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Theory and Experiment Demonstrate that Sb(V)-Promoted Methane C–H Activation and Functionalization Outcompete Superacid Protonolysis in Sulfuric Acid

超强酸 原解 化学 硫酸 光化学 反应性(心理学) 氢原子萃取 反应机理 碳阳离子 烯烃 催化作用 无机化学 有机化学 替代医学 病理 医学
作者
Shusen Chen,Anjaneyulu Koppaka,Roy A. Periana,Daniel H. Ess
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (43): 18242-18250 被引量:3
标识
DOI:10.1021/jacs.1c08170
摘要

Sb(V) in strong Brønsted acid solvents is traditionally assumed to react with light alkanes through superacid protonolysis, which results in carbocation intermediates, H2, and carbon oligomerization. In contrast to this general assumption, our density functional theory (DFT) calculations revealed an accessible barrier for C-H activation between methane and Sb(V) in sulfuric acid that could potentially outcompete superacid protonolysis. This prompted us to experimentally examine this reaction in sulfuric acid with oleum, which has never been reported because of presumed superacid reactivity. Reaction of methane at 180 °C for 3 h resulted in very high yields of methyl bisulfate without significant overoxidation. Our DFT calculations show that a C-H activation and Sb-Me bond functionalization mechanism to give methyl bisulfate outcompetes methane protonolysis and many other possible reaction mechanisms, such as electron transfer, proton-coupled electron transfer, and hydride abstraction. Our DFT calculations also explain experimental hydrogen-deuterium exchange studies and the absence of methane carbo-functionalization/oligomerization products. Overall, this work demonstrates that in very strong Brønsted acid solvent, Sb(V) can induce innersphere reaction mechanisms akin to transition metals and outcompete superacid reactivity.

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