概述

可見(jiàn)光光催化已成為有機(jī)合成中的強(qiáng)大工具，它使用光子作為無(wú)痕、可持續(xù)的試劑。該領(lǐng)域的大多數(shù)活動(dòng)都集中在通過(guò)常見(jiàn)的光氧化還原開(kāi)發(fā)新反應(yīng)，但最近一些令人興奮的新概念和策略進(jìn)入了鮮為人知的領(lǐng)域。我們調(diào)查了能夠使用更長(zhǎng)波長(zhǎng)的方法，并表明光子的波長(zhǎng)和強(qiáng)度是重要參數(shù)，可以調(diào)節(jié)光催化劑的反應(yīng)性以控制或改變化學(xué)反應(yīng)的選擇性。此外，我們討論了最近替代強(qiáng)還原劑的努力，如元素鋰和鈉，通過(guò)光和技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步。

介紹

使用光誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)很有吸引力，因?yàn)楣庾邮菬o(wú)痕試劑，可在溫和條件下提供能量以激活底物、試劑或催化中間體。傳統(tǒng)上，光化學(xué)反應(yīng)是使用紫外光來(lái)激發(fā)底物或試劑。這些光源的高能量需要特殊的設(shè)備，而且往往會(huì)引起難以預(yù)測(cè)和控制的非選擇性反應(yīng)。隨著可以用低能光子激活的光催化劑(PC)的發(fā)展，這種情況發(fā)生了變化，為由無(wú)害且環(huán)保的試劑驅(qū)動(dòng)的可持續(xù)化學(xué)合成鋪平了道路：可見(jiàn)光（ Crisenza 和 Melchiorre，2020 年））。光催化劑可以通過(guò)各種機(jī)制情景引發(fā)轉(zhuǎn)變（圖1A）（Marzo 等人，2018 年）。特別是，可見(jiàn)光光氧化還原催化作為有機(jī)合成中的強(qiáng)大工具已得到廣泛認(rèn)可（Schultz 和 Yoon，2014 年；Shaw 等人，2016 年）。在輻照時(shí)，激發(fā)的催化劑 (PC*) 接受或提供單個(gè)電子，根據(jù)反應(yīng)混合物中存在的底物和試劑實(shí)現(xiàn)氧化或還原猝滅循環(huán)。在氧化猝滅循環(huán)中，激發(fā)態(tài)催化劑還原電子受體( A )，產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑(PC?+ )。這種氧化形式的催化劑可以接受來(lái)自合適供體 ( D ) 的電子以關(guān)閉催化循環(huán)。根據(jù)反應(yīng)條件，可能會(huì)發(fā)生相反的事件以完成還原猝滅循環(huán)。氧化還原事件還可以伴隨著協(xié)同的質(zhì)子轉(zhuǎn)移（質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移[PCET]）（ Gentry 和 Knowles，2016 年）。相反，光催化氫原子轉(zhuǎn)移 (HAT) 通過(guò) PC 均裂 C-H 鍵或在單電子轉(zhuǎn)移 (SET) 事件后進(jìn)行 ( Capaldo et al., 2020）。此外，PC 還可以將其激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)移到不能吸收給定波長(zhǎng)的光的底物或試劑上，從而引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。

圖 1.光催化合成的一般機(jī)制(A 和 B) 不同的光催化模式(A) 和雙重催化的選定示例 (B)。

光催化可以與“傳統(tǒng)”催化（雙催化）相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)僅使用一種催化劑無(wú)法實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)（圖 1B）（ Skubi 等人，2016 年）。將光催化與過(guò)渡金屬催化（金屬光催化）相結(jié)合，可在溫和條件下實(shí)現(xiàn)選擇性碳-雜原子和碳-碳交叉偶聯(lián)反應(yīng)（Twilton 等人，2017 年）。成功的關(guān)鍵是通過(guò) SET 工藝、自由基添加或光敏化調(diào)節(jié)過(guò)渡金屬配合物的氧化態(tài)。使用鎳絡(luò)合物對(duì)這一策略進(jìn)行了廣泛研究（Milligan 等人，2019 年； Twilton 等人，2017 年））并進(jìn)一步擴(kuò)展到一系列其他過(guò)渡金屬（Hopkinson 等人，2014 年；Skubi 等人，2016 年），包括豐富的第一行金屬，例如鈷（Kojima 和 Matsunaga，2020 年）、銅（Hossain 等人，2020 年）。 , 2019 ) 和鐵 ( Neumeier et al., 2020 ; Ouyang et al., 2019 )。結(jié)合光催化和有機(jī)催化涉及激發(fā) PC 和例如烯胺中間體的 SET，以實(shí)現(xiàn)具有高對(duì)映選擇性的醛的 α-官能化（Nicewicz 和 MacMillan，2008 年）。路易斯酸的催化量與某些底物形成活化的復(fù)合物，這些底物可以與 PC 相互作用以觸發(fā)例如 [2 + 2] 光環(huán)加成反應(yīng) ( Miller et al., 2017 )。

藥物化學(xué)和制藥工業(yè)中的光催化

盡管可見(jiàn)光光催化合成是有機(jī)化學(xué)中一個(gè)相對(duì)年輕的分支，但它很快成為合成化學(xué)家工具箱中不可或缺的一部分。與可見(jiàn)光光催化相關(guān)的優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致在藥物化學(xué)中的各種應(yīng)用，包括藥物發(fā)現(xiàn)、生物共軛、后期 C-H功能化和同位素標(biāo)記。

圖 2.藥物化學(xué)中感興趣的光催化反應(yīng)的代表性例子(A-D)生物共軛(A)、后期 CH功能化(B)、C sp3 -C sp2交叉偶聯(lián)反應(yīng) (C)、同位素標(biāo)記 (D)。

化學(xué)選擇性肽修飾是通過(guò)色氨酸的選擇性光催化活化來(lái)誘導(dǎo)邁克爾加成（圖）（Yu 等人，2018 年）。該方法在肽激素胰高血糖素上進(jìn)行了驗(yàn)證，產(chǎn)生了 16% 的分離產(chǎn)率的所需綴合物。低選擇性是雙共軛（色氨酸和 C 末端）的結(jié)果，但值得注意的是，未觀察到 His、Phe、Tyr、Arg、Met、Ser、Lys 和 Thr 殘基上的共軛。

使用 Ru(byp)3Cl2 選擇性地修飾酪氨酸殘基（Sato 和 Nakamura，2013）。 作者還可以證明，酪氨酸修飾可以在細(xì)胞裂解物中的特定蛋白質(zhì)上進(jìn)行。 因此，釕 PC 配備有選擇性結(jié)合靶蛋白的配體。 這使得目標(biāo)蛋白質(zhì)上的局部 SET 反應(yīng)成為可能，而裂解物中其他蛋白質(zhì)的酪氨酸氨基酸保持不變。

光催化使生物活性雜環(huán)的后期烷基化成為可能（圖 2B）。 Fasudil（一種重要的 rho 激酶抑制劑）的甲基化是通過(guò)使用過(guò)乙酸叔丁酯和銥 PC 通過(guò) PCET 機(jī)制產(chǎn)生甲基自由基來(lái)實(shí)現(xiàn)的（DiRocco 等人，2014 年）。 類似地，法舒地爾被 N-Boc 保護(hù)的嗎啉功能化。 在這種情況下，α-氨基自由基的產(chǎn)生能夠通過(guò) Minisci 型加成實(shí)現(xiàn)直接的交叉脫氫偶聯(lián)（Grainger et al., 2019）。 在這兩種情況下，都使用了高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)來(lái)確定合適的催化混合物。

金屬光催化處于光介導(dǎo)反應(yīng)的前沿，對(duì)小分子合成具有重大影響（圖 2C）。在傳統(tǒng)的鈀催化轉(zhuǎn)化中，有機(jī)金屬親核試劑與芳基（偽）鹵化物偶聯(lián)。這些方法對(duì) Csp2-Csp2 偶聯(lián)有效，但 Csp3-Csp2 偶聯(lián)具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檠趸映?(OA) 和還原消除 (RE) 速率低，以及通過(guò) β-氫化物消除產(chǎn)生的不希望的副反應(yīng)。 2014 年，兩份獨(dú)立出版物表明，通過(guò)光催化從羧酸（Zuo 等人，2014 年）或三氟硼酸鉀（Tellis 等人， ., 2014)。自由基添加到通過(guò)芳基鹵化物與 Ni(0) 催化劑的 OA 形成的 Ni(II) 絡(luò)合物中。得到的 Ni(III) 配合物容易對(duì)所需產(chǎn)物進(jìn)行 RE，并且最終的光催化 SET 事件使 Ni(0) 催化劑再生。針對(duì)其他烷基自由基前體（Milligan 等人，2019 年）和各種碳-雜原子偶聯(lián)（Zhu 等人，2020 年）開(kāi)發(fā)了一系列類似的策略，這些策略都可能對(duì)活性藥物的合成產(chǎn)生重大影響成分（API）。

了解候選藥物的代謝命運(yùn)是其開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵因素。 更好地了解生物行為的一種常用技術(shù)是用穩(wěn)定同位素標(biāo)記其分子框架。 最近通過(guò)光氧化還原介導(dǎo)的 HAT 反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了用氘和氚對(duì)藥物活性化合物進(jìn)行后期標(biāo)記（圖 2D）（Loh 等人，2017 年）。 該方法可以在一個(gè)步驟中使用同位素標(biāo)記的水（D2O 或 T2O）進(jìn)行氫-氘或氫-氚交換反應(yīng)，并應(yīng)用于多種 API。 最近，使用吖啶鎓 PC 實(shí)現(xiàn)了使用含 18F 鹽的直接芳烴 C-H 氟化（Chen 等人，2019 年）。

此外，還開(kāi)發(fā)了一系列光介導(dǎo)方法的新策略和概念，有可能在藥物化學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中開(kāi)辟新的視野。這些協(xié)議訪問(wèn)迄今未公開(kāi)的反應(yīng)，啟用控制選擇性的新方法，并克服當(dāng)前方法的局限性。在這里，我們使用選定的示例討論這些發(fā)展。我們從能夠使用長(zhǎng)波長(zhǎng)的方法開(kāi)始我們的調(diào)查，這是高效太陽(yáng)能收集的關(guān)鍵。此后，我們討論的例子表明光子不僅是觸發(fā)反應(yīng)的可持續(xù)能源，而且還可以通過(guò)改變光子能量/強(qiáng)度來(lái)控制反應(yīng)的選擇性。接下來(lái)，我們調(diào)查了生成具有超出“標(biāo)準(zhǔn)”光氧化還原循環(huán)可獲得的氧化/還原電位的催化劑物種的策略，并有可能作為需要元素鈉或鋰的反應(yīng)的可持續(xù)替代品。反應(yīng)技術(shù)對(duì)于可重現(xiàn)和高效的光催化反應(yīng)至關(guān)重要。在最后兩節(jié)中，我們討論了使用分批和連續(xù)流動(dòng)策略進(jìn)行光催化轉(zhuǎn)化的一些最新技術(shù)成果。

波長(zhǎng)很重要

大多數(shù)光催化反應(yīng)，包括前面描述的例子，都依賴于一小部分 PC，例如均相銥或釕多吡啶基配合物（Arias-Rotondo 和 McCusker，2016 年），一些有機(jī)染料（ Romero 和 Nicewicz，2016 年），以及一些具有合適的氧化還原電位或三重態(tài)能量以及長(zhǎng)壽命激發(fā)態(tài)的半導(dǎo)體材料（Gisbertz 和 Pieber，2020 ）。這些 PC 的主要缺點(diǎn)之一是它們對(duì)高能可見(jiàn)光的限制（圖 3）（ Prier 等人，2013）。使用整個(gè)可見(jiàn)光譜的光催化策略將實(shí)現(xiàn)有效的太陽(yáng)能收集，并且是用陽(yáng)光而不是人造光源進(jìn)行可持續(xù)光化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵。此外，能夠使用近紅外 (NIR) 輻射的光化學(xué)系統(tǒng)允許通過(guò)皮膚和組織等屏障激活 PC，這在生物和醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面具有很高的潛力 ( Glaser et al., 2020 )。許多染料在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)廣泛吸收，它們的氧化還原電位和激發(fā)態(tài)能量在理論上適用于光催化，但這些發(fā)色團(tuán)的 ISC 率較低，因此只能達(dá)到短暫的壽命不適合光催化的單重激發(fā)態(tài)。

圖3.選定染料和半導(dǎo)體的吸收開(kāi)始，光催化的適宜性取決于激發(fā)態(tài)壽命。

具有短激發(fā)壽命的發(fā)色團(tuán)在其他研究領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。大量有機(jī)染料被用作染料敏化太陽(yáng)能電池 (DSSC) 中的敏化劑（Hagfeldt 等人，2010 年）。在 DSSC 中，染料被吸附或結(jié)合到半導(dǎo)體材料（例如 TiO 2 ）的表面。由于由此產(chǎn)生的空間接近性，即使是激發(fā)態(tài)壽命短的染料也能有效地將電子注入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶。這導(dǎo)致電荷分離的物質(zhì)持續(xù)數(shù)微秒（Hagfeldt 和 Graetzel，1995）。與具有長(zhǎng)壽命激發(fā)態(tài)的分子 PC 相比，迄今為止只有少數(shù)報(bào)道將染料敏化半導(dǎo)體用作有機(jī)合成 PC（Franchi 和 Amara，2020 年）。

一個(gè)有趣的例子是用 6,7-二羥基-2-甲基異喹啉 (DHMIQ)對(duì) TiO 2納米粒子(NPs) 進(jìn)行功能化，從而產(chǎn)生可催化叔胺的 α-氰化的可見(jiàn)光PC （圖 4A）（Nauth 等人，2018 年）。DHMIQ 是發(fā)色團(tuán)和與半導(dǎo)體表面結(jié)合的兒茶酚部分的組合。氧化還原活性配體與球形 TiO 2 NP 結(jié)合，該球形 TiO 2 NP 是通過(guò)合成后的配體交換通過(guò)水熱合成丁醇鈦 (IV) 與油酸制備的。所得二氧化鈦 -DHMIQ 混合吸收整個(gè)可見(jiàn)光譜和近紅外區(qū)域。顯示了在乙腈中使用氰化三甲基甲硅烷對(duì)幾種叔胺的需氧氰化的催化活性。對(duì)所有反應(yīng)條件的詳細(xì)研究表明，痕量的水會(huì)顯著降低產(chǎn)率，這可能是因?yàn)樵?NPs 周?chē)纬闪怂蠚?，從而抑制了生產(chǎn)性催化。作者表明，該催化劑可與藍(lán)色 (462 nm)、綠色 (520 nm)、黃色 (592 nm)、紅色 (635 nm) 和 NIR (730 nm) 輻照一起用于標(biāo)題化學(xué)反應(yīng)。

圖 4.獲得用于光催化合成的高波長(zhǎng)的策略(A-D)具有非無(wú)辜配體的功能化 TiO 2 (A)。染料敏化金屬光催化劑 (B)。三重融合上轉(zhuǎn)換 (C)。鋨配合物的自旋禁止激發(fā)(D)。

光子的能量和強(qiáng)度

光不僅僅是一種無(wú)痕、可持續(xù)的試劑。光子的能量和強(qiáng)度是被忽視的參數(shù)，可用于調(diào)節(jié)光催化活性并影響 PC 的選擇性甚至反應(yīng)性（圖 5）（Protti 等人，2019 年）。水溶性銥絡(luò)合物 fac-tris[2-(5'-sulfonatophenyl)pyridine]iridate (III) pentahydrate (Irsppy) 根據(jù)藍(lán)光照射的強(qiáng)度表現(xiàn)出完全不同的反應(yīng)性（圖 5A）（Kerzig 和 Wenger，2019 ）。低光強(qiáng)度（單光子激發(fā)）產(chǎn)生具有 2.65 eV 的三重態(tài)能量和適合各種光氧化還原反應(yīng)的氧化還原電位的 3Irsppy。在高光強(qiáng)（雙光子激發(fā)）下，可以在水溶液中產(chǎn)生強(qiáng)烈還原的水合電子（標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)為 -2.9 V 與 NHE）。通過(guò)使用 447 nm 連續(xù)波激光器，這可用于實(shí)現(xiàn)多種轉(zhuǎn)化的不同選擇性和反應(yīng)性。在低光子強(qiáng)度照射下，3Irsppy 通過(guò)能量轉(zhuǎn)移機(jī)制誘導(dǎo) 3-氟肉桂酸的 E-Z 異構(gòu)化。當(dāng)在光源和反應(yīng)混合物之間放置一個(gè)透鏡以集中光強(qiáng)度時(shí)，觀察到烯烴的氫化，這是通過(guò)水合電子的單電子還原引發(fā)的。類似地，該方法允許獲得 4-(氯甲基)苯甲酸的氫原子提取 (低強(qiáng)度) 或二聚產(chǎn)物 (高強(qiáng)度)。

圖 5.通過(guò)控制光子的能量和強(qiáng)度來(lái)獲得不同的光催化活性(A-D)通過(guò)光強(qiáng)度 (A)控制銥光催化劑的反應(yīng)性。 通過(guò)改變波長(zhǎng)（B）來(lái)克服使用氮化碳光催化的金屬光催化的局限性。與氮化碳光催化劑 (C) 的色選擇性光化學(xué)酶促級(jí)聯(lián)反應(yīng)。羅丹明 6G (D)的色選擇性光催化。

PC 在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的廣泛吸收提高了太陽(yáng)能收集，減少了使用人造光源的能量輸入，并且有利于光介導(dǎo)反應(yīng)的可擴(kuò)展性。此外，光子的能量可用于控制光化學(xué)過(guò)程的活性，從而調(diào)整光催化反應(yīng)的選擇性。這用于克服環(huán)狀仲胺與缺電子芳基鹵化物的金屬光催化 C-N 交叉偶聯(lián)中的底物范圍限制和重現(xiàn)性問(wèn)題（圖 5 B）（Gisbertz 等人，2020 年）。這種限制是催化劑失活的結(jié)果通過(guò)形成鎳黑，這歸因于在富電子芳基鹵化物的情況下，由于相對(duì)緩慢的OA導(dǎo)致低價(jià)鎳物質(zhì)的積累。為了避免這個(gè)問(wèn)題，OA 的相對(duì)比率必須等于或高于RE的比率。通過(guò)使用在較長(zhǎng)波長(zhǎng)處吸收較弱的非均相 PC (CN-OA-m)，使用綠光顯著降低了 RE 的速率，這足以避免在某些情況下催化劑失活。當(dāng)使用高底物濃度增加 OA 率時(shí)，可以使用藍(lán)光照射。然而，這些措施在伯胺的情況下并不成功. 對(duì)于此類基材，添加劑 MTBD (7-methyl-1,5,7-triazabicyclo(4.4.0)dec-5-ene) 用于穩(wěn)定低價(jià)鎳中間體，從而減慢鎳黑的形成速度。類似地，在較長(zhǎng)波長(zhǎng)下減速光催化反應(yīng)是實(shí)現(xiàn)高選擇性的關(guān)鍵，以通過(guò)光激發(fā)的 2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌 (DDQ)實(shí)現(xiàn)光介導(dǎo)的芐基醚脫保護(hù) ( Cavedon 等人。 , 2021 年)。

最近，研究表明 CN-OA-m 的氧化電位因輻照波長(zhǎng)而異（圖 5 C）（Schmermund 等人，2021 年）。用藍(lán)光照射會(huì)導(dǎo)致 π-π* 躍遷，從而使乙苯氧化成苯乙酮，而當(dāng)使用綠光誘導(dǎo) n-π* 躍遷時(shí)沒(méi)有觀察到反應(yīng)。這種現(xiàn)象用于產(chǎn)生手性芐醇的(S) - 或(R) - 對(duì)映異構(gòu)體的光化學(xué)酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)。由 CN-OA-m 組成的混合物的綠光照射，CN-OA-m 是一種來(lái)自楊樹(shù)菇和乙苯在水性緩沖液中允許選擇性形成 H2O2乙苯對(duì)映選擇性生物催化羥基化為(R)-1-苯基乙醇（99% 對(duì)映體過(guò)量 [ee]）。藍(lán)光用于將乙苯光催化氧化為苯乙酮，而苯乙酮又被紅球菌的對(duì)映選擇性醇脫氫酶還原以產(chǎn)生(S)-1-苯基乙醇 (93% ee)。

改變照射波長(zhǎng)還可以在使用羅丹明 6G (Rh-6G) 作為 PC的情況下選擇性控制 1,3,5-三溴苯和N-甲基吡咯的 1 倍或 2 倍取代（圖 5 D）（Ghosh 和 K?nig，2016 年） ）。在N,N-二異丙基乙胺 (DIPEA) 存在下，自由基陰離子Rh-6G .-在用綠光（530 nm）照射后形成。該物質(zhì)相對(duì)于 SCE 具有 -1.0 V 的還原電位，這足以激活具有相對(duì)較低還原電位的芳基溴化物，從而導(dǎo)致選擇性單取代。當(dāng)藍(lán)光（455 nm）用作輻照源時(shí)，得到二取代產(chǎn)物。這是可能的，因?yàn)樵诙滩ㄩL(zhǎng)下，Rh-6G?- 再次被激發(fā)，形成 Rh-6G?-?（還原電位 ca. -2.4 V vs SCE），它可以激活具有相當(dāng)高還原電位的芳基溴化物。

用光代替元素堿金屬還原劑

上述產(chǎn)生具有不同氧化還原電位的 Rh-6G ?-或 Rh-6G ?-*的波長(zhǎng)相關(guān)方法不限于這種特定的呫噸染料。類似的方法可用于從其他有機(jī) PC 中生成高度還原性物質(zhì)（圖 6）（Schmalzbauer 等人，2021 年）。這些策略的共同機(jī)制特征是，用犧牲電子供體(SED) 淬滅 PC* 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的中間體，該中間體能夠吸收另一個(gè)光子（連續(xù)光致電子轉(zhuǎn)移）[ConPET]）。這導(dǎo)致激發(fā)態(tài)的特征在于非常強(qiáng)的單電子還原電位，其可以類似于元素鋰（-3.28 V vs SCE）和鈉（-2.95 V vs SCE）。

圖 6。通過(guò)連續(xù)光致電子轉(zhuǎn)移(ConPET)獲得強(qiáng)光還原劑(A-C)使用苝二亞胺PC (A ) 還原芳基鹵化物。使用 BPI (B) 的光催化 Birch 型還原。使用異丙叉基吖啶鹽 (C) 進(jìn)行脫鹵。

第一個(gè)報(bào)道的例子使用苝二酰亞胺N,N -bis(2,6-diisopropylphenyl(perylene-3,4,9,10-bis(dicarboximide))) (PDI) 作為PC（圖 6A）（Ghosh 等人., 2014 年）。苝二酰亞胺是在可見(jiàn)光光譜中廣泛吸收的熒光染料，可用作顏料、著色劑、電子材料和感光體，僅在光催化方面有少數(shù)應(yīng)用?？梢?jiàn)光激發(fā)產(chǎn)生 PDI*，它被 SED 淬滅，產(chǎn)生適度降低的 PDI ?-（-0.43 V 與 SCE）。吸收第二個(gè)光子產(chǎn)生 PDI ?-?以中等至極好的收率減少幾種芳基碘化物、溴化物和氯化物。在自由基捕獲劑（如取代的吡咯）存在下，得到相應(yīng)的 C-C 偶聯(lián)產(chǎn)物。

最近，苯并[ ghi ]苝單酰亞胺 (BPI) 也被證明能夠進(jìn)行 ConPET，形成激發(fā)的自由基陰離子BPI ?-*（圖 6 B）（Cole 等人，2020 年）。根據(jù)密度泛函理論計(jì)算，該物質(zhì)是一種極強(qiáng)的還原劑（-2.43 至 -4.28 V）。事實(shí)上，作者能夠證明 BPI 能夠 在 NMe 4 OH和 405 nm 照射下通過(guò)Birch 型機(jī)構(gòu)。機(jī)理研究表明 BPI ?-?釋放一個(gè)溶劑化電子它負(fù)責(zé)底物還原，而不是激發(fā)自由基陰離子和底物之間的直接 SET。通過(guò)調(diào)整反應(yīng)條件，BPI ConPET 催化也被證明能夠?qū)崿F(xiàn)還原脫氧、選擇性烯烴還原、還原環(huán)丙烷開(kāi)環(huán)和后期脫鹵。

Mesityl acridinium 鹽 (Mes-Acr + ) 是最有效的氧化反應(yīng)PC 之一( Romero and Nicewicz, 2016 )。Nicewicz 及其同事意識(shí)到，在?Mes-Acr +與 Hünig 堿基淬滅后形成的中性吖啶自由基 (Mes-Acr ? )在無(wú)氧條件下相對(duì)穩(wěn)定 ( MacKenzie et al., 2020）。對(duì)這種持久自由基的光物理性質(zhì)的研究表明，吸收第二個(gè)光子（>350 nm）會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)新的激發(fā)態(tài)，一個(gè)低能量雙峰和一個(gè)扭曲的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移態(tài)，具有很強(qiáng)的還原電位（-2.91 和-3.36 V 與 SCE，分別）。基于這一發(fā)現(xiàn)，作者開(kāi)發(fā)了用于芳基溴化物和氯化物的光介導(dǎo)還原脫鹵以及由 Mes-Acr-BF 4催化的甲苯磺酰胺的還原脫甲苯基的方案（圖6C ）。值得注意的是，使用銥配合物作為 PC 也可以實(shí)現(xiàn) ConPET 途徑（Giedyk 等人，2020 年）。

多環(huán)芳烴 (PAH)，如芘和苯并苯，在紫外光照射和單個(gè)電子供體對(duì)激發(fā)態(tài)的猝滅后，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的還原自由基陰離子。K?nig 及其同事假設(shè)，這些激發(fā)態(tài)也可以使用可見(jiàn)光通過(guò)從 PC 到 PAH 的能量轉(zhuǎn)移（圖 7）（ Ghosh 等人，2017 年）。成功的關(guān)鍵是選擇 PAH/具有相似三重態(tài)能量的 PC 對(duì)，表現(xiàn)出從 PC 到 PAH 的快速 EnT，以及 PAH? 和 SED 之間的快速 SET，以產(chǎn)生強(qiáng)還原性 PAH 自由基陰離子。作者確定了 Ru(bpy) 3 Cl 2的組合、芘和 DIPEA 作為 SED 滿足這些要求。芘自由基陰離子的產(chǎn)生使芳基（雜）芳基溴化物、氯化物或三氟甲磺酸酯的 C-H芳基化以及光介導(dǎo)的 C-P 偶聯(lián)成為可能。

圖 7.光致電子轉(zhuǎn)移(PET) 與敏化引發(fā)電子轉(zhuǎn)移 (SenI-ET )

更好、更快、可擴(kuò)展：技術(shù)方面和發(fā)展

可見(jiàn)光光催化在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的影響不容小覷，新概念、催化劑和策略的不斷進(jìn)步和發(fā)展可能會(huì)增加此類反應(yīng)對(duì)未來(lái)工業(yè)過(guò)程的影響。然而，光催化面臨一些需要工業(yè)和大學(xué)環(huán)境從業(yè)者關(guān)注的問(wèn)題。

首先，報(bào)告的光催化協(xié)議可能難以復(fù)制，這使得其他實(shí)驗(yàn)室難以適應(yīng)開(kāi)發(fā)的方法。“常規(guī)”反應(yīng)需要加熱或冷卻，這在大多數(shù)情況下很容易在其他研究實(shí)驗(yàn)室中復(fù)制。光催化轉(zhuǎn)化的再現(xiàn)性很大程度上取決于實(shí)驗(yàn)裝置。光介導(dǎo)反應(yīng)通常使用發(fā)光二極管 (LED) 燈進(jìn)行，這些燈通常具有不同的規(guī)格，包括發(fā)射光譜和光子輸出，這可能對(duì)光化學(xué)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生巨大影響。使用專用商業(yè)設(shè)備對(duì)光化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化可能是一個(gè)理想的解決方案（Le et al., 2017)，但由于自制裝置價(jià)格低廉，不太可能發(fā)生。葛蘭素史克 ( GSK )、輝瑞 (Pfizer)、默克 (Merck) 和艾伯維 (AbbVie ) 的研究人員發(fā)表了出色的評(píng)論，討論了與光化學(xué)裝置相關(guān)的問(wèn)題，并呼吁在報(bào)告實(shí)驗(yàn)程序時(shí)對(duì)光源和反應(yīng)器布置進(jìn)行更準(zhǔn)確的描述（Bonfield 等人，2020 年）。

其次，光催化轉(zhuǎn)化依賴于反應(yīng)混合物的有效輻照。溶劑、起始材料、產(chǎn)品、光敏劑和 PC 在入射光點(diǎn)都可以充當(dāng)過(guò)濾器，降低反應(yīng)混合物其余部分的可用光強(qiáng)度。這種光子傳輸?shù)乃p效應(yīng)（比爾-朗伯定律）在更大規(guī)模上變得特別成問(wèn)題。Beer-Lambert 定律說(shuō)明了分子的吸收 (A) 和摩爾消光系數(shù)(ε)、它們的濃度 (c) 和光的光程長(zhǎng)度(l) 之間的相關(guān)性（方程式 1） .

其次，光催化轉(zhuǎn)化依賴于反應(yīng)混合物的有效輻照。溶劑、起始材料、產(chǎn)品、光敏劑和 PC 在入射光點(diǎn)都可以充當(dāng)過(guò)濾器，降低反應(yīng)混合物其余部分的可用光強(qiáng)度。這種光子傳輸?shù)乃p效應(yīng)（比爾-朗伯定律）在更大規(guī)模上變得特別成問(wèn)題。Beer-Lambert 定律說(shuō)明了分子的吸收 (A) 和摩爾消光系數(shù)(ε)、它們的濃度 (c) 和光的光程長(zhǎng)度(l) 之間的相關(guān)性。

這種權(quán)衡具有嚴(yán)重的影響，特別是對(duì)于批量縮放光反應(yīng)。連續(xù)流動(dòng)（微）反應(yīng)器是克服這一瓶頸的首選技術(shù)（Plutschack 等人，2017 年）（Cambié 等人，2016 年）。流動(dòng)反應(yīng)器的狹窄通道尺寸提供了確保整個(gè)反應(yīng)混合物均勻照射的機(jī)會(huì)。因此，與間歇反應(yīng)器相比，光化學(xué)反應(yīng)可以顯著加速并擴(kuò)大規(guī)模。流動(dòng)化學(xué)也是涉及多個(gè)階段的轉(zhuǎn)換的首選技術(shù)。高表面積與體積比是小反應(yīng)器尺寸的結(jié)果，導(dǎo)致兩相（甚至三相）之間的有效傳質(zhì)。在氣態(tài)試劑的情況下，流動(dòng)反應(yīng)器進(jìn)一步提供了使用質(zhì)量流量控制器控制氣體化學(xué)計(jì)量的機(jī)會(huì)，并且易于加壓，這增加了氣體在反應(yīng)混合物中的溶解度。

所有這些優(yōu)勢(shì)最近都結(jié)合在光催化氣/液過(guò)程中，該過(guò)程能夠通過(guò)HAT對(duì)輕烴進(jìn)行直接功能化（圖 9 A）（ Laudadio 等人，2020 年）。將 HAT 催化劑四丁基十鎢酸銨 (TBADT) 和烯烴原料在合適溶劑中的溶液與氣態(tài)甲烷、乙烷、丙烷或異丁烯混合，并在10-45 bar的背壓下送入 365 nm 流動(dòng)光反應(yīng)器。在照射后，激發(fā)的PC從相應(yīng)的烷烴中提取一個(gè)氫原子。所結(jié)果的以 C 為中心的親核自由基在烯烴上進(jìn)行共軛加成。隨后的氫回饋產(chǎn)生所需的產(chǎn)物并恢復(fù) TBADT。這種轉(zhuǎn)變?cè)陂g歇反應(yīng)器中很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橛行У妮椪蘸透邏簩?duì)于產(chǎn)品的形成至關(guān)重要。

圖 9。流動(dòng)光催化(A 和 B)在流動(dòng) (A) 中使用光催化對(duì)輕烴進(jìn)行C(sp 3 )-H官能化。 利用陽(yáng)光進(jìn)行節(jié)能流動(dòng)化學(xué)的發(fā)光太陽(yáng)能聚光器(B)。

與使用氣體原料化學(xué)品（如甲烷）類似，使用陽(yáng)光作為能源可以極大地受益于連續(xù)流動(dòng)化學(xué)。一種有效利用陽(yáng)光的方法將連續(xù)流技術(shù)與發(fā)光太陽(yáng)能聚光器（LSC， 圖 9 B）相結(jié)合（ Cambié 等人，2017 年）。LSC 是通過(guò)將發(fā)光體分散在波導(dǎo)中制成的，例如聚合物材料或玻璃。光穿透波導(dǎo)表面并被發(fā)光體吸收。重新發(fā)射的光子通過(guò)全內(nèi)反射被引導(dǎo)和集中到設(shè)備的邊緣。將該原理應(yīng)用于連續(xù)流合成使用由摻雜有熒光染料Lumogen F red 305的 PDMS 制成的基于芯片的反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)。這種染料吸收 ~400-600 nm 的可見(jiàn)光并重新發(fā)射 ~600-700 nm 的光。發(fā)射的光與常見(jiàn)的三重態(tài)光敏劑亞甲藍(lán)的吸收光譜完全重疊。作者在陰天使用陽(yáng)光研究了 9,10-二苯蒽的單線態(tài)氧環(huán)加成反應(yīng)，結(jié)果表明該反應(yīng)器比未摻雜的反應(yīng)器效率更高。

然而，流動(dòng)化學(xué)并不是（光）化學(xué)合成中所有問(wèn)題的最終解決方案，并且仍然存在一些局限性。流動(dòng)化學(xué)的最大瓶頸之一是固體材料的處理，例如異質(zhì) PC，它比均質(zhì) PC 具有優(yōu)勢(shì)（Gisbertz 和 Pieber，2020 年）。在過(guò)濾器單元之間嵌入多相催化劑的填充床反應(yīng)器不適用于不透明的 PC，因?yàn)楣庾訉H在外部區(qū)域被吸收，而內(nèi)部顆粒被屏蔽。通過(guò)將懸浮液泵入盤(pán)管反應(yīng)器可以確保有效的輻照，但固體催化劑會(huì)沉淀，導(dǎo)致分布不均、結(jié)果無(wú)法重現(xiàn)或堵塞。

這個(gè)問(wèn)題最近在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上通過(guò)生成串行微批量反應(yīng)器（SMBR，圖 10 A）的系統(tǒng)得到解決（Pieber等人，2018 年）。SMBR 是一系列小型固液隔室，其中包含用于化學(xué)轉(zhuǎn)化的所有成分，并由盤(pán)管反應(yīng)器管內(nèi)的惰性氣體隔板隔開(kāi)。這是通過(guò)將非均相氮化碳PC 加入到穩(wěn)定的氣液分段流中來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所得三相混合物可以方便地泵送通過(guò)浸沒(méi)在恒溫器中的輻照盤(pán)管反應(yīng)器浴進(jìn)行光催化反應(yīng)。自然的泰勒流混合了團(tuán)塊以不斷地重新懸浮材料，從而確保有效的輻照和可重復(fù)的加工。在該系統(tǒng)中，反應(yīng)時(shí)間可以通過(guò)改變氣體和/或液體流速或反應(yīng)器體積來(lái)調(diào)整，而催化劑化學(xué)計(jì)量可以通過(guò)改變懸浮液投料速率來(lái)改變。使用 Selectfluor 和由氰尿酸、三聚氰胺和巴比妥酸(CMB-CN)制成的氮化碳 PC，使用苯氧乙酸和苯乙酸衍生物的光催化脫羧氟化反應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估和優(yōu)化。

圖 10.流動(dòng)中的多相光催化劑（A 和 B）使用串行微批量反應(yīng)器（A）在流動(dòng)中對(duì)苯氧乙酸進(jìn)行脫羧氟化。

無(wú)光子光催化

許多均質(zhì) PC 的“獨(dú)特”特征是它們能夠在通過(guò)氧化或還原猝滅循環(huán)激發(fā)時(shí)觸發(fā)氧化還原事件（圖 1）。異質(zhì)半導(dǎo)體，例如 TiO 2或氮化碳，基本上是通過(guò)類似的機(jī)制運(yùn)行的。當(dāng)半導(dǎo)體吸收具有足夠高能量的光子時(shí)，電子從價(jià)帶(VB) 被激發(fā)到CB ，在單個(gè)粒子上同時(shí)產(chǎn)生氧化和還原物質(zhì)。產(chǎn)生的電子空穴可以氧化電子供體，而VB中的電子可以通過(guò)SET還原電子受體。

圖 11.無(wú)光子光催化.光氧化還原催化 (A) 和機(jī)械氧化還原催化 (B) 的比較。

Ito 及其同事表明，電子空穴對(duì)也可以通過(guò)球磨產(chǎn)生“激發(fā)態(tài)”鈦酸鋇以機(jī)械化學(xué)方式產(chǎn)生（圖 12B）（Kubota 等人，2019 年）。攪拌后，壓電材料會(huì)暫時(shí)高度極化并產(chǎn)生適合于氧化還原活性芳基重氮鹽活化的電化學(xué)電勢(shì)，此前曾報(bào)道過(guò)使用例如 TiO2 光催化（Zoller 等人，2015 年）。作者可以證明，對(duì)芳基重氮鹽、BaTiO3 和雜環(huán)化合物（如呋喃、噻吩或受保護(hù)的吡咯）的混合物進(jìn)行球磨會(huì)產(chǎn)生 C-C 偶聯(lián)產(chǎn)物。此外，通過(guò)相同的方法實(shí)現(xiàn)了芳基重氮鹽與雙（頻哪醇）二硼的硼化。該方法在克級(jí)合成過(guò)程中被證明是可擴(kuò)展的。回收實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，在催化活性降低之前，BaTiO3 可以重復(fù)使用 3 次。這種方法是一種有趣的替代光催化的方法，可以在沒(méi)有溶劑和光的情況下進(jìn)行，它克服了與光化學(xué)相關(guān)的一些問(wèn)題。據(jù)報(bào)道，該方法非常穩(wěn)健，因?yàn)樯踔镣ㄟ^(guò)“將所有成分包裹在稱重紙中并用錘子敲擊”而不是專用的球磨設(shè)備來(lái)引發(fā)反應(yīng)。

總之，可以毫無(wú)疑問(wèn)地說(shuō)，光催化已經(jīng)顯著擴(kuò)展了有機(jī)化學(xué)家的工具箱，并為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的合成提供了可持續(xù)的機(jī)會(huì)。使用可見(jiàn)光可以實(shí)現(xiàn)的迄今為止未公開(kāi)的反應(yīng)數(shù)量穩(wěn)步增加，例如替換元素堿金屬還原劑 ，肯定會(huì)對(duì)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界產(chǎn)生重大影響。由于對(duì)反應(yīng)條件的更好控制，人造光源將成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界大多數(shù)光催化反應(yīng)的首選能源。此外，最近的幾個(gè)例子表明，光子強(qiáng)度和能量可以用作可調(diào)節(jié)的反應(yīng)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)選擇性和反應(yīng)性控制。雖然這在過(guò)去經(jīng)常被忽視，但我們相信未來(lái)會(huì)看到更多展示“chromoselective photocatalysis”的例子。光化學(xué)極大地受益于技術(shù)發(fā)展，包括激光技術(shù)和流動(dòng)化學(xué)，化學(xué)家和化學(xué)工程師之間的跨學(xué)科研究計(jì)劃對(duì)于在工業(yè)環(huán)境中實(shí)施光催化轉(zhuǎn)化至關(guān)重要。

原文鏈接：

Emerging concepts in photocatalytic organic synthesis

https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.102209