有機化學領域“聖盃”如何問鼎？

天然氣作為一種潔淨環保的優質能源和化工原料，隨著近年來探明儲量和開採量的不斷上升，逐漸成為最具經濟價值的重要自然資源之一。但是在天然氣運輸過程中會帶來高額費用和汙染，因此能否對天然氣進行直接化學轉化，實現高附加值利用對利用好寶貴的天然氣資源具有重要意義。

天然氣的主要成分是甲烷，甲烷高效活化是天然氣優化利用不可避免的一大難題。但由於甲烷是自然界中最廉價和最穩定的有機小分子，其惰性碳氫鍵帶來的低反應活性和在溶液中的低溶解度給催化甲烷活化帶來了巨大挑戰

當前為了實現高選擇性甲烷轉化，一般需要使用稀有且昂貴的貴金屬（鉑、鈀等）作為催化劑，同時需要高溫來提供反應活化能，這自然難以滿足工業中對規模性和經濟性的要求。

因此如何對甲烷進行直接活化，成為目前科學上面臨的主要挑戰，也可以說是有機化學研究領域的“聖盃”。

稀土資源鈰成最新突破點？

光促氧化還原催化在過去的十年中得到了迅速的發展。該催化模式利用催化劑將光能轉化為化學能，在溫和的條件下實現有機分子的高效活化，進而實現一些之前較難實現的選擇性化學轉化。但是受甲烷碳氫鍵鍵能的限制，利用光能實現甲烷活化是一大挑戰。

鈰

左智偉課題組一直專注於開發廉價、可持續的催化劑，致力於研究高效利用光能來實現甲烷在室溫條件下的轉化利用。此時我國特有的稀土資源引起了他們的強烈興趣。其中鈰是地殼中最豐的稀土金屬，在我國的稀土資源中佔比約百分之五十，具有低廉的價格和獨特的光物理性質。

雖然鈰在光促有機反應中很少被用作催化劑，但考慮到鈰高價態的獨特外層電子空穴結構，左智偉團隊還是比較冒險地選擇了配體到金屬電子躍遷途徑，一個之前未受廣泛關注的簡稱為LMCT的光促躍遷過程，作為研究新型光催化劑的突破點。

在LMCT途徑中，光照後即誘發配位鍵均裂形成有機自由基物種，減少中間態從而能最大限度的利用光能來實現有機分子的單電子氧化。對於具有高氧化電勢的化合物，如醇類化合物，LMCT無疑是一種直接形成高能烷氧自由基的高效活化手段。

獨特鈰催化體系，因何盛讚如潮？

經過2年多時間的嘗試和優化，左智偉課題組最終尋找到一個非常廉價、高效的催化劑組合。在極其普通的三氯乙醇的協同作用下，廉價稀土金屬鈰能發揮出與稀有的貴金屬相媲美的甲烷催化效果。他們成功地使用商品化LED光源作為反應能量來源，在室溫條件下，順利實現了高選擇性的甲烷到高附加值產物的轉化。

該體系突破均相催化中依賴貴金屬的碳氫鍵插入實現甲烷活化的模式，高效利用鈰催化劑將光能轉化為化學能，採用氫轉移模式來直接將甲烷活化為高反應性的甲基自由基，結合自由基偶聯策略，從而能夠實現一系列光促進的官能團化反應，給甲烷活化提供了條件溫和、多樣性轉化的新平臺。

這一溫和、高效、廉價的甲烷活化催化體系的成功發展引起了國際國內眾多化學家的高度讚譽。著名有機化學家、中國科學院院士、中國科學院上海有機化學研究所所長丁奎嶺院士認為“左智偉課題組的工作代表了甲烷轉化研究中的一個新的重大突破，通過精妙的催化反應設計，利用光的促進作用，在室溫下實現了甲烷分子的轉化，為甲烷的資源化和高值化利用開闢了一條新的途徑。”

現代光促氧化還原催化的開創者之一、美國國家科學院院士、普林斯頓大學傑出校聘教授David MacMillan評價說，“這一新的研究成果又開創了一個甲烷活化的新方向，他們發展的LMCT 催化方法將在醫藥、農業化學品和精細化工等行業中有著毋庸置疑的應用潛力。這是一個來自中國的年輕研究小組所完成的一項將在世界範圍內產生廣泛影響的工作，我十分期待他們的下一個突破。”