质，特别是强酸性介质。因此，虽然M-OCH₃配合物在酸性介质中是相当不稳定的，但是这些配合物在碱性介质中可以是动力学惰性并因此是稳定的。因此，对于在中性或碱性介质中的反应，O-供体配体是足够稳定的非参与配体以允许催化。虽然存在O-供体原子，晚金属配合物的实例，出于晚金属的动力学惰性的关系，不相容性的问题很可能与合成O-供体，晚金属配合物的问题有关。

[0168]催化剂体系可以担载在金属氧化物或其它合适的载体上。此类担载催化剂的主要优点是体系的高稳定性，这归因于在氧化条件下氧化物载体的稳定性。包含O-供体原子配体的可溶性，号称“均匀”的金属配体配合物还显示非均匀体系的一些有利特性。

[0169]因此，包含耐氧化性配体该配体又包含配位用O-供体原子的金属配体配合物显示更大的氧化稳定性。适合的O-供体配体包括乙酰丙酮酸根(acac)，环庚三烯酚酮，芳氧化物，儿茶酚和羟苯乙酮，例如2-乙酰基酚金属配体配合物。与通常用于C-H活化的N、C或P-供体配体相比，包含O-供体原子的金属配体配合物显示更高的热、质子和氧化稳定性，实现具有晚过渡金属的氧-金属键的预期的共价性质和氧的更低碱度。

[0170]本发明的另一个方面是与基于N、P和C-配位原子配体的配合物相比某些O-供体配体在化学方面导致显著的变化。因此，包含O-原子配位原子的配体a)经由在催化过程中的硬/硬相互作用或π-给予作用促进通向高氧化态，这有利于概括的催化循环[图2、图12、图13]中描述的官能化步骤；b)通过σ-吸引和π-给予性能的相互影响节制在金属中心的电子密度和减少通常在采用非常富电子或贫电子的金属中心时观察到的溶剂、产物或反应物抑制的可能性；和c)促进与富电子晚过渡金属配合物的C-H键活化反应，这种反应经由“氧化加成”或插入路径进行。

[0171]已经通过苯基-Ir相互作用为由π-给予作用促进的C-H键活化反应提出了理论及实验依据。因为与金属中心直接附着的O-供体配体可能是有效的π-供体，可能的是，O-供体，d⁶，5-配位，正方形锥状金属配体配合物受益于基态扰动，这种扰动从非键合O-pπ至金属-dπ，填充-填充排斥或所谓的“π-冲突”以及受益于通过重新键入空金属-dπ轨道的非键合0-pπ电子的稳定化，当M-C和M-H键由C-H活化形成时，图27。3-配位，d⁸和5-配位d⁶金属最适合于这类有利的π-π相互作用。特定的金属离子氧化还原对如Pt(II)/IV)，Ir(I)/(III)，Os(II)，Ru(II)，Re(I)是C-H键活化和官能化用金属催化剂的合适的实施方案。

[0172]用螯合N和O-供体原子配体与相关的配合物比较的基本原理QM计算支持O-供体原子配体是特别适合的观点。因此，如图27和图28所示，由计算支持的证实，与Os(II)乙二醇和乙二胺配合物的C-H活化反应表明O-供体配位的配合物显示较低的C-H活化的位垒。如早先讨论的那样，(acac-O，O)₂Ir(OMe)(MeOH)配合物，O-供体原子配合物，显示与芳烃C-H键的容易反应并且提供O-供体配体可以有效用于这一反应的附加证据。

[0173]由基本原理理论计算支持的一般键合和电子概念表明不是高负电性的第三和第二排金属的低氧化态，通常d⁶M-OH配合物的反应包括开发图12和图13所示催化循环的良好候选。特定的金属离子氧化还原对如Pt(II)/(IV)，Ir(I)/(III)，Os(II)，Ru(II)，Re(I)是C-H键活化和官能化用金属催化剂的合适的实施方案。

[0174]虽然已经确定了合适的金属和金属配体结合物，剩下的问题是此类低氧化态金属是否可在氧化剂如O-原子供体缩写为YO存在下使用。这是催化体系进行氧化反应的一般问题，其中催化剂的所需氧化态低于用作催化剂的金属的可能的最高氧化态。问题是低氧化态金属配体配合物Mⁿ-OH(除在C-H活化反应中与烃C-H键起反应之外)可以在氧化剂YO(对于总氧化反应需要它以较高浓度存在)存在下氧化至较高氧化态金属配体配合物Mⁿ⁺²-OH，它可能与烷烃具有较低反应性，如图21所示。

[0175]图21所示的一个问题是，如果步骤k₄进行不可逆地产生高氧化态金属配体配合物Mⁿ⁺²(＝O)(OH)，它不与烷烃CH₄起反应[或与Mⁿ(OH)H₂O]]相比反应较慢]，则所需的催化循环将在某些催化循环中不可避免地停止(下降到某种不切实际的速率，该速率可以定义为所需催化速率的1/10)，这取决于步骤k₄(k₄[Mⁿ(OH)(H₂O)][YO])与总所需催化循环的相对比率。这是因为如果不是全部至少大多数金属配体配合物将最终作为Mⁿ⁺²(＝O)(OH)存在以致催化有效地停止。如果我们假定k₁是催化循环中的速率限制步骤，则催化循环的速率将由k₁[CH₄][Mⁿ(OH)(H₂O)]给出，在催化有效停止之前的循环数目将与k₁[CH₄]/k₄[YO]有关。因此，如果k₄大于k₁，并且YO的浓度大于CH₄，则催化可以迅速地停止或确实从来观察不到。

[0176]这种情形可以存在于所有其所需的催化剂是较低氧化态物质的氧化体系。因此，在强酸中的Pt(bpym)Cl₂体系中，也存在这种情形因为在这种体系中与甲烷起反应的催化剂的优选氧化态(它可以是速率控制步骤)是Pt(II)不是Pt(IV)。这在图22中示出。Pt(IV)与甲烷的反应速率显著地更低。

[0177]这提升了设计催化剂体系的关健问题使得它们将由于此类方法而钝化。此类设计通常是可能的并且可以通过检查强酸中的Pt(bpym)Cl₂体系来理解，该体系在强酸中是可行的催化剂体系尽管观察到步骤k₄确实进行。

[0178]一个设计策略是企图使k₄比k₁慢得多，即减慢催化剂的不可逆氧化。然而，这是不切实际的，原因在于在Pt(bpym)Cl₂体系的催化循环中需要氧化。确实地，即使可能，这也将仅减慢而不阻止催化剂的消灭。本发明的一个方面是设计稳定的催化剂体系，该催化剂体系认可将使活性催化剂L_nPt^IIX再生的催化剂[在k₄中产生的L_nPt^IVX₃物质]的高氧化态的反应路径。此种步骤在图23中因为k₅示出。因此，众所周知，L^*Pt(IV)物质容易地与LPt(II)物质起反应以通过原子转移反应简并地产生L^*Pt(II)和LPt(IV)物质，即使当L和L^*是相同物质仍如此。在反应k₅中，LPt^IVX₃与LPt^II(CH₃)的反应已经表明既是容易又是热力学可能的，因为LPt^IV(CH₃)X₃和LPt^IIX比反应物更稳定，方程式18。这是因为CH₃与X(HSO₄ ^-)相比是更供电子性的并且与Pt(II)相比将使Pt(IV)更稳定并且有可能是方程式18的主要驱动力使该反应变得有利。此外，X^-与Pt(IV)相比可以使Pt(II)更稳定，但是这很可能不是反应的主要驱动因素。

LPt^IVX₃和LPt^II(CH₃)-k₅→LPt^IV(CH₃)X₃和LPt^IIXΔG<0    Eq

18

[0179]因此，Pt(bpym)Cl₂体系是稳定的，因为由于步骤k₅的容易性质的关系活性催化剂LPt^IIX不是不可逆地转变成非活性LPt^IVX₃。应指出，步骤k₅使该体系向稳态体系自动催化，因为形成任何LPt^IICH₃由于非活性形式LPt^IVX₃的还原促进活性催化剂LPt^IIX的产生。这又会导致更多LPt^IICH₃的形成。因此，如果步骤k₅与其它催化步骤竞争，则该体系将达到稳态条件，其中催化剂将在图23所示的所有状态之间形成物质，而非最终都形成可能使催化停止的LPt^IVX₃。

[0180]对强酸中的Pt(bpym)Cl₂体系的洞察暗示了阻止低氧化态催化剂由于氧化反应中的不可逆氧化成非活性高氧化态而变得钝化的一般方法。在通过图21所示的催化循环操作的催化剂体系的情况，一般解决方案是设计允许图24所示的k₅步骤可以运行的催化剂体系。

[0181]如在强酸中的Pt(bpym)Cl₂体系的情况，关健是确保催化剂Mⁿ⁺²(＝O)(OH)的非活性高氧化态可以在步骤k₅中反应而在将该催化物质Mn(CH₃)(H₂O)氧化成Mⁿ(OCH₃)(H₂O)的过程中使活性催化剂Mⁿ(OH)(H₂O)再生。这可以预计是有利的反应，只要Mⁿ⁺²(＝O)(OH)和Mn(OCH₃)(H₂O)具有类似的稳定性并且由于CH₃供电子基团的存在而被促进。促进这一在碱性介质中的反应的关健是利用在连续氧化态之间具有类似稳定性的金属配体配合物。此类金属的实例是Re、Os、Ir、Ru、W和Rh。这些金属处于元素周期表过渡系列的中部，其中连续电离能量的差异属于最小。

实验和计算部分

[0182]使用基本原理量子力学(QM)使用密度函数理论(DFT)的B3LYPflavor测定图9-11、19、20、25、27和28所示的计算的反应路径和能量学。这一DFT函数使用Becke三参数杂化函数(Becke，A.D.J.Chem.Phys.1993，98，5648)和与之结合的Lee，Yang and Parr的相关函数(Lee et al.，Phys.Rev.B 1988，37，785.)，以Jaguar 5.5和6.0软件包完成(Jaguar 5.5，Schrodinger，Inc.，Portland，Oregon，2000；Jaguar 6.0，Schrodinger，Inc.，Portland，Oregon，2005)。B3LYP已经证实对含过渡金属的化合物的反应剖面图产生精确的描述(参见Bakeret al.In Chemical Applications of Density-Functional Theory；Laird，B.B.，Ross，R.B.，Ziegler，T.，Eds.；ACS Symposium Series629；American Chemical Society：Washington，DC，1996和Niuetal.，Chem.Rev.2000，100，353)。通过Wadt和Hay核-价(相对论)有效核势能(明确地处理价电子)使用具有基函数LACVP^**(参见Hay & WadtJ.Chem.Phys.1985，82，299；Goddard III Phys.Rev.1968，174，659；和Melius et al.，Chem.Phy s.Le tt.1974，28，457)的价双-ζ缩写式的LACVP基集描述金属。对于所有其它元素(H、C、O、N)，使用Pople6-31G^**基集的改进变型明确地描述所有电子，其中六个d函数简化为五个(参见Hariharan&Pople Chem.Phys.Lett.1972，16，217和Franclet al.，J.Chem.Phys.1982，77，3654)。

[0183]在获得能量学和反应路径中，考虑溶剂对结构和能量学，特别是过渡状态的位垒高度的极化影响是重要的。为了进行此类计算，使用Poisson-Boltzmann(PBF)连续区段方法(参见Tannor et al.，J.Am.Chem.Soc.1994，116，11875和Marten et al.，J.Phy s.Chem.1996，100，11775)，该方法根据分子配合物的QM描述考虑由于静电场引起的溶剂的极化。该PBF方法是可极化的独立反应场方法，其中其独立计算的能量包括溶剂极化场对分子配合物的电子和结构的反应。使用已经证实产生优异值的Jaguar 5.5和6.0软件包中的PBF执行方法。对于水中的计算，使用水性环境(ε＝80.37，探头半径＝1.40埃)。使用Jaguar中限定的范德华半径的标准设置，例如，H(1.150埃)，C(1.900埃)，O(1.600埃)，Cl(1.974埃)，Br(2.095埃)，Pd(1.450埃)和Pt(1.377埃)。

[0184]由于在溶剂化相中优化体系的成本提高(计算时间增加了～4倍)，报道的溶剂化影响有时计算为对气相几何结构的单点溶剂化修正量。对Ir(acac)₂体系的工作表明当在溶剂化相中优化体系时总能量、几何结构、频率和零点能量基本上无变化。

[0185]图9-11、19、20、25、27中的能量报道为ΔH(OK)＝ΔE+零点能修正量+溶剂化修正量。对于稳定的中间体，基于ΔH(OK)表面的相对能量预计精切到3kcal/mol以内，对于过渡结构，精确到5kcal/mol以内(参见Bhalla et al.，J. Am.Chem.Soc，2005，127，11372)。此外，异电子物质(如区域异构体)的相对能量精确得多，因为基本上消除了误差。

[0186]自由能计算为ΔG(473K)＝ΔH(473K)-TΔS(473K)，其中ΔH＝ΔE(气相)+ΔE(溶剂化修正量)+ZPE+ΔH(vib)+3kT*Δ(n)。最后项3kT对于在473K下旋转和平移对焓的贡献总量是定值，计算为2.823944kcal/mol。ΔS项通过将ΔS(振动)+ΔS(平移/转动)+ΔS(同轴)总计来计算。ΔS(振动)根据在473K下Jaguar气相计算取得，而ΔS(平移/转动)是30cal/mol^*K的定值。

[0187]对于ΔH(平移/转动)和ΔS(平移/转动)项分别使用3kT和30cal/mol^*K以根据热力学特性的气相计算中获得的值考虑溶剂的折算值。对于溶剂化反应，这些气相值小得多(参见Truongetal.，J.Chem.Phy s.1997，107，1881和Cramer&Truhlar Chem.Rev.，1999，99，2161)。

[0188]使用分析Hessian通过振动频率计算优化和评价所有几何结构的虚数频率的正确数目。零虚数频率对应于局部最小值，而1虚数频率对应于过渡结构。虽然单重态预计是最低能量自旋态，我们还对所选的几何结构研究了更高的自旋态，并且总是发现单重态为最低能量状态。

[0189]为了减少计算时间，用氢替换acac配体上的甲基。对照计算表明当包括甲基时中间体和过渡结构的相对能量变化小于0.1kcal/mol。

[0190]或者在MBraun惰性气体手套箱中，或者使用标准Schlenk技术在氩气下进行所有空气和水敏感性程序。从Mg/I₂干燥甲醇，从钠/二苯甲酮缩酮干燥苯。所有氘化溶剂(Cambridge Isotopes)和NaOCH₃(Aldrich)原样使用。配合物1和1-Cl如文献(Matsumotoetal.，J.Mo I.Cat.A-Chemical 2002，180，1)所述制备。在装备着交联的甲基硅酮胶毛细管柱(DB5)的Shimadzu GC-MS QP5000(第二版)上进行GC/MS分析。通过与可信样品的对比证实产物的停留时间。在室温下在Varian Mercury-400分光光度计上获得NMR谱。所有化学位移按单位ppm报道并且引用残留质子化溶剂。通过UCLA Pasarow MassSpectrometry Laboratory在ESI质谱仪上获得所有高分辨率质谱。通过Desert Analytics of Tucson，Arizona进行元素分析。

[0191][CH₃O-Ir(O，O-acac)₂(CH₃OH)](2-CH₃OH)的合成：向顶端装备有高真空阀的30mL厚壁细颈瓶添加[acac-Ir(O，O-acac)₂]₂1(370mg，0.38mmol)、甲醇钠(128mg，2.37mmol)和30mL甲醇。在搅拌下在130℃下加热该混合物30min。在此期间，溶液的颜色从黄色转变成暗红色。在冷却之后、让该溶液滤过在中孔隙度玻璃料上的碱性氧化铝的垫片两次、并在氧化铝上通过离心薄层色谱法使用9∶1的乙酸乙酯：甲醇进行纯化(使用二氯甲烷将原料装载到圆盘上并用二氯甲烷洗大约5分钟然后洗脱。在真空下浓缩该洗脱液产生大约74mg(22％)为橙色固体的标题配合物。¹H NMR(CD₃OD)：δ5.50(s，2H，CH)，2.83(s，3H，Ir-OCH₃)，2.01(s，12H，CH₃).  ¹³C{¹H}NMR(CD₃OD)：δ187.39(C-acac，C＝O)，103.9(O-acac，CH)，55.9(OCH₃)，27.0(O-acac，CH₃).HRMS(ESI)：对于Cl₂H₂₂IrO₆(M+H)计算455.1046、发现455.1035。元素分析：对于C₁₂H₂₁IrO₆计算：C，31.78；H，4.67。发现：C，31.82；H，4.53。通过在氯仿中缓慢蒸发浓缩的样品而生长出单晶。

[0192][CH₃O-Ir(O，O-acac)₂(CH₃OH)]的备选合成(2)：向50mL可再密封Schlenk管添加[Cl-Ir(O，O-acac)₂]₂ 1-Cl(250mg，0.29mmol)、甲醇钠(125mg，2.32mmol)和30mL甲醇。在搅拌下将该混合物加热到温和回流保持32hr。在此期间，溶液的颜色从黄色转变成暗红色。在真空下从管子中除去挥发物，将剩余的固体溶于二氯甲烷，滤过中孔隙度玻璃料，并在氧化铝上使用5∶1的乙酸乙酯∶甲醇通过柱色谱法纯化。在真空下浓缩该洗脱液产生5％为橙色固体的标题配合物。

[0193][CH₃O-Ir(O，O-acac)₂(Py)](2-Py)的合成：向15mL可再密封Schlenk管子中加入2-CH₃OH(10mg，0.022mmol)和吡啶(7mL)。然后将该Schlenk管子密封，并放入55℃油浴中保持30分钟。将所得的黄橙色溶液冷却到室温，并在真空下除去挥发物，以定量产率产生黄橙色固体。从二氯甲烷中将该产物再结晶。¹HNMR(CDCl₃)：δ8.25(d，2H，o-Py)，7.72(t，1H，p-Py)，7.24(t，2H，m-Py)，5.32(s，2H，CH)，3.16(s，3H，Ir-OCH₃)，1.94(s，12H，CH₃). ¹³C{¹H}NMR(CDCl₃)：δ185.2(C-acac，C＝O)，152.1(o-Py)，137.5(p-Py)，124.9(m-Py).102.8(O-acac，CH)，57.9(OCH₃)，26.9(O-acac，CH₃)。HRMS(MALDI-TOF)：对于C₁₆H₂₂IrNO₅Na(M+Na)计算524.1025、发现524.1043。

[0194]根据图42和苯之间的CH活化反应：向可再密封的Schlenk管子中添加2(5mg，0.011mmol)和(1mL)。在氩气气氛下放置之前将所得的悬浮液完全地排气。将该管子密封然后在油浴中加热到160℃保持10分钟。在几分钟加热之后，溶解的固体产生透明的橙黄色溶液，该溶液在该反应过程中变淡为透明淡黄色。在冷却到室温后，除去溶剂而产生黄色固体，该固体的特性为由我们的组此前报道的铱苯基配合物。^4a 1H NMR(THF-d8)：δ6.65(m，3H，Ph)，6.57(m，2H，Ph)，5.21(s，2H，CH)，1.77(s，12H，CH₃)，¹³C{1H}NMR(THF-d₈)：δ184.5(s，O-acac，C＝O)，136.3(s，Ph)，125.3(s，Ph)，122.9(s，Ph)，103.0(s，O-acac，CH)，26.6(s，O-acac，CH₃)。用吡啶进一步处理该材料产生吡啶基衍生物，其此前已被报道。¹H NMR(CDCl₃)：δ8.52(m，2H，py)，7.81(m，1H，py)，7.46(m，2H，py)，6.99(m，5H，Ph)，5.14(s，2H，CH)，1.80(s，12H，CH₃)，¹³C{1H}NMR(THF-d₈)：δ184.5(s，O-acac，C＝O)，149.7(s，py)，137.3(s，Ph)，135.7(s，py)，131.3(s，Ph)，125.2(s，py)，124.5(s，Ph)，103.2(s，O-acac，CH)，27.2(s，O-acac，CH₃)。MS(ESI)：对于C₂₁H₂₅IrNO₄(M+H)计算548.14，发现548.20。

[0195]采用2-¹³C的CH活化实验：为了制备¹³C标记的配合物，向5mL螺口小瓶中加入2-CH₃OH(10mg，0.022mmol)和¹³CH₃OH(0.5mL)。然后密封该小瓶，并放入惰性气氛(Ar)手套箱中保持4天。然后在真空下蒸发所得的黄橙色溶液，产生黄橙色固体。然后将固体转移至Schlenk管子中，添加5mL吡啶，并将该管子放入调节在55℃下的油浴中保持30分钟。在真空下除去挥发物之后，获得了黄橙色固体。通过将由甲醇盐质子的标记的¹³C产生的双重线的积分与剩余的未标记甲醇盐的单重线的积分对比，估计该配合物富含62％¹³C。¹H NMR(C₆D₆)：δ8.43(d，2H，o-Py)，6.58(t，1H，p-Py)，6.29(t，2H，m-Py)，5.08(s，2H，CH)，3.76(d，3H，Ir-OCH₃，J＝140 Hz)，1.67(s，12H，CH₃)。¹³C{¹H}NMR(C₆D₆)：δ185.4(C-acac，C＝O)，102.7(O-acac，CH)，57.1(OCH₃)，27.3(O-acac，CH₃)。

[0196]为了研究经由β氢化物消除的反应性Ir-H的可逆产生的可能性，在C₆D₆(1.5mL)中在180℃下加热2-¹³C(10mg)4h并且获得粗反应混合物的¹³C NMR。仅检测到¹³CH₃OD，这从甲基的纯单峰共振显而易见。为了考虑CH₃OH的化学计量形成，Ir-H通道可能预计引起D¹³CH₂OD同位素异构体的产生(下面所示的机理)，而提出的σ-键置换可能引起¹³CH₃OH(D)。

[0197]H-D交换：催化H-D交换反应如图5示意性描述的那些如下量化：通过GC/MS分析监测进入C₆H₆(R-H和R-D)的氘的增加。这如下完成：使用Microsoft EXCEL开发的程序将由MS分析获得的质量碎裂过程图形去卷积。采用这一方法作出的重要假设是各种苯同位素异构体对碎裂过程图形不存在同位素效应。幸运地，因为苯的母体离子对于碎裂较稳定，所以可以可靠地使用它来量化交换反应。为每个反应研究78-84(对于苯)的质量范围并与其中不添加金属催化剂的对照反应进行对比。采用苯同位素异构体的已知的混合物将程序校准。通过这一方法获得的结果可靠至5％以内。因此，按40∶50∶10的摩尔比制备的C₆H₆、C₆D₆和C₆H₅D₁的混合物的分析产生41.2(C₆H₆)∶47.5(C₆D₆)∶9.9(C₆H₅D₁)的计算比例。因此运行催化H/D交换反应足够的反应时间至能够检测>5％变化的交换。2是用来进苯和氘氧化物之间的行H/D交换的催化剂。

[0198]在典型实验中，在氩气气氛下将10mg 2-CH₃OH、1mL苯和0.2mL氘氧化物加入5mL Schlenk管子中。然后将管子放入维持在160℃下的温度控制的油浴中，并如上所述测量H/D交换。

实施例2

由Os(acac)₂Cl₂催化的H₂和KOD之间的H/D交换

[0199]实验程序：面对面设置两个4mL玻璃衬里的不锈钢反应器，第一个不锈钢反应器包含10wt％KOD在D₂O中的溶液(大约3m摩尔浓度)，第二个不锈钢反应器包含10wt％KOD在D₂O中的溶液和5mg反式Os(acac)₂Cl₂(以致所得的配合物的浓度大约10mM)。为每个反应器装备磁性搅拌棒，密封，用氩气吹扫并用氢气加压至150psig。将该反应器放入预加热的加热器并在100℃下在搅拌下加热1小时。然后，停止对反应器加热，在冰浴中迅速地冷却，并在Hiden HPR-20质谱仪上分析气相的氢。获得质谱并使用常规解卷积表进行去卷积以获得H₂、HD和D₂同位素异构体的比例。包含反式Os(acac)₂Cl₂配合物的实验显示D₂增加15％，KOD超过本底值。

实施例3使用各种氧化剂的MTO氧化

[0200]制备各种溶液MTO和各种氧化剂候选物并通过¹H NMR跟随和测定甲醇形成过程。在典型实例中，将在0.8ml氘化水(D₂O)中的甲基三氧代铼MTO(16mg，0.067mmol)添加到5mm NMR管子中。向其中添加二当量氧化剂。反应进行接着进行¹H NMR。所有反应在空气下进行。在室温下进行所有反应(除了吡啶-N-氧化物)。

[0201]允许NMR管子在室温下静置大约1-1.5小时。然后监测反应以观察甲醇的外观和/或MTO的消失。外部地，添加5μLCH₃OH以证实甲醇形成(以观察到的情形)。结果统一列在表1中。

[0202]表1

	当量	氧化剂	％甲醇	％完成
					A	2	H2O2	84％	86％
B	2	(CH3)3SiOOSi(CH3)3	90％	100％
					C	4	PhIO	85％	98％
D	2	mCPBA	90％	95％
					E	2	NaIO4	95％	100％
F	2	Oxone(KHSO5)	95％	100％
					G	2	KMnO4	32％	100％
H	2	KIO3/KOD	31％	100％
					I	2	OsO4/2eqKOD	28％	78％
J	2	(CH3)3NO	没有测定	85％
					K	2	吡啶N-氧化物(60C)	没有测定	100％

％完成是留下的MTO的百分率，相对于添加氧化剂之前的MTO的量。存在的初始MTO的量相对于外标物(环己烷)校准。100％完成是指所有MTO已经反应。Varian Mercury 400(对于¹H，400.151MHz)光谱分析仪。化学位移相对于剩余溶剂质子以ppm为单位给出。共振(在4.79ppm下，D₂O)。环己烷(5ml，在2ml CCl₄中)用作外标物。

Claims (28)

1.烃的选择性氧化方法，包括

在官能化条件下使包含烃和氧化剂的原料通过包含活化金属催化剂的第一催化剂段，以形成包含氧化的烃产物和还原的氧化剂的排出物；

将该氧化的烃产物与还原的氧化剂分离；

在再氧化条件下使该还原的氧化剂和再氧化剂通过再氧化段，以将该氧化剂重整；

其中该活化金属催化剂包括选自Re、Os、Ir、Ru、W和Rh的一种过渡金属，其中该金属与一种或多种耐氧化性配体配位，其中该官能化条件包括100-350℃的温度和具有选自中性、碱性和高碱性的酸度水平的溶剂。

2.权利要求1的方法，其中所述原料包括烷烃，所述氧化的烃产物包括醇。

3.权利要求2的方法，其中所述原料包括甲烷，所述氧化的烃产物包括甲醇。

4.权利要求1的方法，其中所述一种或多种耐氧化性配体选自羟基、烷氧基、氧代、羧酸根、任选取代的二醇、任选取代的儿茶酚、任选取代的多元醇和任选取代的乙酰丙酮酸根。

5.权利要求1的方法，其中所述一种或多种耐氧化性配体选自氨络物、任选取代的胺、任选取代的酰胺、任选取代的氮杂环、任选取代的螯合二胺、任选取代的螯合多胺、任选取代的螯合酰胺和任选取代的连氮杂环。

6.权利要求1的方法，其中所述第一催化剂段还包含一种溶剂，选自胺和共轭碱酰胺，醇和共轭碱醇盐，含水氢氧化物和熔融盐混合物。

7.权利要求1的方法，其中所述官能化条件包括150-250℃的温度。

8.权利要求1的方法，其中所述再氧化剂是氧。

9.权利要求1的方法，其中所述再氧化剂是空气。

10.权利要求1的方法，其中所述活化金属催化剂担载在固体载体上。

11.权利要求1-10的方法，其中所述氧化剂是O-原子供体。

12.权利要求11的方法，其中该O-原子供体选自氧化铜(CuO)、硒酸根(SeO₄ ^2-)、钒酸根(VO₄ ^3-)和亚砜。

13.烃转化方法，包括：

在C-H活化条件下使包含烃的原料通过包含C-H活化催化剂和溶剂的C-H活化段，以形成活化烃；

使该活化烃与官能化剂接触以产生官能化烃；和

其中该C-H活化段包含具有选自中性、碱性和高碱性的酸度水平的一种溶剂，该催化剂包括选自Re、Os、Ir、Ru、W和Rh的一种或多种过渡金属，和一种或多种配体。

14.权利要求13的方法，其中所述原料包括烷烃，所述官能化烃是醇。

15.权利要求14的方法，其中所述醇是甲烷。

16.权利要求13的方法，其中所述原料包括芳烃，所述官能化烃是酚。

17.权利要求16的方法，其中所述原料是苯。

18.权利要求13的方法，其中所述一种或多种配体选自羟基、烷氧基、氧代、羧酸根、任选取代的二醇、任选取代的儿茶酚、任选取代的多元醇和任选取代的乙酰丙酮酸根。

19.权利要求13的方法，其中所述一种或多种配体选自氨络物、任选取代的胺、任选取代的酰胺、任选取代的氮杂环、任选取代的螯合二胺、任选取代的螯合多胺、任选取代的螯合酰胺和任选取代的连氮杂环。

20.权利要求13的方法，其中所述溶剂选自胺和共轭碱酰胺，醇和共轭碱醇盐，含水氢氧化物和熔融盐混合物。

21.权利要求13的方法，其中所述活化烃包括金属-烷基共价键。

22.根据权利要求21的方法，其中通过所述官能化剂将烷基金属转变成金属醇盐。

23.权利要求13-22的方法，其中所述官能化剂是包括O-原子供体的氧化剂。

24.权利要求23的方法，其中所述O-原子供体选自胺-N-氧化物、氧化铜、氧化铁、高碘酸根(IO₄ ^-)、钒酸根(VO₄ ^3-)、钼酸根(MoO₄ ^2-)、一氧化二氮(N₂O)、过氧化氢(H₂O₂)、硒酸根(SeO₄ ^2-)、碲酸根(TeO₄ ^2-)、次氯酸根(ClO^-)、亚氯酸根(ClO₂ ^-)、硝酸根(NO₃ ^-)和亚砜。

25.烃的活化方法，该方法包括在碱性介质中使烃的C-H键与过渡金属配体配合物接触；其中该方法不通过自由基的产生进行操作。

26.权利要求25的方法，其中所述过渡金属选自Ir、Os、Re、W、Rh和Ru，所述配体包括O或N-配位原子，所述碱性介质是高碱性水溶液。

27.确定烃C-H键活化催化剂的方法，包括以下步骤：

测定候选金属配合物在水溶液中的pH值并选择增加溶液pH值的那些候选物；

测定从相应的金属羟基配合物形成金属烷基配合物的吉布斯自由能变化并选择自由能变化值小于大约+35kcal/mol的催化剂候选物。

28.确定在非酸性介质中操作的烃C-H键活化催化剂的方法，包括以下步骤：在活化条件下在氘化溶剂中使候选催化剂与烃接触；检测烃中的氘引入。

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