近日，我所生物能源研究部催化羰基化研究组（DNL0604组）吴小锋研究员团队在铜催化光诱导羰基化转化研究中取得新进展，构建了甲烷、乙烷等低碳烷烃在温和条件下转化为低碳羧酸衍生物的反应体系，为天然气资源的高值化利用提供了新路径，并将该体系拓展至多种官能团化的烷烃中，合成了系列结构多样的羰基化产物。
甲烷和乙烷作为天然气的主要组分，其直接羰基化制备乙酸、丙酸及其衍生物是实现碳资源高效转化、提升附加值的重要途径。然而，由于C-H键活化能垒高、反应活性差、气-液传质效率低等问题，这类羰基化转化长期面临挑战。近年来，光催化技术因其在常温条件下激发惰性分子并实现精准官能化的潜力，引起了广泛关注。
在本工作中，吴小锋团队提出了一种基于铜催化的光诱导策略，通过释放氯自由基，实现了甲烷、乙烷等小分子烷烃与一氧化碳的高效耦合，合成出乙酸酯、丙酸酯等低碳羧酸衍生物。研究发现，在蓝光照射下，以氯化铜（CuCl2）为催化剂，乙烷可高选择性地转化为丙酸酯类化合物。丙酸酯作为重要的工业中间体，可进一步转化为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的关键前体——甲基丙烯酸甲酯（MMA）。与传统的丙酮氰醇法、异丁烯氧化法等工艺相比，该策略具有原料廉价、反应条件温和、原子经济性高、产物选择性优异等优势。团队还发现，由于甲烷分子中碳-氢建的电负性差异极小，导致其反应活性明显低于乙烷。
基于上述发现，研究团队进一步提出了一种通用的光催化羰基化体系，能够实现包括醚、酮、卤代烃、腈、硅烷等多种含C(sp³)-H键官能团的选择性羰基化反应，合成出酰胺、酯、烯酮、炔酮、酰硒等多种羰基化合物。该体系在保持统一反应条件的前提下，最大限度地减少了不同底物间的条件优化需求，展现出优异的适应性和转化效率，为复杂分子的多样性构建和有机合成方法学拓展提供了有力工具。
吴小锋团队长期致力于各种类型的羰基化转化，在惰性C-H键羰基化转化上取得系列进展（Angew. Chem. Int. Ed.，2016；ACS Catal.，2016；Angew. Chem. Int. Ed.，2022；Angew. Chem. Int. Ed.，2022；Nat. Commun.，2023）。
相关研究成果以“Copper-catalyzed photoinduced carbonylation of C1-C3 gaseous alkanes”为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上；进一步的研究成果以“Streamlined Carbonylation of Csp3−H Bonds: Divergent Synthesis of Diverse Carbonyl Compounds” 为题，发表在ACS Catalysis上。该系列工作的第一作者是我所DNL0604组中德联合培养博士研究生王乐程。上述工作得到国家重点研发计划等项目的资助。（文/图 王乐程）
文章链接： https://doi.org/10.1038/s41467-025-58472-4；https://doi.org/10.1021/acscatal.5c02925
