引言

        惰性烷烃的 C(sp³)–H 键通常具有较高键解离能，直接转化为能够参与成键反应的碳自由基并不容易。光催化 C(sp³)–H 官能化因此常借助光催化剂产生高反应性自由基，再通过氢原子转移完成 C–H 键活化。

        Huang 等人报道了一类不同寻常的反应：环辛烷与缺电子烯烃在含氯组分和光照条件下，即使没有外加光催化剂，仍然能够发生 C(sp³)–H 烷基化。[1] 后续研究进一步表明，这一现象与反应体系中难以完全避免的痕量铁有关。Fe 与含氯组分形成具有光化学活性的 Fe–Cl 配位物种，经配体到金属电荷转移产生氯自由基，随后由氯自由基活化烷烃 C–H 键。[1]

        这一研究揭示了ppm 水平的金属在适当的配位环境、光照波长和反应时间下，可以从普通杂质转变为具有实际催化贡献的活性组分。

1. 无外加光催化剂条件下发生的 C(sp³)–H 官能化

1.1 光照与含氯组分共同决定反应能否进行

研究以环辛烷和 2-亚苄基丙二腈之间的 Giese 型自由基加成为模型反应。

使用四丁基氯化铵（tetrabutylammonium chloride，TBACl），在 365 nm 光照下，没有加入常规光催化剂时仍获得了 44% 的气相色谱收率。进一步采用三甲基氯硅烷（trimethylsilyl chloride，TMSCl）作为含氯组分，在 400 nm 光照下，模型产物达到 98% 气相色谱收率和 95% 分离收率。[1]

反应条件变化表现出明显的规律。[1]

        光照和含氯组分缺失时，目标产物均未形成；将波长由 400 nm 调整至 450 nm 后，反应也基本停止。[1] 这些结果说明，C(sp³)–H 官能化依赖一个能够响应近紫外至紫光、同时与含氯组分有关的光化学过程。

2. 氯自由基完成烷烃 C(sp³)–H 键活化

2.1 自由基捕获实验支持碳自由基参与

        向模型体系加入 2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-oxyl，TEMPO）或 2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚（butylated hydroxytoluene，BHT）后，反应受到明显抑制。高分辨质谱还检测到了 TEMPO 捕获烷基自由基形成的产物。[1]

这些结果支持反应经历碳中心自由基中间体。

氯自由基参与 C–H 活化的另一项证据来自正戊烷的区域选择性。正戊烷反应后，1、2 和 3 位官能化产物比例约为：

1.0 : 2.4 : 1.1

这一分布与已知氯自由基介导的氢原子转移选择性相符。[1,3]

氯自由基对烷烃的作用可以表示为：

Cl· + R–H → HCl + R·

该步骤属于氢原子转移（hydrogen atom transfer，HAT）。

Cl· 从 C–H 键夺取氢原子，形成 HCl，同时产生烷基自由基 R·。氯自由基具有较强的夺氢能力，因此可以参与未活化脂肪族 C(sp³)–H 键的断裂。[2,3]

2.2 烷基自由基随后建立新的 C–C 键

产生的 R· 向缺电子烯烃加成，形成新的碳—碳键：

R· + 缺电子烯烃 → 碳自由基加成中间体

论文中的底物实验显示，具有较强电子吸引能力的烯烃更适合这一转化。吸电子基团有利于自由基向烯烃加成，也能够稳定加成后产生的碳自由基，并有利于后续单电子还原过程。[1]

因此，从烷烃到 C–C 键形成的核心过程可以概括为：

R–H → R· → 自由基加成 → C–C 键形成

其中真正承担 C–H 键活化功能的是 Cl·。

接下来的关键在于确定 Cl· 的光化学来源。

3. 痕量铁是隐藏的光催化活性来源

3.1 缺电子烯烃的光吸收特征与反应波长不匹配

Cl⁻ 转化为 Cl· 涉及电子转移，因此一种可能的路径是缺电子烯烃先吸收光形成激发态，再从氯离子获得电子并产生氯自由基。

紫外-可见吸收光谱（ultraviolet-visible absorption spectroscopy，UV–Vis）显示，研究中两种代表性缺电子烯烃在 350 nm 以上没有相应吸收。[1]

这一结果与实际使用的 365–400 nm 光照条件并不匹配，因此烯烃直接光激发不能合理解释反应中持续产生 Cl· 的现象。[1]

3.2 ICP-MS 检出反应体系中的痕量 Fe

研究采用电感耦合等离子体质谱法（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）分析 Fe、Cu、Ce 和 Ni。

在不同试剂中，这些金属的检测水平大约处于 10 ppb 至 6 ppm。完整反应混合物中的 Fe 和 Cu 含量明显高于单独试剂检测得到的水平，折算后约相当于 10⁻⁴ mol% 数量级的 Fe 或 Cu。[1]

这一结果提供了痕量金属存在的定量证据，但元素存在本身不能说明其承担催化作用。关键证据来自低浓度金属活性比较和浓度匹配的回加实验。

3.3 实测浓度附近的 Fe 已能改变反应动力学

Fe、Cu、Ce 和 Ni 均属于可能参与光化学过程的金属，但它们在低浓度下的行为存在明显差异。

随着金属催化剂浓度降低，模型反应速率下降；在研究的低浓度范围内，Fe 表现出高于 Cu、Ce 和 Ni 的催化活性。[1]论文据此指出，Fe 杂质在该表观无外加光催化剂的 C(sp³)–H 官能化中发挥主要作用。[1]

研究人员使用新批次反应瓶，在模型反应中加入 10⁻⁴ mol% FeCl₃。这一添加量与完整反应混合物中检测到的 Fe 处于相近数量级。加入 FeCl₃ 后，环辛烷烷基化反应速率明显提高。[1]

由此可以把元素分析和催化作用联系起来：

痕量 Fe 被定量检出

→ Fe 在低浓度下具有较高催化活性

→ 接近实测浓度的 FeCl₃ 回加能够提高反应速率

与单纯检测到金属相比，这组实验进一步说明，实际体系中所处浓度范围的 Fe 已具有可测量的化学作用。

10⁻⁴ mol% FeCl₃ 回加实验反映的是该数量级 Fe 对反应速率的影响，而不是对整个反应进行简单的化学计量解释。真实体系中 Fe 的总量、来源及其随反应过程发生的变化并未被完全确定。[1]

3.4 痕量 Fe 可能由多个实验环节共同引入

        反应体系中的痕量 Fe 并未被追溯到某一种特定器材或单一试剂。研究者分别更换不同材质和形状的反应容器进行实验，在玻璃、石英和聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）容器中均能观察到产物形成；取消磁力搅拌子后，反应仍然可以进行。[1]

        此外，该模型反应在不同城市的另外两个实验室中也表现出相似的反应现象。[1] 这些结果说明，反应中观察到的痕量 Fe 不宜简单归因于某一种反应容器或磁力搅拌子。

        试剂、实验器材、气路以及实验环境等多个环节都可能带入少量金属。单一来源贡献的 Fe 可能处于很低水平，但进入同一个反应体系后，这些微量来源可以共同构成实际的金属背景。[1]

        因此，在评估痕量金属是否影响反应时，完整反应混合物中的金属含量比单独某一种试剂或器材的金属水平更能反映实际反应条件。这也是原研究进一步采用电感耦合等离子体质谱法对完整反应体系进行定量分析的重要原因。

4. Fe–Cl 配位物种通过 LMCT 产生氯自由基

4.1 含氯环境赋予痕量 Fe 光化学活性

        痕量 Fe 能够影响反应，并不只是因为体系中存在铁元素。实验结果表明，Fe 的作用与其在含氯条件下形成的 Fe–Cl 配位环境密切相关。

已有研究表明，Fe(III) 与 Cl⁻ 形成的氯配位铁物种可以发生配体到金属电荷转移（ligand-to-metal charge transfer，LMCT）。光激发后，电子由氯配体转移至 Fe(III) 中心，同时产生具有高反应性的氯自由基。[2]

Huang 等人的实验与这一化学过程一致。[1]

在 Fe³⁺ 与含氯组分共存的模型体系中，UV–Vis 光谱出现约 365 nm 的特征吸收，与文献报道的四氯合铁酸根 [FeCl₄]⁻ 的光谱特征相符。[1]

        不同 Fe 盐与 TMSCl 组合后也能够促进 C(sp³)–H 官能化，说明最初加入铁盐时所带的阴离子不是决定反应活性的主要因素，而 Fe 在含氯环境中形成的配位结构与反应活性关系更加密切。[1]

        配体干扰实验进一步支持这一判断。加入含吡啶结构的配体后，反应收率下降；在含 FeCl₃ 的反应体系中加入 1,10-菲咯啉也观察到相似趋势。[1] 这些能够与 Fe 强配位的分子会改变 Fe 周围的配位环境，从而影响 Fe–Cl 光活性物种的形成和反应性。

4.2 LMCT 将光能转化为自由基反应性

Fe–Cl 光化学的核心是光诱导电子转移。

其关键过程可简化表示为：

Fe(III)–Cl + hν → Fe(II) + Cl·

其中，hν 表示吸收的光子能量。

光激发后，Cl 配体向 Fe(III) 中心转移电子：

①Fe(III) 接受电子并形成还原态铁物种；

②与铁配位的 Cl 失去电子形成 Cl·；

③Cl· 随后通过 HAT 活化烷烃 C–H 键。[2]

这一过程将光吸收与烷烃 C–H 键断裂连接起来。

4.3 从痕量 Fe 到 C–C 键形成的机理主线

现有实验结果支持的主要反应路径可以表示为：

① Fe–Cl 光激发与 LMCT

Fe(III)–Cl + hν → Fe(II) + Cl·

② 氯自由基进行 HAT

Cl· + R–H → HCl + R·

③ 烷基自由基向缺电子烯烃加成

R· + 缺电子烯烃 → 碳自由基加成中间体 比如：

以2-亚苄基丙二腈为例：

R· + PhCH=C(CN)₂ → PhCH(R)–C·(CN)₂

④ 自由基中间体经过后续电子转移和质子化形成产物

论文的实验依据主要集中在 Fe–Cl 光活化 → Cl· 形成 → HAT → 烷基自由基形成这一段。自由基加成以后具体的电子转移和质子化步骤主要依据反应结果及相关机理提出，没有逐个中间体得到直接结构表征。[1]

4.4 [FeCl₄]⁻ 是代表性 Fe–Cl 物种，而非已经确定的唯一活性结构

[FeCl₄]⁻ 的吸收特征与实验中的约 365 nm 吸收相符，已有 Fe–Cl 光催化研究也证明这类氯合铁物种能够经 LMCT 产生 Cl·。[1,2]

但实际反应中的 Fe 含量处于 ppm 水平，研究没有直接确定所有活性 Fe 的完整配位结构。作者也明确指出，痕量体系中 Fe 的具体存在形式仍不清楚。[1]

因此，实验支持的是Fe 与氯组分形成具有 LMCT 活性的 Fe–Cl 配位物种。[FeCl₄]⁻ 可以帮助理解其光吸收和反应模式，但现有证据没有将实际体系中的活性 Fe 限定为单一 [FeCl₄]⁻ 结构。

这一区别也说明，在痕量催化研究中，确认一种反应模式与直接鉴定单一催化物种属于不同层次的机理证据。

5. ppm 级 Fe 为什么仍能产生明显的反应贡献

痕量金属研究中容易产生的疑问是：Fe 含量已经低到 ppm 或更低水平，为何仍能明显改变一个有机反应？

原因在于催化体系中，金属浓度与最终能够转化的底物量之间不存在简单的一次性化学计量关系。

5.1 催化中心能够多次产生反应性物种

在 Fe–Cl 光化学中，Fe 的主要作用不是作为化学计量试剂与一分子底物结合并被永久消耗，而是参与光诱导氧化还原过程并产生 Cl·。

经过后续反应步骤后，铁中心可以重新进入催化过程，因此同一个 Fe 中心能够参与多次底物转化。

在另一项明确使用铁盐作为光催化剂的研究中，Jin 等人利用 Fe(III)–Cl LMCT 产生氯自由基，实现乙烷、丙烷等烷烃的 C(sp³)–H 官能化，并报道了最高约 8000 的催化周转数（turnover number，TON）。[2] 其说明Fe–Cl 光化学具有在较低铁负载下连续生成自由基并完成多次催化周转的能力。

而 Huang 等人的 10⁻⁴ mol% FeCl₃ 回加实验则从当前体系本身证明，接近实测浓度的 Fe 已经能够改变反应速率。[1]

二者结合后，可以理解为什么很低的 Fe 浓度仍不能根据含量直接忽略。

5.2 光照不断为催化过程提供能量

Fe–Cl 发生 LMCT 需要吸收光子。痕量 Fe 的作用程度因此还受到光照条件影响。

Huang 等人比较了不同光功率。[1]

在 400 nm 条件下：

①5 W 光源得到 22% 目标产物；

②20 W 光源得到 50%；

③标准 50 W 条件达到 98%；

④100 W 条件得到 70%。

这些终点数据不能简单解释为“功率越高，收率越高”，因为过高光功率还可能影响体系中的其他过程；但动力学实验显示，降低光功率会显著延缓产物形成。在 5 W LED 光照的前 10 h 内没有检测到产物。[1]

这说明痕量 Fe 的影响不仅是浓度问题，光子输入也会决定 Fe–Cl 光化学在给定时间内可以进行到什么程度。

5.3 长反应时间能够积累低速催化过程的贡献

该研究中不少底物反应采用较长时间光照，部分反应达到 48 h。[1]

当 Fe 浓度很低时，单位时间内由痕量 Fe 形成的活性自由基数量可能有限；持续光照则使 Fe–Cl 光化学反复发生，低速催化过程造成的产物逐渐积累。

因此，痕量金属对反应的影响可从四个相互关联的因素理解：

        研究由此说明，“浓度很低”与“化学作用很小”并不存在必然对应关系。当一种低浓度金属能够进入高效的光催化循环，并在较长时间内持续受到适宜波长光照，其催化贡献可以逐渐达到可观测水平。[1,2]

6. 痕量金属效应如何进行实验判断

        这项研究的另一项价值，是建立了一套较完整的痕量催化判断方法。对于表观无外加金属催化剂的反应，仅凭一个空白反应或元素检测难以确定真实活性来源，需要将不同类型的证据联系起来。

6.1 元素定量回答“体系中实际存在多少金属”

ICP-MS 可以将“可能存在金属污染”转化为定量数据。

分析对象不宜局限于某一种试剂。Huang 等人的实验显示，完整反应混合物中的 Fe 和 Cu 水平高于各个试剂分别检测时的结果。[1]

因此，针对痕量催化问题，元素分析可同时覆盖：

①关键原料和添加剂；

②溶剂；

③完整反应混合物；

④不同批次实验体系。

这样得到的数据更接近催化反应真正经历的金属环境。

6.2 浓度匹配回加回答“实测水平是否已经具有化学活性”

如果体系中检测到 ppm 水平 Fe，而验证实验使用 1 mol% FeCl₃，即使反应明显加快，也不能说明 ppm 水平 Fe 可以产生同样的效果。

Huang 等人的设计更有针对性：将 FeCl₃ 控制在约 10⁻⁴ mol%，与反应体系实测 Fe 处于相近数量级，再观察反应动力学变化。[1]

这种浓度匹配实验能够把“元素存在”与“实际浓度下的反应能力”建立直接联系。

6.3 时间—产率动力学比单一终点收率提供更多信息

痕量催化剂首先改变的往往是反应速率。

两个体系在 48 h 后可能得到接近的最终转化率，但前几个小时的产物生成速率可能存在明显差异。单独比较终点收率会弱化这种差异。

本研究利用时间—产率关系比较不同金属和不同 Fe 浓度，从而识别出低浓度 Fe 对反应速率的影响。[1]

对于痕量催化研究，动力学曲线因此能够提供比单一终点结果更直接的信息。

6.4 光谱与波长实验支持 Fe–Cl 物种参与光反应

一个光化学机理成立，还需要吸光过程与实际光源相匹配。

本研究中：

①缺电子烯烃在 350 nm 以上缺少相应吸收；

②Fe³⁺/Cl⁻ 模型体系出现约 365 nm 的吸收；

③365–400 nm 可以驱动反应；

④450 nm 条件下反应基本停止。[1]

光谱和波长依赖性相互对应，使 Fe–Cl 光活化比“底物直接吸光”更符合实验结果。

6.5 配位干扰实验连接金属元素与具体化学形态

元素分析可以检测 Fe，却无法说明 Fe 以什么形式发挥作用。

吡啶类配体和 1,10-菲咯啉能够改变 Fe 的配位环境，并使反应受到抑制。[1] 与 Fe/Cl⁻ 光谱实验结合后，这些结果将活性来源进一步限定到 Fe–Cl 配位化学，而不是笼统的“有铁存在”。

针对类似体系，一套相互补充的判断框架可以归纳为：

        这些实验分别解决“存在多少”“有没有活性”“以什么形态参与”和“怎样被光激发”等不同问题。多种证据相互对应后，对催化剂身份的判断才具有较强的机理解释力。

7. 痕量铁驱动烷烃 C(sp³)–H 光官能化相关代表化学品

表1. C(sp³)–H 底物与自由基受体

表2. 含氯反应组分、溶剂与分析试剂

表3. 铁盐、痕量金属对照与机理验证试剂

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参考文献

[1] Huang Y, Wang M, Liu W, Wu Q, Hu P. Unraveling the Prominent Existence of Trace Metals in Photocatalysis: Exploring Iron Impurity Effects. The Journal of Organic Chemistry, 2024, 89(6): 4156–4164. DOI: 10.1021/acs.joc.4c00155.

[2] Jin Y, Zhang Q, Wang L, Wang X, Meng C, Duan C. Convenient C(sp³)–H Bond Functionalisation of Light Alkanes and Other Compounds by Iron Photocatalysis. Green Chemistry, 2021, 23(18): 6984–6989. DOI: 10.1039/D1GC01563J.

[3] Deng H P, Zhou Q, Wu J. Microtubing-Reactor-Assisted Aliphatic C–H Functionalization with HCl as a Hydrogen-Atom-Transfer Catalyst Precursor in Conjunction with an Organic Photoredox Catalyst. Angewandte Chemie International Edition, 2018, 57(39): 12661–12665. DOI: 10.1002/anie.201804844.

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