超越二維材料和鈣鈦礦，全年36篇N&S的研究方向你不來關注下？

在過去的2020年，有機化學領域一共發表了36篇N&S，成為本年度最能發NS的研究方向。我們在之前的文章中匯總了2020上半年有機化學領域的研究，一共16篇文章。這篇文章為大家匯總了2020下半年有機化學領域的N&S文章，我們一起來看看這個研究領域獨特的頂刊魅力。

1.美國普林斯頓大學的David W. C. MacMillan:金屬光氧化還原芳基和烷基放射性甲基化用于PET配體的發現

正電子發射斷層掃描（PET）放射性配體（放射性標記的示蹤劑化合物）對于中樞神經系統藥物，神經退行性疾病和許多腫瘤學目標的體內表征極為有用。氚和C-11放射性同位素體通常對于放射性配體的體外和體內表征都是必需的，但是幾乎沒有放射性標記方案可用于合成兩者，從而抑制了PET放射性配體的發展。由于C-11的半衰期短，因此這種放射性配體的合成也需要非常快。

美國普林斯頓大學的David W. C. MacMillan報道了一種通用且快速的金屬光催化還原方法，用于通過載有芳基和烷基溴化物的藥物前體的甲基化，將氚和C-11合成到所需化合物中。甲基是生物活性分子中最常見的結構元素之一，因此這種合成方法簡化了放射性配體的發現。為了證明該技術的適用范圍，作者進行了20種氚化和10種C-11標記的復雜藥物和PET放射性配體的快速合成，包括一步法合成臨床使用的化合物[¹¹C]UCB-J和[¹¹C]PHNO。作者進一步概述了該協議在臨床前PET成像中的直接效用，并將其用于人體臨床成像中常規放射性示蹤劑生產的自動放射合成。

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Metallaphotoredox aryl and alkyl radiomethylation for PET ligand discovery

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-3015-0)

2.加州大學伯克利分校John F. Hartwig:跨內烯烴的N-H鍵的催化不對稱加成

烯烴的加氫胺化，即胺在烯烴上的N-H鍵加成，是一種基本的、但具有挑戰性的有機轉化，可以從兩種豐富的化學原料（烯烴和胺）中產生烷基胺。該反應特別重要，因為胺，尤其是手性胺是天然產物和藥物中普遍的亞結構。盡管已經為開發用于加氫胺化的催化劑付出了巨大的努力，但是進行分子間加氫胺化的絕大部分烯烴僅限于共軛，張力或末端烯烴。僅有少數例子是在未活化的內部烯烴之間直接加成胺的N-H鍵，包括光催化加氫胺化，而且不知道這種烯烴的不對稱分子間加成。

加州大學伯克利分校John F. Hartwig報道了一種陽離子銥體系，該體系催化一系列未活化的內部烯烴的分子間加氫胺化，從而使其具有高對映選擇性，從而形成手性胺。該催化劑包含帶有三甲基甲硅烷基取代的芳基膦配體和一個三酰亞胺抗衡陰離子，反應設計包括2-氨基-6-甲基吡啶作為胺，以提高催化循環內多個步驟的速率，同時充當氨替代物。這些設計原則指出了在未活化的內部烯烴之間添加其他試劑的N-H鍵以及O-H和C-H鍵的方式，以簡化基本原料中功能分子的合成。

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Catalytic asymmetric addition of an amine N-H bond across internal alkenes

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2919-z)

3.英國布里斯托大學Adam Noble&Varinder K. Aggarwal:無金屬的光誘導烷烴的C(sp3)-H硼化

硼酸及其衍生物是化學中最有用的試劑，其應用范圍涵蓋藥物，農用化學品和功能材料。催化C-H硼化是將這些和其他硼基團引入有機分子的一種有效方法，因為它可用于直接官能化原料化學品的C-H鍵，而無需進行底物預活化。這些反應傳統上依賴于貴金屬催化劑進行C-H鍵斷裂，因此，對于芳族C(sp2)-H鍵與脂族C(sp3)-H鍵的硼化顯示出很高的選擇性。

英國布里斯托大學Adam Noble&Varinder K. Aggarwal報道了使用氫原子轉移催化的無金屬硼化反應，其中C(sp3)-H鍵的均相裂解產生烷基自由基，該烷基自由基通過與二硼試劑直接反應而被硼化。該反應通過N-烷氧基鄰苯二甲酰亞胺基氧化劑與氯化物氫原子轉移催化劑之間的紫光光誘導電子轉移而進行。通常，較弱的仲，叔，甚至芐基CH鍵優先將較強的CH鍵甲基化。機理研究表明，高甲基選擇性是由于氯自由基-硼“酸酯”配合物的形成，該配合物選擇性地裂解了空間不受阻礙的CH鍵。通過使用光誘導的氫原子轉移策略，這種無金屬的C(sp3)-H硼酸酯化可以將未反應的烷烴在溫和的條件下轉化為有價值的有機硼試劑。

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Metal-free photoinduced C(sp3)-H borylation of alkanes

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2831-6)

4.加州大學洛杉磯分校Yi Tang、K. N. Houk和中科院有機所周佳海:酶促Alder-ene反應

化學研究中的一項持續挑戰是設計能夠控制復雜分子反應的催化劑。化學家依靠有機催化劑或過渡金屬催化劑來控制立體選擇性，區域選擇性和周向選擇性（可能的周環反應之間的選擇性）。大自然可以通過多種酶來實現這些類型的選擇性，這是一種催化周環反應的酶家族。最典型的酶促環周反應是環加成反應，很難合理地實現觀察到的選擇性。

?加州大學洛杉磯分校Yi Tang、K. N. Houk和中科院有機所周佳海發現了兩個同源的周環酶組，它們催化不同的反應：一組催化在生物學上未知的Alder-ene反應；第二個催化立體選擇性Diels-Alder反應。在計算研究的指導下，作者合理化了觀察到的反應性差異，并設計了突變酶，這些酶逆向選擇性從Alder-ene到異Diels-Alder，反之亦然。體外生化表征，計算研究，酶共晶體結構和突變研究的結合說明了在幾乎相同的活性位點如何實現高區域選擇性和周選擇性。

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An enzymatic Alder-ene reaction

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2743-5)

5.加州大學洛杉磯分校K. N. Houk&Neil K. Garg:環狀聯烯參與的不對稱鎳催化

應變的環狀有機分子，例如芳烴，環狀炔烴和環狀烯，因其不尋常的結構和高化學反應性而引起化學家的興趣超過一個世紀。表征這些瞬時中間體的相當大的環應變在許多反應中賦予了高反應活性，通常會生成結構復雜的產物。盡管已經報道了使用化學計量手性試劑控制這些反應中絕對立體化學的策略，但仍然難以實現催化不對稱變體生成對映體富集的產物。

加州大學洛杉磯分校K. N. Houk&Neil K. Garg報道在催化不對稱反應中外消旋環狀聯烯中間體的截獲，并為控制這種轉化中的絕對立體化學的兩種不同機制提供了證據：環狀聯烯對映異構體的動力學分化和中間體π-烯丙基鎳配合物的脫對稱。計算研究暗示了一種催化機理，該機理涉及通過立體選擇性烯烴的插入，環狀聯烯對映異構體的初始動力學分化，損失所得的立體化學信息，以及隨后通過中間π-烯丙基鎳配合物的不對稱化引入絕對立體化學。這些結果揭示了環烯具有的反應性，超越了先前報道的傳統環加成和親核捕獲，從而擴大了可從此類中間體獲得的產品類型。此外，計算研究提出了兩種潛在的策略，用于控制環烯反應中的立體控制。結合起來，這些結果為開發涉及這些經典避免的中間體的催化不對稱反應奠定了基礎。

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Intercepting fleeting cyclic allenes with asymmetric nickel catalysis.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2701-2)

6.耶魯大學Patrick L. Holland:通過芳基遷移耦合二氮和碳氫化合物

碳氫化合物和大氣氮（N₂）的活化仍然是一個挑戰，因為這些分子通常是惰性的。由N₂形成碳-氮鍵通常需要具有反應性的有機前體，這些前體與促進N₂反應性的還原條件不相容，后者阻止了催化作用。

耶魯大學Patrick L. Holland報道了二酮支持的鐵系統，該系統依次激活苯和N₂以形成苯胺衍生物。該偶聯反應的關鍵是還原的鐵二氮配合物的部分甲硅烷基化，然后苯衍生的芳基遷移到氮上。進一步的還原會釋放出N₂衍生的苯胺，并且生成的鐵物質可以重新進入循環途徑。通過使用鈉粉，冠醚，三甲基甲硅烷基溴化物和N₂的混合物作為氮源，易于制備的二酮化溴化鐵配合物介導了幾種石油衍生的芳烴的一鍋轉化為相應的甲硅烷基化苯胺衍生物。沿循環途徑的許多化合物已被分離并進行晶體學表征，它們的反應性支持了依次進行烴活化和N₂功能化的機制。

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Coupling dinitrogen and hydrocarbons through aryl migration.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2565-5)

7.曼徹斯特大學Daniele Leonori:苯胺合成的光化學脫氫策略

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將兩個分子片段連接在一起的化學反應（交叉偶聯）對于發現和制造藥物和農用化學品至關重要。目前僅在過渡金屬催化的方法中才能將胺引入到特定位置和預定位置的官能化芳族化合物上，并且需要含鹵素或硼的底物。這些基團在芳族單元周圍的引入取決于該方法的固有反應活性（親電子鹵化或C-H硼化），因此通常不可能對所有位置進行選擇性靶向。

曼徹斯特大學Daniele Leonori報道了苯胺的非規范交叉偶聯方法，利用飽和環己酮作為親電親電子替代物。胺和羰基之間的縮合是自然界中經常發生的過程，有機化學家經常使用該過程，可以形成預定的位點選擇性碳-氮（C-N）鍵，而光-氧化還原和鈷-基的催化體系在到達苯胺的途中逐漸使環己烯環脫飽和。鑒于可以使用成熟的羰基反應性通過完全的區域控制來輕松獲得官能化的環己酮，因此該方法繞開了芳香族化學中一些常見的選擇性問題。作者通過制備商業藥物以及對天然產物，類固醇和萜烯原料進行后期氨基化芳香化來證明這種C-N偶聯方案的實用性。

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A photochemical dehydrogenative strategy for aniline synthesis.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2539-7)

8.東京工業大學Masaaki Kitano&Hideo Hosono:空位激活的N₂活化，可在負載Ni的催化劑上合成氨

氨（NH₃）對肥料行業至關重要，是最常生產的化學品之一。由于其大量的鍵能，直接使用大氣中的氮（N₂）一直具有挑戰性，直到Haber-Bosch工藝得以發展。隨后，人們探索了許多策略來減少N≡N鍵的活化勢壘并使該過程更有效。這些措施包括使用堿金屬和堿土金屬氧化物作為促進劑，以通過過渡金屬將電子從促進劑轉移至N₂的反鍵，從而提高傳統的鐵和釕基催化劑的性能。駐極體載體進一步降低了激活勢壘，因為其低功函和高電子密度增強了電子向過渡金屬的轉移。這種策略促進了N₂分解產生氨的合成，并在溫和條件下實現了催化操作。但是，它需要使用昂貴的釕。目前已經發現包含表面氮空位的氮化物可以活化N₂。

東京工業大學Masaaki Kitano&Hideo Hosono發現由于避免了常見的結垢關系的雙位機理，鎳負載的氮化鑭（LaN）能夠實現穩定且高效的氨合成。動力學和同位素標記實驗以及密度泛函理論計算證明，氮空位是在低形成能的LaN上產生的，并有效地結合和活化N₂。此外，加載到氮化物上的鎳金屬會分解H₂。使用不同的位點活化兩種反應物以及它們之間的協同作用，導致負載鎳的LaN催化劑的活性遠遠超過傳統的鈷基和鎳基催化劑的活性，與釕基催化劑。結果說明了在反應循環中使用空位的潛力，并介紹了使用自然富集元素的氨合成催化劑的設計概念。

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Vacancy-enabled N2 activation for ammonia synthesis on an Ni-loaded catalyst.

(Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2464-9)

9.佛羅里達州立大學&紐約州立大學布法羅分校&亞琛工業大學:吡咯烷二硫代氨基甲酸鋦的壓縮可增強共價

鋦在元素系列中是獨特的，因為其半放縮的5f⁷外殼比其他5fⁿ配置具有更低的能量，從而使其既不具有氧化還原活性，又不易形成與5f外殼接合的化學鍵。在高壓下，金屬鋦經歷了從局域5f電子到迭代電子的轉變。這種轉變伴隨著由鋦原子之間的磁性相互作用所決定的晶體結構。因此，產生了一個問題，即是否可以通過施加壓力來改變cur（iii）-配體相互作用中的前沿金屬軌道，從而使其誘導形成具有一定共價度的金屬-配體鍵。

?佛羅里達州立大學&紐約州立大學布法羅分校&亞琛工業大學報道了在高壓下[Cm(pydtc)4]-中的f硫鍵中5f/6d軌道的相對作用變化的實驗和計算證據。將這些結果與[Nd(pydtc)₄]-和僅具有鋦氧鍵的Cm（iii）熔體的光譜進行比較。與[Cm(pydtc)₄]-光譜中觀察到的變化相比，所觀察到[Nd(pydtc)₄]-吸收光譜中f-f躍遷和鋦的f-f發射光譜中的較小變化，這與其鍵的性質的較小擾動有關。這些結果表明，在高壓下，金屬軌道對鋦硫鍵的貢獻顯著增強。

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Compression of curium pyrrolidine-dithiocarbamate enhances covalency.

(Nature, 2020, DOI:10.1038/s41586-020-2479-2)

10.威斯康星大學麥迪遜分校Shannon S. Stahl:量身定制的醌類支持高周轉量的Pd催化劑，用于O₂氧化C–H芳基化

鈀（II）催化的碳氫（CH）氧化反應可以用于藥物，農用化學品和其他復雜有機分子的合成。?然而，現有方法通常在高鈀（Pd）負載（例如10摩爾％）下表現出不良的催化劑性能，并且需要（超）化學計量的氧化劑，例如苯醌和銀（I）鹽。

威斯康星大學麥迪遜分校Shannon S. Stahl探討了代表性的Pd催化的CH-H氧化芳基化反應的機理，并闡明了破壞催化劑性能的機理，包括消耗底物的副反應和螯合作為非活性物質的催化劑。醌助催化劑的系統調節克服了這些有害特征。使用2,5-二叔丁基對苯醌可以有效地利用分子氧作為氧化劑，提高反應收率，并通過Pd催化劑提供> 1900的周轉率。

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Tailored quinones support high-turnover Pd catalysts for oxidative C-H arylation with O2.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abd1085)

11.加州大學圣巴巴拉分校Susannah L. Scott:通過串聯氫解/芳構化將聚乙烯上鏈成長鏈烷基芳烴?

當前的塑料生產規模以及隨之而來的廢物處理問題代表了化學循環利用的大部分未開發的機會。在不添加溶劑或分子氫的情況下，負載在氧化鋁上的鉑進行的串聯催化轉化將高收率（最高80％重量百分比）的各種聚乙烯等級轉化為低分子量液體/蠟產品，幾乎不產生輕質氣體。主要成分是有價值的長鏈烷基芳烴和烷基環烷烴。盡管反應溫度適中于280°C，但放熱氫解與吸熱芳構化的耦合使得整個轉化過程在熱力學上是可及的。該方法證明了廢聚烯烴如何成為生產分子烴產品的可行原料。

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Polyethylene upcycling to long-chain alkylaromatics by tandem hydrogenolysis/aromatization.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abc5441)

12.韓國科學技術院Sang Woo Han&Mu-Hyun Baik:電感應效應——電極作為具有可調電子特性的官能團

代替施加不同感應作用的官能團，韓國科學技術院Sang Woo Han&Mu-Hyun Baik將攜帶巰基的分子固定在金電極上。通過施加不同的電壓，可以調節固定分子的性質。通過施加相對于開路電勢的–0.25伏特的負電壓，可以完全抑制堿催化的苯甲酸酯皂化。此外，當將芳基鹵化物襯底固定在金電極上時，可以通過施加電壓來改變交叉偶聯反應的速率。最后，顯示出兩步羧酸酰胺化受益于添加碳二亞胺偶聯劑和引入胺之間的施加電壓的切換。

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Electro-inductive effect: Electrodes as functional groups with tunable electronic properties.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abb6375)

13.格拉斯哥大學Leroy Cronin：用于化學合成文獻數字化和自動執行的通用系統

用于化學合成的機器人系統越來越流行，但是由于缺乏標準的操作系統或無法通過自然語言處理直接訪問文獻的能力，因此可能難以運行和維護。格拉斯哥大學Leroy Cronin展示了一種可擴展的化學執行架構，該架構可以通過自動閱讀文獻來填充，從而實現了通用的自主工作流程。無需任何編程知識，就可以用自然語言糾正機器人綜合代碼，并且由于該標準，它是獨立于硬件的。然后，可以將該化學代碼與描述硬件模塊的圖形結合起來，并編譯成特定于平臺的低級機械手指令以執行。文章展示了來自文獻的12種化合物的自動合成，包括止痛藥利多卡因，高碘烷氧化試劑和氟化劑AlkylFluor。

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A universal system for digitization and automatic execution of the chemical synthesis literature.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abc2986)

14.北海道大學Masaya Sawamura:脂肪族酰胺和酯與模塊化銥催化劑的不對稱遠程C-H硼化

在C–H鍵官能化化學中，尤其是在線性脂族飽和烴骨架中，位點選擇性和立體控制仍然是主要挑戰。北海道大學Masaya Sawamura報道了遠程C(sp3)–H鍵與脂族仲和叔酰胺和酯中的羰基的高度對映選擇性和位點選擇性催化硼化。手性CH活化催化劑由銥中心，手性單亞磷酸酯配體，非手性脲-吡啶受體配體和頻哪醇硼烷基組成。量子化學計算支持由催化劑組分形成的酶樣結構腔，該催化劑腔通過多種非共價相互作用結合底物。證實了對映體富集的硼烷基羧酸衍生物的多功能合成用途。。

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Asymmetric remote C-H borylation of aliphatic amides and esters with a modular iridium catalyst.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abc8320)

15.斯克利普斯研究所Hans Renata:通過混合氧化法發散合成復雜的二萜

多環二萜顯示出許多重要的生物學活性，但是由于其結構復雜性，從頭合成合成這些分子具有很高的挑戰性。由于缺乏用于支架修飾的化學工具，半合成途徑也受到限制。斯克利普斯研究所Hans Renata報道了一種化學酶學平臺，可通過策略性地結合化學和酶促氧化方法的混合氧化方法來獲得高度氧化的二萜。這種方法可以選擇性氧化親本碳環上以前無法接近的位點，并使非生物骨架重排成為其他基礎結構。作者從甜菊醇中合成了九種具有富氧化模式和骨骼多樣性的復雜天然產物，共計十步以內。

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Divergent synthesis of complex diterpenes through a hybrid oxidative approach.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abb8271)

16.西蒙菲莎大學Robert Britton:核苷酸類似物的從頭開始合成

核苷類似物通常用于治療癌癥和病毒感染。它們的合成得益于數十年的研究，但往往依賴于手性碳水化合物原料的有限儲備。西蒙菲莎大學Robert Britton提出了一種從簡單的非手性材料快速構建核苷類似物的過程。僅使用脯氨酸催化，將雜芳基取代的乙醛進行氟化，然后在單鍋反應中直接參與對映選擇性醛醇縮合反應。隨后的分子內氟化物置換反應提供了功能化的核苷類似物。D-或L-核苷類似物，鎖定的核酸，亞氨基核苷以及C2'-和C4'-修飾的核苷類似物的多譜合成法突出了該過程的多功能性。這種從頭開始的合成為多樣性的制備創造了機會，并將支持藥物發現和開發方面的工作。

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A short de novo synthesis of nucleoside analogs.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abb3231)

17.阿爾伯塔大學Rylan J. Lundgren：在二甲基甲酰胺溶液中由穩定的有機酸直接可逆脫羧

有機化學中許多經典的和新興的方法學都依靠二氧化碳（CO₂）的擠壓來生成反應性中間體，以形成鍵。涉及微觀反轉的合成反應-反應性中間體的羧化反應通常是在非常不同的條件下進行的。阿爾伯塔大學Rylan J. Lundgren報道說，化學穩定的C(sp3)羧酸鹽，如芳酸和丙二酸半酯，在二甲基甲酰胺溶液中經歷未催化的可逆脫羧作用。脫羧-羧化發生于在其他相同條件下對bronster酸的原脫羧具有抗性的底物。同位素標記的羧酸可通過簡單地提供¹³CO₂氣氛以在極性非質子傳遞溶劑中使羧酸鹽形成，從而以高化學和同位素產率制備。對溶液中羧酸鹽反應性的了解為捕獲醛，酮和a,b-不飽和酯提供了條件。

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Direct reversible decarboxylation from stable organic acids in dimethylformamide solution.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abb4129)

18.明斯特大學John J. Molloy&Ryan Gilmour:通過選擇性能量轉移催化實現硼的烯烴的幾何異構

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基于異構化的策略，能夠使由幾何定義的烯烴關鍵構形的復雜多烯立體發散地構建仍然明顯欠發達。理想化的低分子量前體中對原子效率的考慮，進一步減輕了異構化固有的熱力學約束。在這項工作中，明斯特大學John J. Molloy&Ryan Gilmour報告了一個通用的C3支架，該支架可以異構化并雙向擴展。基于高效的三重態能量轉移，β-硼基丙烯酸酯的選擇性異構化取決于硼p軌道在底物生色團中的參與。產品中的C(sp2)–B鍵旋轉90°會導致重新勵磁效率低下并賦予方向性。這種微妙的立體電子門控機制可實現清晰定義的視黃酸衍生物的立體控制合成。

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Boron-enabled geometric isomerization of alkenes via selective energy-transfer catalysis.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abb7235)

19.埃因霍芬理工大學Timothy No?l：光催化輕質烴的C(sp3)-H官能化

氣態烴的直接活化仍然是化學界的主要挑戰。由于這些化合物的固有惰性，通常需要苛刻的反應條件才能裂解C(sp3)–H鍵，除非在合成有機化學中有潛在的應用。埃因霍芬理工大學Timothy No?l報道了一種通用且溫和的策略，該方法是在室溫下使用廉價的癸二酸鹽作為光催化劑，通過氫原子轉移來激活甲烷，乙烷，丙烷和異丁烷中的C(sp3)–H鍵。相應的以碳為中心的自由基可以被多種邁克爾受體有效地捕獲，從而以良好的分離收率和高選擇性產生相應的加氫烷基化加合物（38個實例）。

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C(sp3)-H functionalizations of light hydrocarbons using decatungstate photocatalysis in flow.

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.abb4688)

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