Pb IV。如果这种趋势保持到第三行、cT系列，可能Bi ^可与烷烃 是非常反应性的。Biv (TFA) 5是未知的，正在努力合成和研究这种物质。
[0076] 这些观察结果支持假想的亲电CH活化/M-R官能化机理。不过，由于强氧化性物质 可与烷烃产生自由基反应的总体考虑，促使我们进行进一步的机理研究。改变烷烃压力显 示取决于烷烃的一级速率（Kcibs= 1. 8x10 s±8. 9x10 1Qs \ psi》。自由基反应的一些关键特 点可以是但不总是，在自由基捕获剂，例如O2存在下，差的再现性和反应速率以及产物选择 性的变化。28为了检查这些可能性，我们研究了的Tl (TFA) 3与33倍过量的乙烷在TFAH中的 反应动力学。反应对于生成EtTFA和EG (TFA) 2的TFA酯展现高度再现的，完全的一阶（Tl ΠΙ) 动力学（Kcibs= 6. 2x10 7±3. 1x10 Ss Ipsi % 没有诱导期。有趣的是，EtTFA 和 EG (TFA) 2的 形成的相对速率分析与这些产物的平行形成是一致的，而不是预期的顺序形成。这些结果 表明对于两种产物的形成，可能的共同的中间体Tlm-Et物质（参见图7)。在存在额外的 O2 (众所周知的自由基捕获剂，其在这些反应条件下是稳定的）的情况下进行反应，其对反 应速率或选择性没有影响（表2,条目8)。如上所述，这些结果连同高反应选择性以及在乙 烷和丙烷与Tl (TFA)3的反应中缺乏任何C-C裂解产物强烈地与自由基机理不一致。
[0077] 为进一步研究CH活化/M-R官能化机理的可能性，我们在氘代三氟乙酸、DTFA中， 进行甲烷与Tl (TFA)3的反应。该反应中只产生了 CH3TFA,并没有观察到CH3D。该结果与以 下反应机理相一致，其中CH活化步骤是速率限制和不可逆的，而推定的Tl111-CH3*间体官 能化为醇酯是迅速的。与认定CH键裂解为速率限制步骤相一致，基于与H3C-CDj^反应的 分子内动力学同位素效应（KIE)测定为3. 4。如果烷烃配位或M-R官能化是速率限制的，可 以预期非常小的KIE或没有KIE。预期的推定的（TFA)2Tlm-Me中间体是未知的并且可能 是不稳定的。
[0078] 然而，二甲基物质，（TFA)Tl (CH3)2在室温下在TFAH中是稳定。因为众所周知，这 类有机金属经历快速烷基转移，我们检验（TFA) Tl (CH3)2与Tl(TFA) 3的反应，作为原位产 生（TFA)2Tl111-Me的手段。一旦在室温下添加 Tl (TFA)3至（TFA) Tl (CH3)2在TFAH中的溶 液，几分钟内清晰地生成两个当量的MeTFA，其相对于（TFA) Tl (CH3) 2基于化学计量的定量 产出，如eq. 3所示。一旦混合立即对粗反应混合物的NMR分析表明了新的、宽的、短暂的 (transient) Me-物质，其可是（TFA)2Tl(CH3)中间体。与在 CH^Tl(TFA) ^DTFA 中的反 应中缺乏Η/D交换相一致（我们归因于不可逆地形成假定的（TFA)2Tl111-Me中间体），没有 014从（TFA)Tl (CH3)2与Tl (TFA) 3在TFAH中的这些官能化反应中产生。这些结果也与用 HOAc处理（OAc)2TlMe产生MeOAc的报道相一致。33
[0080] 我们也已使用M06密度泛函理论计算来检验乙烷CH官能化的可能机理和能量景 观，以及推测导致EtTFA和EG (TFA) 2平行形成的机制。首先，我们检查Tl (TFA) 3可通过自由 基或单电子氧化途径诱导乙烷官能化是否是合理的。以反应性（TFA)2Tl VCF3COO ·自由基 对开始的自由基链式机理被排除了，因为Tl-O键均裂需要52. 3kcal/mol的自由能。此外， 一个电子氧化和Tl介导的氢原子提取也被排除，因为这些途径都需要大于75kcal/mol。相 反，我们的计算表明CH官能化最可行的途径是通过通过亲电取代的CH活化（图7A)。计 算表明，Tl (TFA)3的基态是三个TFA阴离子的两个氧原子均以八面几何体配位到Tl中心， T1(0, 0-TFA)3〇
[0081] 结构的检测表明每个配位TFA中的一个氧原子比另一个更紧密的结合。计算 结果表明，乙烷配位的发生通过一个氧在0, O-TFA阴离子中的离解，以产生一个打开的 配位点，其允许乙烷配位，以得到（〇, 〇-TFA)2(〇-TFA)Tl(C2H6)。如在图5中所示的概念 模型基础上的预期（虚线，右侧能量图），（11°主族金属中心呈现烷烃的迅速配位，这仅需 要AG = 22. lkcal/mol。该值与在（bpym)Pt11体系中在超强酸介质中对于烷烃配位的 > 35kcal/mol形成对比。随后来自于（0, 0-TFA)2 (O-TFA) Tl (C2H6)通过亲电取代过渡态 AGi= 34. 2keal/mol的CH键裂解与观察到的反应速率和速率限制的CH键裂解相一致 (图7B)。与实验测量KIE为3.4相一致，在该CH键裂解过渡态中，有相当的TI-C键的形 成和C-H键拉伸。基于该过渡态的KIE的计算的值为4. 7。
[0082] CH活化步骤的热力学表明Tl-Et物质稍微比Tl (TFA) 3盐和乙烷（Δ G =-3. lkcal/mol)更稳定。因此，Tl-Et物质可能是可观察的。然而，计算预测，Tl-Et官 能化比CH活化具有低得多的能皇，因此Tl-Et物质的官能化比CH活化反应更加迅速。这 解释了当反应在氘化TFAD中运行时缺乏Η/D交换，以及来自于（TFA) 11此2与Tl (TFA) 3至 TFAH的反应的无任何CH4形成且MeTFA的定量收率。图7B显示了通过计算确定的两个最 合理的Tl-Et官能化路径。SN2路径形成Et-TFA而E2路径形成乙烯。对照实验表明，虽然 Et-TFA到EG (TFA) 2的转化是缓慢的，乙烯通过与Tl (TFA) 2的反应迅速转变为EG (TFA) 2。计 算表明，虽然SN2和E2路径都是有竞争力的，但更优选SN2路径。这与试验显示的Et-TFA 相对于EG(TFA)2的平行但更高的生成速率相一致。此外，我们的计算还表明，Et-TFA的甲 基的CH活化的厶#大于4〇kcal/mol，因为TFA基团给予甚至在两个C外的强吸电子影响。 这一结果与高反应选择性相一致，表明EG (TFA) 2是从E2官能化路径而不是Et-TFA官能化 生成。
[0083] 实验和理论结合在一起强烈支持假想的烷烃官能化的机制，其涉及烷烃与与第三 行、主族阳离子、MnXn缓慢的、不可逆的亲电活化，以产生的Mn-R中间体，随后快速M-R官能 化，以产生RX和Mn 2Xn 2。将这一新的认识应用到其它主族元素、cT阳离子、M nXn与烷烃的 反应，或者在两个分别的化学计量反应中，或使用MnXn作为催化剂，本发明人在此已经对烷 烃在使用空气或其它氧化剂如H2O2的条件下的选择性羟基化为醇设计了实际流程。
[0084] 在各种实施方式中，本发明提供的方法包括新的试剂的使用，其便于烷烃的直接 的选择性的转化，并以高的产率和体积生产率，在温度低于300°C下，生成相应的醇，例如在 液相间歇式反应器中。总反应是烷烃与氧气或空气部分氧化为相应的醇。所述醇然后可用 作化学品或燃料或可转化为其它材料。所述试剂可以通过使用氧化剂，例如H2O2、大气中的 氧、硝酸、卤素等被再生为活性形式。本领域技术人员知晓如何选择适用于在烷烃官能化反 应中使用的特定MnXn试剂的氧化剂。这些反应主要优点包括避免高温的、多步骤的、复杂的 和资本密集型工艺，其当前用于将烷烃转化为功能化产物如烯烃、柴油或甲醇。这些优点的 实施例示于图1中所示的方案。如图I(B)中所示，与现有流程，图I(A)相比，在公开文本 中所描述的本发明的将烷烃转化为醇产物为新的、更直接的方法。在许多情况下，资金和生 产费用对这些大体积材料的生产成本的作了主要贡献。减少步骤的数量、温度、热量管理和 反应器成本会实质性减少这些花费以及总能量，同时提高对于来自于富烷烃原料，例如天 然气，的物质的生成的原子效率。
[0085] 用于实施本发明方法的软氧化亲电试剂的各个实施方式的突出特点是，它们基于 廉价的主族元素，如铊、铅、铋、锑、硒、碘等，并且可以单独地或作为混合物的一部分，将每 种烷烃转换为相应的官能化烷烃。值得注意的是，这些直接转换避免了高温和由此导致的 通过现有的由合成气或烯属中间体的生成而进行的间接方法需要的大量资本投入。发现基 于新的烷烃CH活化化学的这些催化剂/试剂设计经过近20年来的发展，使CH键的断裂， 不具有行业目前使用的氧化技术中涉及的自由基的产生。据预测，这些新的催化剂设计将 成为专有平台技术的基础，其导致将天然气转化成化学品、液体燃料和润滑剂的最低成本 的商业方法。这将使得相关的和闲置天然气可能的商业化，以及对于在美国和世界各地大 面积的天然气储量，大幅增加市场和价值。在本专利申请中所公开和要求保护的技术可以 允许天然气使用的增加和潜在的取代石油。
[0086] 在各种实施方式中，本发明提供了将烷烃氧化为烷烃含氧化合物的方法，其包 括：
[0087] (a)在包含含氧酸的酸性介质中，不存在超强酸，在低于300°C的温度下，使烷烃 和包含氧化形式的主族元素的软氧化亲电试剂接触，或使烷烃和还原形式的软氧化亲电试 剂以及氧化剂接触，以得到烷烃含氧化合物和亲电试剂还原产物；和 [0088] (b)分离所述烷烃含氧化合物和亲电试剂还原产物。
[0089] 如本文所公开的，软氧化亲电试剂和酸性介质可以由本领域技术人员从本文公开 的和要求保护的各种选项中进行选择。软氧化亲电试剂和亲电试剂还原产物，以及软氧化 亲电试剂的还原形式的讨论贯穿本申请。酸性介质包含含氧酸，它是指这样一种酸，其中， 酸性质子结合到氧原子，例如，三氟乙酸、乙酸、甲磺酸等。该反应不需要超强酸的存在，并 且可以在有吸引力的低的温度和压力下进行。在表2中所示的例子中，在约500psig的压 力下和约150°C温度下，对于甲烷和乙烷获得高转化率。
[0090] 本发明的方法可进一步包括
[0091] (C)使经分离的亲电试剂还原产物和氧化再生试剂接触，以再生软氧化亲电试剂。 [0092] 通过该再循环步骤，软氧化亲电试剂的大比例的主族元素可以被捕获并重新使 用，从而提供经济和环境优势。参见图2。氧化再生试剂是指氧化性分子实体，例如过氧化 氢、氧、硝酸、卤素等。本领域技术人员可以，基于电化学势能等的知识，选择合适的氧化再 生试剂，以用于所使用特定体系的特定MnXn还原产物。烷烃反应性软氧化亲电试剂的再生 可以在原位进行，其中所述软氧化亲电试剂起催化剂作用；或者可以在交替循环中进行，其 中软氧化亲电试剂作为烷烃的化学计量氧化剂且在单独的步骤中再生。
[0093] 在各个实施方式中，可以存在相对于烃化学计量量或更大量的软氧化亲电试剂， 且M-R活化中间体可在单一步骤中形成，例如，没有MXn软氧化亲电试剂原位再生的情况。
[0094] 或者，氧化再生试剂可以是氧化电化学电势，即，其中施加足够的电压，以从亲电 试剂还原产物形成或再生软氧化亲电试剂。
[0095] 例如，软氧化亲电试剂可以包括氧化形式的元素铊、铅、铋、硒、碲或碘。例如，软氧 化亲电试剂可包括 Tl (III)、Pb (IV)、Bi (V)、Se (VI)、Te (VI)、I (III)或 I (V)。通过这种专门 术语，元素的氧化态指，例如，Tl (III)，也可写为T1111，为ΤΓ3,同样适用于其它所描述的元 素。软氧化亲电试剂可以是式MnXn的分子物质，其中，M是氧化态为η的原子序数为31-35， 49-53,81-83的主族元素的金属或非金属阳离子，X是阴离子抗衡离子。抗衡离子可以是酸 的共辄碱，例如，CF3CO2、H0S020 XH3SO2O或CH3CO2。整数"η"是所需的平衡金属正电荷的 阴离子数，其也可以等于η。在各个实施方式中，包含氧化形式的主族元素的软氧化亲电试 剂是盐，其中氧化形式的主族元素的抗衡离子是酸性介质的酸的共辄阴离子。当软氧化亲 电试剂指盐时，可以理解的是，对通过氧化形式的主族元素和阴离子抗衡离子所形成的化 合物，可存在显著程度的共价性质。
[0096] 例如，在其中所述酸性介质包含三氟乙酸、乙酸、甲磺酸、磷酸、膦酸、水性无机酸、 水性有机酸等的实施方式中；氧化形式的主族元素的抗衡离子是三氟乙酸根、乙酸根、甲磺 酸根、磷酸根等。
[0097] 对于式MnXn的软氧化亲电试剂，M是氧化态为+η的原子序数为31-35,49-53， 81-83的主族元素的金属或非金属阳离子，X是抗衡离子，诸如三氟乙酸根等。例如，抗衡离 子可以是酸性反应介质的含氧酸的共辄碱。当M元素处于+η的氧化态时，亲电试剂还原产 物可以处于+ (η-2)或+ (η-1)的氧化态；也就是，插入到烷烃的C-H键可以分别伴随主族元 素的双电子还原或单电子还原。显而易见的是，C-H插入反应的总化学计量将根据具体情 况变化。
[0098] 在各个实施方式中，本发明的方法包括在包含含氧酸的酸性介质中，不存在超强 酸，在低于300°C的温度下，使烷烃和包含氧化形式的主族元素的软氧化亲电试剂接触，以 得到烷烃含氧化合物和亲电试剂还原产物。对于氧化形式的软氧化亲电试剂，不存在超强 酸，在低于300°C的温度下，优选低于200°C，与烷烃的反应直接进行。在各种其它实施方 式中，本发明的方法包括，在包含含氧酸的酸性介质中，不存在超强酸，在低于300°C的温度 下，使烷烃与软氧化亲电试剂的还原形式以及氧化剂接触，以得到烷烃含氧化合物和亲电 试剂还原产物。在这样的实施方式中，氧化形式是通过还原形式的软氧化亲电试剂与氧化 剂原位产生的。
[0099] 在本发明的各个实施方式中，当C-H键插入反应包括使烷烃与软氧化亲电试剂的 还原形式以及氧化剂接触，软氧化亲电试剂的还原形式和亲电试剂还原产物可以是相同的 化学物质。例如，使用Bi(v)(三氟乙酸盐）5软氧化亲电试剂实施方式作为例子，还原形式的 软氧化亲电试剂可是Bi(111)(三氟乙酸盐）3，在反应和再生的循环中，其一旦与氧化剂，氧化 再生试剂反应，例如，在三氟乙酸中，形成Bi(v)(三氟乙酸盐）5作为反应性亲电试剂物质，使 烷烃官能化反应发生，其一旦与烷烃反应则重新生成Bi(111)(三氟乙酸盐）3。
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