N2 Activation and Catalytic Conversion

氮气活化与催化转化

惰性化学键（如C-H、C-O）因键能高、反应活性低，其直接转化一直是化学领域的挑战。我们课题组致力于发展惰性化学键的催化转化新方法，旨在通过避免原料预官能团化，实现高附加值产品的绿色合成。自2004年成立以来，课题组在C-H/C-O键活化领域取得系列进展：发展了酯类C-O键选择性活化策略，基于“相互活化”理念实现酚类C-O键的直接偶联；在C-H键活化方面，逐步实现了从导向邻位C-H键卤化到芳基化、从有机金属试剂到普通芳环参与的氧化偶联、从贵金属到普通金属甚至无金属催化体系的跨越，推动了偶联反应与碳碳键构建方法的革新（Acc. Chem. Res. 2010, 43, 1486-1495; Acc. Chem. Res. 2015, 48, 886-896; Acc. Chem. Res. 2019, 52, 161-169）。

Exploration of New C−O Electrophiles in Cross-Coupling Reactions

Acc. Chem. Res. 2010, 43, 1486-1495

Exploration of Earth-Abundant Transition Metals (Fe, Co, and Ni) as Catalysts in Unreactive Chemical Bond Activations

Acc. Chem. Res. 2015, 48, 886-896

Upgrading Cross-Coupling Reactions for Biaryl Syntheses

Acc. Chem. Res. 2019, 52, 161-169

自2017年起，课题组将研究范畴聚焦至更为惰性的氮气与气态烷烃（如甲烷、乙烷）的转化，致力于开辟从氮气直接合成含氮有机物、以及将天然气组分转化为高附加值衍生物的新路径，旨在实现氮资源与碳资源的直接利用。

研究方向一：氮气活化与催化转化

作为氮气活化领域的核心科学问题之一，过渡金属中心与氮气分子之间的配位活化机制研究，对于建立结构-反应性关系、理性设计高活性金属-氮气配合物具有重要的理论意义。我们团队聚焦氮气活化机制，系统探索过渡金属与氮气分子的配位模式、N≡N键断裂机制以及碳氮成键规律，致力于发展氮气向高附加值含氮有机化合物的催化转化。目前，课题组在氮气催化化学、配位化学及氮原子转移过程等方面取得了系列进展（Nat. Commun. 2021, 12, 248；Natl. Sci. Rev. 2021, 8, nwaa290；J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 14071；J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 6773）。

研究方向二：低碳烷烃小分子催化转化

以低碳烷烃作为廉价而丰富的碳源，通过选择性 C–H 活化实现官能团化，被誉为碳氢键化学中的“圣杯”。然而，烷烃分子键能高、化学惰性强、反应选择性控制困难，长期以来制约了其在精细化学品合成中的应用。针对这一挑战，我们建立了以可见光驱动的低碳烷烃官能团化体系，利用活性自由基物种活化碳氢键，为天然气的高值利用提供了新路径。该策略可进一步应用于复杂药物分子与天然产物，实现特定sp³ C–H键的氧化与氨基化，展现了在后期官能团化中的巨大潜力，为药物衍生化提供了新工具。