ey-VCH，Weinheim，1997,198pp〇
[0041] 表1是基于Pearson硬和软理论的示例性物质的列表。根据HSAB理论，在本发明 的方法的实践中使用的氧化亲电试剂被分类为软（soft)，其包括主族元素，如Tl、Pb、Bi、 Sb、Se、Te和I，的形式。这些元素的高氧化态，如盐或它们的化合物，在本发明的方法的实 践中用作软氧化亲电试剂。
[0042] 表1 :Pearson硬和软酸分类
[0043] 硬酸
[0044] H+，Li+，Na+，K+，Be+2, Mg+2, Ca+2, Ba+2, Sc+3, La+2, Ce+4, Gd+3, Lu+3, Th+4, U+4, U02+2, Ti+4， Zr+4, Hf+4, VO+2, Cr+3, BF3, BCl3, Al+3, AlCl3, CO2, RCO+, NC+, Si+4, Sn+4
[0045] 讨渡酸
[0046] Fe+2, Co+2, Ni+2, Zn+2, Rh+3, Ir+3, Ru+3, 0s+3, B (CH3) 3, GaH3, R3C+，C4H5+，Sn+2, Pb+2, N0+， Sb+3, Bi+3, SO2
[0047] 软酸
[0048] Pd+2, Pt+2, Pt+4, Cu+，Ag+，Au+，Cd+2, Hg+，Hg+2, ΤΓ3, Ph+4, Bi+5, Br+，Br2, Γ，12, Se+6， Te+6，Γ3
[0049] 其它软酸为本领域技术人员所熟知，和本领域技术人员在实施本发明方法中，可 以选择具有合适的氧化态对的元素。
[0050] 本发明提供了不需要使用超强酸的烷烃氧化或官能化的方法。超强酸，如本文所 用术语，指的是如三氟甲磺酸和浓硫酸的酸；超强酸是具有酸度大于或等于浓硫酸的酸度 的酸，其具有-12的Hammett酸度函数（H。)。市售超强酸包括三氟甲基磺酸酸（CF3SO3H)， 和氟硫酸（HSO3F)，这两者都比浓硫酸强大约一千倍（即具有更负的H。值）。
[0051] 本发明的方法避免使用超强酸的优势包括更低的成本，对反应器不太严格的施工 材料要求，来自于高级烷烃的产物稳定性，和易于再循环反应环境中的酸性组分。超强酸可 以对水具有非常高的亲和力，因此，任何涉及超强酸从水中再浓缩的过程会导致去除水的 极高的能量耗费。
[0052] 因此本发明对之前公开的使用超强酸的工艺提供了改进，至少包括如下方式：
[0053] (a)可以使用弱于98%硫酸的酸溶剂，例如三氟乙酸、乙酸、甲磺酸、磷酸、含水无 机酸或有机酸等，包括它们的水溶液。在以前公开的汞体系或（bpym)PTX2体系中，需要非 常强的酸（超强酸），如98%硫酸或0?350迟。
[0054] (b)反应可在本发明体系中在化学计量比基础下进行。对于化学计量量的汞或 (bpym) PTX2体系，Hg体系不发生作用。
[0055] (c)本发明工艺的氧化与甲烷以及高级烷烃都可作用。汞体系只与甲烷发生作用， 而不与高级烷烃发生作用。
[0056] 过去，甲烷的选择性低温转换的几个有效的系统证明了基于使用强亲电试剂，例 如（bpym) Pt11XjP Hg 11X2在超强酸溶剂如H #04或CF 3S03H中。然而，这些体系在工业规模 不实用，考虑到通过加入水以及极其昂贵的再浓缩为超强酸溶剂的产物分离的需要。
[0057] 开发改进的体系的努力集中在可以在更弱的酸性介质中，例如CF3CO2H中使用的 催化剂的设计。然而，无论是（bpym) Pt11X2还是Hg 11X2系统与烷烃在CF 3C02H或其它弱酸性 介质中都不反应。人们普遍认为，失败的关键原因是具有降低容剂酸度的亲电催化体系的 可逆抑制。这被认为起因于在减少酸度时溶剂亲核性的增加，减少酸度通过静止态的稳定 和随后烷烃配位的降低速率阻止了亲电CH活化。静止态的稳定和配位烷烃的降低速率也 被认为是增加亲电性且降低速率的基础。这与（bpym)Pt11X2相对于（bpym)Pt ivX4对于亲电 CH活化具有实质上更高的反应性相一致。因此，考虑到高亲电性和Hgn与烷烃在CF3C0 2!^9 缺乏反应性，更强大的亲电试剂，如Tl111，Pb1^P Bi v可以在这种或其它弱酸溶剂中反应似 乎是不太可能的。
[0058] 有趣的是，研究表明，水与强亲电试剂诸如Hg(II)和Tl (III)，相对于亲电试剂诸 如Ir (III)、Pt (II)、Pt (IV)，其交换率可以大到102°倍。这在概念上可以归因于具有d 10电 子构型的阳离子，例如Hg(II)和Tl (III)的配位场稳定能源（LFSE)缺乏以及高LFSE的d<1Q阳离子。与直觉相反，对于强(11°亲电试剂诸如Hg(II)、T1 (III)、Pb(IV)和Bi (V)这些 高交换率可以表明，增加亲电性和CH活化的降低的速率之间的预期相关性是不正确的。事 实上，我们现在的研究表明，增加亲电性实际上增加了在(11°阳离子条件下CH活化的速率， 其中Pb (IV) > Tl (III)》Hg (II)。这很有趣，因为它表明，Hgn在CF3CO2H中不反应，因为其 电性太低而不是太高。这是一个非常重要的现象，因为它表明，其它便宜的，丰富的过渡金 属阳离子在非超强酸性介质中可以设计用于活化和官能化烷烃。考虑到低毒性和铋、碘、锑 等的通常使用，基于这些阳离子的均相体系设计特别具有吸引力。
[0059] 主族元素，如在本文使用的该术语，指的是金属和非金属，其包括CAS组IIIA、 IVA、VA、VIA和VIIA族的元素，其为后过渡元素，即，比第一过渡系列的最后一个元素 Zn更 高的原子序数，即原子序数>30。因此，在本发明的方法实践中使用的软氧化亲电试剂包括 具有稳定的同位素形式的原子序数为31-35,49-53,以及81-83所述的元素，在一些实施方 式中，元素具有cT电子构型。然而，在本发明的方法实践中使用的软氧化亲电试剂可以具 有不同于cT的电子构型。
[0060] 研究最初建议，初始Hg和（bpym) PtX2体系均由亲电CH活化进行，并且，在较弱的 非超强酸溶剂中反应的缺乏是由于在这些介质中该步骤有效的完全的抑制。3°如图5概念 性所示，用M-X过渡金属配合物的亲电CH活化通常被认为通过两个通用步骤进行，i)烷烃 R-H配位到M-X以产生[M(RH) ]++X，随后ii) CH键裂解以生成M-R。研究表明，通过（bpym) Pt体系的CH活化由图5中左侧图表的实线操作，其中R-H配位是速率限制的，且从超强酸 到弱酸溶剂的抑制是由于弱酸溶剂中存在的更亲核的阴离子X与亲电金属中心的更强配 位导致的。这导致M-X静止状态的净稳定并增加了 R-H配位和CH活化的阻碍。
[0061] 有趣的是，在这些发现的同时，回想起来，我们错误地认为，所有的亲电CH活化体 系将在图5的左手侧部分的实线所展示的模式下运作。所以，我们假定静止状态的稳定化 也导致Hgn在更弱的、非超强酸介质中被抑制，以及在（bypm)Pt和Shilov PtCl体系中违反 直觉的现象，即更高氧化态的Ptiv是事实上非活化的，而较低的氧化态Pt 11显示亲电CH活 化的高速率。重要的是，对于图5中左手侧实线所操作的系统，可以预期的是，CH活化的相 对速率将随亲电性的增加（图5,插图，清晰箭头）而降低。在对这种静止状态稳定模式和 可能的自由基反应关注之间，我们的研究远离Tlm、PbIV和其它主族阳离子（其在非超强酸 介质中对于官能化高级烷烃，与Pt11 (E° =~0. 8V)29和Hg 11相比，是更强氧化和亲电的）。 [0062]因此，令人惊奇的是，我们会发现烷烃官能化体系（其中在现有技术涉及主族或 过渡元素的C-H键插入的烷烃氧化体系中已发现需要超强酸的存在）是不需要的。
[0063] 与上面讨论的预测相反，我们惊奇地发现，软氧化亲电试剂Tl111 (TFA) 3和 Pbiv (TFA)4，与其他相比，可以以高选择性和浓度，能分别迅速官能化甲烷、乙烷和丙烷或其 混合物，为相应的甲醇（MeTFA)、乙醇（EtTFA)、乙二醇（EG(TFA)2)、异丙醇（iPrTFA)和1， 2_丙二醇（PG(TFA)2)的三氟醋酸酯（表2的条目1-6,8,9，12-15)。表2展示有关的铅和 铊基软氧化亲电试剂与甲烷、乙烷和/或丙烷的反应数据。
[0064] 表2. Tl和Pb氧化剂与甲烧、乙烷和/或丙烷的反应
[0066]标准条件：0· 25M 的 Tl (TFA) 3或 Pb (TFA) 4在 2ml TFAH，气压（MeH = 500psig，EtH = 500psig，或 PrH= 125psig)，180°C 下 3 小时。浓度（M) = (mol 氧化剂）/(L 加入的溶 剂）。产物选择性=[单独液体产物]/ [总液体产物]X 100。产率基于1H-NMR=[氧化 剂]/ [总液体产物]X 100,[产物]=(mol产物）AL加入的溶剂）。*压力=800psig和 T=190°C。总压力= 500psig。！!在2M水存在下运行。§在15口8；[的O2存在下运行。 I 反应在 150°C 下运行。I].产物为 EtTFA，Et(MSA)，EG(TFA)2，和 EG(MSA)J^g合物。
[0067] 我们主要集中于三氟乙酸（HTFA)作为反应介质，但是还在其它非超强酸溶剂如 甲磺酸（MSA，条目10)(H0Ac，条目11)，以及TFAH/H20混合物（条目7)中观察到的有效的 反应性。重要的是，与报导的（bpym) Ptn或Hg 11在超强酸介质中的反应相反，没有观察到高 级烷烃、乙烷、丙烷的C-C断裂和其它副产物的证据。
[0068] 虽然在非超强酸介质中关于自由基反应和抑制CH活化的最初关注，但是我们相 信，通过涉及亲电CH活化和起初与过渡金属相关联的M-R官能化的常规反应机制，合理化 这些非过渡金属、主族、(11°阳离子与烷烃的反应是可行的。
[0069] 一些对于与金属阳离子的配体相互作用的最早研究表明：第三行、主族、d'强亲 电试剂例如Hgn和Tl 111的配体交换速率比过渡金属、、阳离子例如Irm、PtIV快~10 19倍。31这些速率上的极端差异概念上归因于缺乏带有填充d-轨道的阳离子的配位场稳定能 源（LFSE)与具有未填充d-轨道的阳离子的强LFSE。基于这些交换速率的巨大差异，合理 推测是对于总CH活化过程主族cT亲电试剂的烷烃配位速率会较快，CH键断裂相对缓慢和 速率受限（图5,虚线，右线）。同样可合理推测，在速率限制步骤中具有这种转换，增加亲 电性可导致CH键断裂的过渡态的净下降。这可以通过硬软酸碱（HSAB)理论解释，通过其 可以预期到M-C键强度随着这些软、可极化的、第三行、(11°亲电试剂的亲电性增加而增加。32如图5所示，这些观点导致预期：即带有这些主族、（11°阳离子的亲电CH活化的速率（图 5,插图，带点箭头）会随着亲电性的增加而增加（假定烷烃配位继续很快）。值得注意，这 与我们早期的模型趋势相反（图5,插图，清晰箭头）。与直觉相反，这种新的模式表明，Hgn在弱酸介质中反应性的缺乏是因为它的亲电性太低而不是太高。这些因素使我们更仔细地 检查Tl111-介导的烷烃氧化的反应机制。
[0070] 来自Tlm与烷烃在TFAH中的反应的粗混合物是均匀和实际上无色的。来自于 500psig的甲烷和乙烷，以及125psig的丙烷与Tl (TFA)3在CF3CO2H溶剂中在180°C下分 别反应3小时的粗反应混合物的1H-NMR谱图示于图6A-C中。利用同轴插入物（coaxial insert)作为外标。甲醇的TFA-酯（MeTFA)，和乙醇的相应酯（EtTFA)和乙二醇的相应酯 (EG(TFA)2)分别是观察到的来自于甲烷和乙烷的唯一产物（1%的检测阈值内）。
[0071] 值得注意的是，与丙烷的反应（表2 :条目5)也是非常有效的，只生成异丙醇的相 应酯（iPrTFA)和1，2-丙二醇的相应酯（PG(TFA)2)。用100% 13C-标记的甲烷（13CH4)和乙 烷（13C2H6)进行的反应明确证实，酯由相应的烷烃形成。特定地，在液相中观察到 13C标记的 产物，而气相中仅检测到痕量的13CO2。在液相中没有观察到来自C-C裂解或其它副反应的 产物。与此高选择性相一致，对照研究表明，在相同条件下当烃气体被替换为氩气时，酯产 物对Tl (TFA)3是非反应的。假设液相中~1%的检出限和5mM的甲烷浓度，源烷烃（parent alkanes)似乎至少比醇酯产物的反应性强100倍。
[0072] R H+Tl (TFA) 3一 Tl (TFA) +TFAH+R TFA (eq. 2)
[0073] 与在eq. 2中展示的I : 1的金属：烷烃化学计量相一致，在反应之前和之后，含 有乙烷的粗反应混合物经Tl-NMR的分析显示未反应的Tlm以及Tl ^为了检查是否烷烃 如甲烷、乙烷和丙烷可以不经分离在一锅法中进行官能化，我们制备和检测甲烷、乙烷和丙 烷以100 : 8 : 1的典型的在天然气中的比例的混合物的反应。正如可以从粗反应混合物 在TFAH中的1H和13C-NMR分析，图6D，看出，每种烷烃高选择性地以MeTFA : (EtTFA+EG (T FA)2) : (iPrTFA+PG(TFA)2)的摩尔比为~1 : 3 : 3转化为相应的醇酯。当对每种烷烃中 氢的数目归一化时，CH键在甲烧、乙烷和丙烷中的相对反应性为~1 : 25 : 150。这种趋 势也与预期的与更高、更富电子烷烃更快进行亲电反应相一致。
[0074] 正如以上所讨论的，图5中右侧反应模型的虚线的预测是，与我们早期的亲电 CH活化模型相反，烷烃官能化速率会随着亲电性的增加而增加。实际上，在相同的条件 下，在不存在传质限制，以及在较短的反应时间以最小化盐的转化下，来自于Hgn(TFA)2、 Tl111 (TFA)3以及 Pb IV(TFA)4的 EtTFA 和 EG(TFA) 2的总产率分别为 0%、30%和 75% (表 2， 条目15,9和14)。
[0075] 我们的结果定性地表明，这些亲电试剂与乙烷在TFAH中的反应性的相对速率是 Hgn (非活性）<< Tlm<