概述

可見光光催化已成為有機合成中的強大工具，它使用光子作為無痕、可持續(xù)的試劑。該領(lǐng)域的大多數(shù)活動都集中在通過常見的光氧化還原開發(fā)新反應(yīng)，但最近一些令人興奮的新概念和策略進入了鮮為人知的領(lǐng)域。我們調(diào)查了能夠使用更長波長的方法，并表明光子的波長和強度是重要參數(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還原劑的努力，如元素鋰和鈉，通過光和技術(shù)領(lǐng)域的進步。

介紹

使用光誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)很有吸引力，因為光子是無痕試劑，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，而且往往會引起難以預(yù)測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，為由無害且環(huán)保的試劑驅(qū)動的可持續(xù)化學(xué)合成鋪平了道路：可見光（ Crisenza 和 Melchiorre，2020 年））。光催化劑可以通過各種機制情景引發(fā)轉(zhuǎn)變（圖1A）（Marzo 等人，2018 年）。特別是，可見光光氧化還原催化作為有機合成中的強大工具已得到廣泛認可（Schultz 和 Yoon，2014 年；Shaw 等人，2016 年）。在輻照時，激發(fā)的催化劑 (PC*) 接受或提供單個電子，根據(jù)反應(yīng)混合物中存在的底物和試劑實現(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)生強氧化劑(PC?+ )。這種氧化形式的催化劑可以接受來自合適供體 ( 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 PC 均裂 C-H 鍵或在單電子轉(zhuǎn)移 (SET) 事件后進行 ( 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，以實現(xiàn)僅使用一種催化劑無法實現(xiàn)的反應(yīng)（圖 1B）（ Skubi 等人，2016 年）。將光催化與過渡金屬催化（金屬光催化）相結(jié)合，可在溫和條件下實現(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 SET 工藝、自由基添加或光敏化調(diào)節(jié)過渡金屬配合物的氧化態(tài)。使用鎳絡(luò)合物對這一策略進行了廣泛研究（Milligan 等人，2019 年； Twilton 等人，2017 年））并進一步擴展到一系列其他過渡金屬（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)合光催化和有機催化涉及激發(fā) PC 和例如烯胺中間體的 SET，以實現(xiàn)具有高對映選擇性的醛的 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

盡管可見光光催化合成是有機化學(xué)中一個相對年輕的分支，但它很快成為合成化學(xué)家工具箱中不可或缺的一部分。與可見光光催化相關(guān)的優(yōu)勢導(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)、同位素標記 (D)。

化學(xué)選擇性肽修飾是通過色氨酸的選擇性光催化活化來誘導(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行了驗證，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胞裂解物中的特定蛋白質(zhì)上進行。 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）的甲基化是通過使用過乙酸叔丁酯和銥 PC 通過 PCET 機制產(chǎn)生甲基自由基來實現(xiàn)的（DiRocco 等人，2014 年）。 類似地，法舒地爾被 N-Boc 保護的嗎啉功能化。 在這種情況下，α-氨基自由基的產(chǎn)生能夠通過 Minisci 型加成實現(xiàn)直接的交叉脫氫偶聯(lián)（Grainger et al., 2019）。 在這兩種情況下，都使用了高通量實驗技術(shù)來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，有機金屬親核試劑與芳基（偽）鹵化物偶聯(lián)。這些方法對 Csp2-Csp2 偶聯(lián)有效，但 Csp3-Csp2 偶聯(lián)具有挑戰(zhàn)性，因為氧化加成 (OA) 和還原消除 (RE) 速率低，以及通過 β-氫化物消除產(chǎn)生的不希望的副反應(yīng)。 2014 年，兩份獨立出版物表明，通過光催化從羧酸（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) 配合物容易對所需產(chǎn)物進行 RE，并且最終的光催化 SET 事件使 Ni(0) 催化劑再生。針對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）開發(fā)了一系列類似的策略，這些策略都可能對活性藥物的合成產(chǎn)生重大影響成分（API）。

了解候選藥物的代謝命運是其開發(fā)過程中的關(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)定同位素標記其分子框架。 最近通過光氧化還原介導(dǎo)的 HAT 反應(yīng)實現(xiàn)了用氘和氚對藥物活性化合物進行后期標記（圖 2D）（Loh 等人，2017 年）。 該方法可以在一個步驟中使用同位素標記的水（D2O 或 T2O）進行氫-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)用中開辟新的視野。這些協(xié)議訪問迄今未公開的反應(yīng)，啟用控制選擇性的新方法，并克服當前方法的局限性。在這里，我們使用選定的示例討論這些發(fā)展。我們從能夠使用長波長的方法開始我們的調(diào)查，這是高效太陽能收集的關(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，而且還可以通過改變光子能量/強度來控制反應(yīng)的選擇性。接下來，我們調(diào)查了生成具有超出“標準”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)流動策略進行光催化轉(zhuǎn)化的一些最新技術(shù)成果。

波長很重要

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 的主要缺點之一是它們對高能可見光的限制（圖 3）（ Prier 等人，2013）。使用整個可見光譜的光催化策略將實現(xiàn)有效的太陽能收集，并且是用陽光而不是人造光源進行可持續(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)色團的 ISC 率較低，因此只能達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)色團在其他研究領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。大量有機染料被用作染料敏化太陽能電池 (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）。與具有長壽命激發(fā)態(tài)的分子 PC 相比，迄今為止只有少數(shù)報道將染料敏化半導(dǎo)體用作有機合成 PC（Franchi 和 Amara，2020 年）。

一個有趣的例子是用 6,7-二羥基-2-甲基異喹啉 (DHMIQ)對 TiO 2納米粒子(NPs) 進行功能化，從而產(chǎn)生可催化叔胺的 α-氰化的可見光PC （圖 4A）（Nauth 等人，2018 年）。DHMIQ 是發(fā)色團和與半導(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 是通過合成后的配體交換通過水熱合成丁醇鈦 (IV) 與油酸制備的。所得二氧化鈦 -DHMIQ 混合吸收整個可見光譜和近紅外區(qū)域。顯示了在乙腈中使用氰化三甲基甲硅烷對幾種叔胺的需氧氰化的催化活性。對所有反應(yīng)條件的詳細研究表明，痕量的水會顯著降低產(chǎn)率，這可能是因為在 NPs 周圍形成了水合殼，從而抑制了生產(chǎn)性催化。作者表明，該催化劑可與藍色 (462 nm)、綠色 (520 nm)、黃色 (592 nm)、紅色 (635 nm) 和 NIR (730 nm) 輻照一起用于標題化學(xué)反應(yīng)。

圖 4.獲得用于光催化合成的高波長的策略(A-D)具有非無辜配體的功能化 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)。

光子的能量和強度

光不僅僅是一種無痕、可持續(xù)的試劑。光子的能量和強度是被忽視的參數(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)藍光照射的強度表現(xiàn)出完全不同的反應(yīng)性（圖 5A）（Kerzig 和 Wenger，2019 ）。低光強度（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（雙光子激發(fā)）下，可以在水溶液中產(chǎn)生強烈還原的水合電子（標準電勢為 -2.9 V 與 NHE）。通過使用 447 nm 連續(xù)波激光器，這可用于實現(xiàn)多種轉(zhuǎn)化的不同選擇性和反應(yīng)性。在低光子強度照射下，3Irsppy 通過能量轉(zhuǎn)移機制誘導(dǎo) 3-氟肉桂酸的 E-Z 異構(gòu)化。當在光源和反應(yīng)混合物之間放置一個透鏡以集中光強度時，觀察到烯烴的氫化，這是通過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 (低強度) 或二聚產(chǎn)物 (高強度)。

圖 5.通過控制光子的能量和強度來獲得不同的光催化活性(A-D)通過光強度 (A)控制銥光催化劑的反應(yīng)性。 通過改變波長（B）來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)酶促級聯(lián)反應(yīng)。羅丹明 6G (D)的色選擇性光催化。

PC 在可見光譜范圍內(nèi)的廣泛吸收提高了太陽能收集，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)的可擴展性。此外，光子的能量可用于控制光化學(xué)過程的活性，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，由于相對緩慢的OA導(dǎo)致低價鎳物質(zhì)的積累。為了避免這個問題，OA 的相對比率必須等于或高于RE的比率。通過使用在較長波長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。當使用高底物濃度增加 OA 率時，可以使用藍光照射。然而，這些措施在伯胺的情況下并不成功. 對于此類基材，添加劑 MTBD (7-methyl-1,5,7-triazabicyclo(4.4.0)dec-5-ene) 用于穩(wěn)定低價鎳中間體，從而減慢鎳黑的形成速度。類似地，在較長波長下減速光催化反應(yīng)是實現(xiàn)高選擇性的關(guān)鍵，以通過光激發(fā)的 2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌 (DDQ)實現(xiàn)光介導(dǎo)的芐基醚脫保護 ( Cavedon 等人。 , 2021 年)。

最近，研究表明 CN-OA-m 的氧化電位因輻照波長而異（圖 5 C）（Schmermund 等人，2021 年）。用藍光照射會導(dǎo)致 π-π* 躍遷，從而使乙苯氧化成苯乙酮，而當使用綠光誘導(dǎo) n-π* 躍遷時沒有觀察到反應(yīng)。這種現(xiàn)象用于產(chǎn)生手性芐醇的(S) - 或(R) - 對映異構(gòu)體的光化學(xué)酶級聯(lián)反應(yīng)。由 CN-OA-m 組成的混合物的綠光照射，CN-OA-m 是一種來自楊樹菇和乙苯在水性緩沖液中允許選擇性形成 H2O2乙苯對映選擇性生物催化羥基化為(R)-1-苯基乙醇（99% 對映體過量 [ee]）。藍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)相對于 SCE 具有 -1.0 V 的還原電位，這足以激活具有相對較低還原電位的芳基溴化物，從而導(dǎo)致選擇性單取代。當藍光（455 nm）用作輻照源時，得到二取代產(chǎn)物。這是可能的，因為在短波長下，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 PC 中生成高度還原性物質(zhì)（圖 6）（Schmalzbauer 等人，2021 年）。這些策略的共同機制特征是，用犧牲電子供體(SED) 淬滅 PC* 會產(chǎn)生一個相對穩(wěn)定的中間體，該中間體能夠吸收另一個光子（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。通過連續(xù)光致電子轉(zhuǎn)移(ConPET)獲得強光還原劑(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) 進行脫鹵。

第一個報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?？梢姽饧ぐl(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)密度泛函理論計算，該物質(zhì)是一種極強的還原劑（-2.43 至 -4.28 V）。事實上，作者能夠證明 BPI 能夠 在 NMe 4 OH和 405 nm 照射下通過Birch 型機構(gòu)。機理研究表明 BPI ?-?釋放一個溶劑化電子它負責底物還原，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 ? )在無氧條件下相對穩(wěn)定 ( MacKenzie et al., 2020）。對這種持久自由基的光物理性質(zhì)的研究表明，吸收第二個光子（>350 nm）會產(chǎn)生兩個新的激發(fā)態(tài)，一個低能量雙峰和一個扭曲的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移態(tài)，具有很強的還原電位（-2.91 和-3.36 V 與 SCE，分別）?；谶@一發(fā)現(xiàn)，作者開發(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電子供體對激發(fā)態(tài)的猝滅后，會產(chǎn)生強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)也可以使用可見光通過從 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，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、可擴展：技術(shù)方面和發(fā)展

可見光光催化在學(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步和發(fā)展可能會增加此類反應(yīng)對未來工業(yè)過程的影響。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)注的問題。

首先，報告的光催化協(xié)議可能難以復(fù)制，這使得其他實驗室難以適應(yīng)開發(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驗室中復(fù)制。光催化轉(zhuǎn)化的再現(xiàn)性很大程度上取決于實驗裝置。光介導(dǎo)反應(yīng)通常使用發(fā)光二極管 (LED) 燈進行，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)備對光化學(xué)反應(yīng)器進行標準化可能是一個理想的解決方案（Le et al., 2017)，但由于自制裝置價格低廉，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)表了出色的評論，討論了與光化學(xué)裝置相關(guān)的問題，并呼吁在報告實驗程序時對光源和反應(yīng)器布置進行更準確的描述（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 在入射光點都可以充當過濾器，降低反應(yīng)混合物其余部分的可用光強度。這種光子傳輸?shù)乃p效應(yīng)（比爾-朗伯定律）在更大規(guī)模上變得特別成問題。Beer-Lambert 定律說明了分子的吸收 (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 在入射光點都可以充當過濾器，降低反應(yīng)混合物其余部分的可用光強度。這種光子傳輸?shù)乃p效應(yīng)（比爾-朗伯定律）在更大規(guī)模上變得特別成問題。Beer-Lambert 定律說明了分子的吸收 (A) 和摩爾消光系數(shù)(ε)、它們的濃度 (c) 和光的光程長度(l) 之間的相關(guān)性。

這種權(quán)衡具有嚴重的影響，特別是對于批量縮放光反應(yīng)。連續(xù)流動（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）。流動反應(yīng)器的狹窄通道尺寸提供了確保整個反應(yīng)混合物均勻照射的機會。因此，與間歇反應(yīng)器相比，光化學(xué)反應(yīng)可以顯著加速并擴大規(guī)模。流動化學(xué)也是涉及多個階段的轉(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，流動反應(yīng)器進一步提供了使用質(zhì)量流量控制器控制氣體化學(xué)計量的機會，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)勢最近都結(jié)合在光催化氣/液過程中，該過程能夠通過HAT對輕烴進行直接功能化（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)的烷烴中提取一個氫原子。所結(jié)果的以 C 為中心的親核自由基在烯烴上進行共軛加成。隨后的氫回饋產(chǎn)生所需的產(chǎn)物并恢復(fù) TBADT。這種轉(zhuǎn)變在間歇反應(yīng)器中很難實現(xiàn)，因為有效的輻照和高壓對于產(chǎn)品的形成至關(guān)重要。

圖 9。流動光催化(A 和 B)在流動 (A) 中使用光催化對輕烴進行C(sp 3 )-H官能化。 利用陽光進行節(jié)能流動化學(xué)的發(fā)光太陽能聚光器(B)。

與使用氣體原料化學(xué)品（如甲烷）類似，使用陽光作為能源可以極大地受益于連續(xù)流動化學(xué)。一種有效利用陽光的方法將連續(xù)流技術(shù)與發(fā)光太陽能聚光器（LSC， 圖 9 B）相結(jié)合（ Cambié 等人，2017 年）。LSC 是通過將發(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)器實現(xiàn)。這種染料吸收 ~400-600 nm 的可見光并重新發(fā)射 ~600-700 nm 的光。發(fā)射的光與常見的三重態(tài)光敏劑亞甲藍的吸收光譜完全重疊。作者在陰天使用陽光研究了 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，流動化學(xué)并不是（光）化學(xué)合成中所有問題的最終解決方案，并且仍然存在一些局限性。流動化學(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（Gisbertz 和 Pieber，2020 年）。在過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，因為光子將僅在外部區(qū)域被吸收，而內(nèi)部顆粒被屏蔽。通過將懸浮液泵入盤管反應(yīng)器可以確保有效的輻照，但固體催化劑會沉淀，導(dǎo)致分布不均、結(jié)果無法重現(xiàn)或堵塞。

這個問題最近在實驗室規(guī)模上通過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，并由盤管反應(yīng)器管內(nèi)的惰性氣體隔板隔開。這是通過將非均相氮化碳PC 加入到穩(wěn)定的氣液分段流中來實現(xiàn)的。所得三相混合物可以方便地泵送通過浸沒在恒溫器中的輻照盤管反應(yīng)器浴進行光催化反應(yīng)。自然的泰勒流混合了團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)時間可以通過改變氣體和/或液體流速或反應(yīng)器體積來調(diào)整，而催化劑化學(xué)計量可以通過改變懸浮液投料速率來改變。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)對系統(tǒng)進行了評估和優(yōu)化。

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

無光子光催化

許多均質(zhì) PC 的“獨特”特征是它們能夠在通過氧化或還原猝滅循環(huán)激發(fā)時觸發(fā)氧化還原事件（圖 1）。異質(zhì)半導(dǎo)體，例如 TiO 2或氮化碳，基本上是通過類似的機制運行的。當半導(dǎo)體吸收具有足夠高能量的光子時，電子從價帶(VB) 被激發(fā)到CB ，在單個粒子上同時產(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SET還原電子受體。

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

Ito 及其同事表明，電子空穴對也可以通過球磨產(chǎn)生“激發(fā)態(tài)”鈦酸鋇以機械化學(xué)方式產(chǎn)生（圖 12B）（Kubota 等人，2019 年）。攪拌后，壓電材料會暫時高度極化并產(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，此前曾報道過使用例如 TiO2 光催化（Zoller 等人，2015 年）。作者可以證明，對芳基重氮鹽、BaTiO3 和雜環(huán)化合物（如呋喃、噻吩或受保護的吡咯）的混合物進行球磨會產(chǎn)生 C-C 偶聯(lián)產(chǎn)物。此外，通過相同的方法實現(xiàn)了芳基重氮鹽與雙（頻哪醇）二硼的硼化。該方法在克級合成過程中被證明是可擴展的?；厥諏嶒炦M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，可以在沒有溶劑和光的情況下進行，它克服了與光化學(xué)相關(guān)的一些問題。據(jù)報道，該方法非常穩(wěn)健，因為甚至通過“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)備來引發(fā)反應(yīng)。

總之，可以毫無疑問地說，光催化已經(jīng)顯著擴展了有機化學(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)的機會。使用可見光可以實現(xiàn)的迄今為止未公開的反應(yīng)數(shù)量穩(wěn)步增加，例如替換元素堿金屬還原劑 ，肯定會對工業(yè)界和學(xué)術(shù)界產(chǎn)生重大影響。由于對反應(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，最近的幾個例子表明，光子強度和能量可以用作可調(diào)節(jié)的反應(yīng)參數(shù)，從而實現(xiàn)選擇性和反應(yīng)性控制。雖然這在過去經(jīng)常被忽視，但我們相信未來會看到更多展示“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)和流動化學(xué)，化學(xué)家和化學(xué)工程師之間的跨學(xué)科研究計劃對于在工業(yè)環(huán)境中實施光催化轉(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