分享一篇最近发表在Science上的研究，题为：Diversification of aliphatic C–H bonds in small molecules and polyolefins through radical chain transfer，文章的通讯作者是北卡罗来纳大学教堂山分校的Frank A. Leibfarth以及Erik J. Alexanian教授。

图1. 本文工作示意图（A）通用的C-H活化平台示意图，（B）本文所发展的C-H官能化反应，（C）本文所推测的反应机理。

C-H键活化在制药以及材料领域都有十分广阔的应用前景，然而由于C-H键反应活性较低，脂肪烃的C-H活化研究一直极具挑战。近年来，人们在此方向上已经取得了较大的进展，但是大部分体系仍需要其他官能团作为导向基团，亦或由于反应路径或试剂的原因，使得此类反应受到了一定的限制。为了发展一种更为通用的脂肪烃C-H活化平台，作者关注到杂原子自由基介导的C-H官能化反应，此类反应往往在体系中先生成氮自由基，再通过氢原子转移（hydrogen atom transfer, HAT）形成碳自由基进而实现C-H活化，然而此前报道的该类体系需要将欲修饰的官能团直接与氮原子相连，限制了其应用范围。作者假设如果能够将氮自由基与碳自由基链转移过程分离开来，则有望发展一种通用型的C-H键衍生化平台（图1）。

图2. 文中部分小分子C-H键衍生化实验

作者选取了O-取代的异羟肟酸衍生物1作为引发剂，该试剂在70度加热或者可见光照射的情况下即可形成氮自由基，进而通过HAT以及链转移实现C-H键活化（图1C）。在以环己烷为底物的模型反应中，作者成功的使用不同的捕获试剂以较高的收率实现了其不同的衍生化（图2）。作者进一步拓展了底物小分子的种类，实现了包括甲烷在内的许多小分子以及天然产物上的C-H衍生化。结果显示，1中叔丁基较大的位阻使其在某些例子中更倾向于修饰二级C-H。同时产物卤代烃能够进一步衍生为其他结构，进一步拓展了该平台的应用潜力。

图3. 利用该体系对聚烯烃的功能化结果

作者进一步将这一化学应用于聚烯烃的C-H键活化，以期实现其功能化。目前商业化的聚烯烃衍生化主要是通过选择性的在枝化点三级C-H键进行修饰，但是这种方法往往会造成β断裂，进而降低聚合物的力学性质，作者认为本文体系对亚甲基的选择性可以在一定程度上避免该现象的产生。他们首先在线性低密度聚乙烯中进行了尝试，成功的向其中引入了氰基。在通过核磁以及排阻色谱等手段确认分子结构后，他们进一步通过该手段向不同的聚烯烃材料中引入了功能性官能团比如氟、溴以及叠氮等，其中许多官能团难以通过传统的聚合方式进行引入（图3）。

图4. 通过后修饰制备离子交联聚烯烃的制备

聚合物的回收利用是解决塑料污染的重要方式之一，本文所发展的通用平台有望通过对废旧聚合物的功能化实现其升级再造（upcycling）。离子交联聚烯烃（如SURLYN）是一类具有优良热学性质的高值材料，被广泛应用于粘合剂等领域。作者通过本文所发展的后修饰策略成功地制备了一种离子交联聚烯烃，其性能与商业化产品相当（图4）。

总结来说，作者通过O-取代的异羟肟酸衍生物发展了一种C-H活化的新策略，在光照或加热条件下，该分子均裂成一对自由基，其中氮自由基可以快速的通过HAT对C-H键进行活化，而另外一种由于反应活性较低并不会参与反应。该策略不依赖导向基团，实现了小分子以及聚合物中的C-H键的高效修饰，并在聚烯烃的升级再造中展现出了广阔的应用前景。

作者：Roy Wu    审校：XW

DOI: 10.1126/science.abh4308

Link: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4308