2020 年光催化研究最新成果：Nature/Science 前沿成果盘点

2020 年光催化研究最新成果：Nature/Science 前沿成果盘点

近年来，光催化作为一种​​绿色、安全、清洁、环保、可再生的催化方法，吸引了众多优秀科学家的关注和研究，成为当前的研究热点之一。2020年也是光催化大发展的一年，大量最新前沿成果在国际顶级期刊上发表。我们列出了2020年发表的光催化研究最新成果，供大家交流学习，激发灵感。

1. 可见光/Cu共催化三组分自由基反应合成双环[1.1.1]戊烷化合物

双环[1.1.1]戊烷化合物是一类在新药开发中具有重要生理活性的桥环骨架化合物，是当前药物开发重点关注的一类小分子化合物，辉瑞、葛兰素史克等国际知名药企均有多个含有该类型结构的新药在研。但BCP骨架的合成工艺相对繁琐，通过设计新反应构建结构多样、复杂的类药BCP分子，发展更为简便高效的合成策略具有重要意义。鉴于此，美国普林斯顿大学David WC教授利用可见光氧化还原/铜共催化[1.1.1]螺原体三组分自由基偶联策略，成功实现了类药分子BCP的一步模块化合成，这一新反应体系打破了现有BCP分子合成的障碍。 通过引入光氧化还原/铜协同催化，大大拓展了BCP的底物应用范围，拓展了药物合成的反应路径，有望系统地简化候选药物的合成路线，提高药物开发速度。

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2. 可见光/Ni协同催化有机溴化物的脱溴及放射甲基化

甲基化在药物化学中有着重要的作用，这种神奇的甲基效应（ ）可以显著改变药物分子的性质。同时，将放射性核素组装成具有生物活性的分子，给药物研发和临床应用带来了极大的便利，例如在正电子发射断层扫描（PET）的临床检查成像技术中经常使用氚（T）或11C同位素标记的分子。富同位素的配体分子还可以作为肿瘤和神经系统疾病的信息标记物，以及中枢神经系统（CNS）药物研发的关键工具。但此类放射性配体目前仍较难合成，大大限制了PET放射性配体标记物的研发。

鉴于此，美国普林斯顿大学的David WC及其合作者巧妙地将分子的后期甲基化与放射性同位素的使用结合起来，利用可见光催化的硅基自由基介导的卤素捕获-自由基捕获策略，在芳香族或烷基骨架上直接引入各种同位素甲基，实现了芳香族和烷基的各种碳、氢同位素（氘（D）、氚（T）、11C、13C、14C）的甲基化过程。该反应无需预先功能化或后期脱保护，可对各种市售药物分子进行多次同位素甲基化，大大简化了此类放射性分子的合成过程，对未来PET临床成像放射性标记物及放射性标记药物的开发具有重要意义。

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3. 可见光诱导非金属、非定向、非活化烷烃硼氢化

有机硼化合物及其衍生物广泛存在于许多药物分子、功能材料等中，也是有机合成中非常重要的合成原料。它们可以通过简单的化学转化反应快速修饰上各种功能基团，从而高效准确地构建碳碳键、碳氮键、碳氟键或其他碳卤键。基于有机硼化合物的重要应用价值，碳硼键的构建一直是合成化学的研究热点之一，而通过碳氢键活化直接构建碳硼键一直是合成化学家的追求。与(SP2)C–H键的硼化相比，普通的(SP3)C–H硼化由于碳氢键的活性和选择性较弱而极其困难。

目前，实现此类转变仅有两种策略：利用导向基团和高温下金属催化。鉴于此，该研究组在非金属非定向碳氢硼化反应领域取得突破，发展了首个具有非传统区域选择性的可见光诱导非金属非定向惰性烷烃（SP3）C–H硼化反应。该方法操作简单，条件温和，不需要使用昂贵的过渡金属催化剂，可用于合成各种功能化的烷基硼酸酯和邻位硅基硼酸酯，也可实现复杂分子的后期制备功能化，为由烷烃直接合成有机硼化合物提供了一种新的、快速、便捷、环境友好的合成策略，具有重要的合成化学价值和良好的医学应用前景。

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4. 可见光催化蛋白质侧链功能化

PTMs（Post-）策略可以显著拓展天然蛋白质分子的结构和功能。虽然目前合成蛋白质的功能化策略可以模仿PTMs过程，合成蛋白质策略可以在蛋白质中引入指定的侧链，合成自然界中不存在的蛋白质物种，模拟翻译后修饰蛋白质的功能，但由于反应条件和生物耐受性的限制，能够成功引入的蛋白质侧链相对有限，能实现的功能基团种类仍然很少。鉴于此，牛津大学的G. Davis等人报道了一种光催化驱动在蛋白质脱氢丙氨酸基团上引入侧链的方法，他们通过在水相中生成以碳为中心的自由基来构建碳碳键，在控制反应还原性的过程中，取得了较高的转化率，并减轻了对蛋白质的损伤。 该反应可修饰大量基团（50个残基/侧链以上），获得大量蛋白质结构和位点，且兼容酰胺、叠氮化物、酯、醚、卤素、甲氨基等功能基团。该方法的开展可能有助于揭示翻译后修饰酶的功能或创造具有其他功能的蛋白质，对蛋白质化学和生物催化领域具有重要意义。

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5.可见光催化脱氢合成苯胺

苯胺化合物作为基础化学品，在化学合成、医药、农药等领域有着重要的应用。传统上，苯胺，特别是较简单的苯胺的工业合成主要利用苯环的硝化-还原串联过程。但当要将胺基选择性地引入到功能化芳香化合物的特定位置时，最可靠的方法是采用钯或铜催化策略。然而需要预先形成卤化物或硼酸盐才能生成芳基钯或芳基铜物种。特定位置功能化的芳基卤化物和硼酸酯的合成仍然具有挑战性。鉴于此，来自英国曼彻斯特大学的研究团队报道了一种开创性的交叉偶联法合成苯胺。 他们以环己酮和胺为原料，通过铱（Ir）和钴（Co）催化的光氧化还原和脱氢反应实现了多种苯胺的合成，初步解决了目前苯胺合成中存在的各类问题。该方法可以高效合成特定取代的苯胺，表现出非常广泛的底物适用性和功能基团兼容性。该策略不以含苯环的化合物为原料，而是从非芳香环己酮开始合成苯胺，打破了苯胺合成的常规思维，具有重要的研究意义。

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6. 光催化分解水产氢，量子效率接近100%

氢气（H2）是一种绿色环保燃料，热值高，可再生，燃烧产物唯一为水。但如何高效低成本地生产氢气是当前面临的重大科学难题，尚无经济有效的解决办法。利用太阳能催化水光解产氢，将太阳能转化为可储存和运输的氢能或许是最理想的途径，但目前的光催化体系产氢效率低、副反应多、循环性能差，应用前景尚不明朗。鉴于此，日本信州大学和东京大学的Domen教授利用铝掺杂的钛酸锶光催化剂，选择性地引入助催化剂Rh/Cr2O3和CoOOH分别促进析氢反应和析氧反应，将光催化水分解的外量子效率（EQE）提高到96%（波长350-360nm）。 这一破纪录的高效率意味着，在350-360 nm波段的光下，催化剂吸收的光子几乎全部用于分解水，没有能量损失，也不会发生不良的副反应。这项工作也证明，通过催化剂的合理设计，可以最大程度地消除能量损失，未来EQE可以提高到96%甚至100%。这也为提高可见光下催化剂的量子效率提供了一种新的研究思路，为未来光催化制氢的实际应用带来了希望。

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7. 新型光催化剂的发现与表征：吖啶自由基还原剂

光诱导电子转移（PET）是一种化学物质吸收光能为电子转移反应提供能量驱动力的现象，通过吸收光能实现电子转移反应。近年来，越来越多的研究开始利用PET进行光催化活性，产生有机自由基物种，应用于各种自由基反应，如天然产物合成、光伏材料和感光材料等。但由于有机自由基激发态寿命极短，很少有研究报道有机自由基作为激发态供体/受体参与PET反应。鉴于此，北卡罗来纳大学教堂山分校David A.团队报道了一种中性吖啶（）自由基，其最大激发态氧化电位为−3.36V。光谱、计算和化学研究表明，这种弯曲的分子间电荷转移物种表现出集体高能双激发态，研究人员还观察到了相当明显的光还原行为。 研究进一步证明，这种PET催化剂不仅可以参与和实现多种需要碱金属还原剂的化学反应，还可以在通常需要可溶性金属还原剂的有机转化过程中发挥作用，例如将卤代芳烃和苯磺胺还原为C(sp2)-H和NH键。这种自由基还原剂的发现可能促使科学家研究其他分子是否以类似的方式发挥作用，并对在还原体系中使用光催化方法产生新的兴趣。

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1. 低碳烷烃中C(sp3)–H键的可见光催化活化

有机合成中最具挑战性的反应之一是 C(sp3)–H 键的选择性官能化，尤其是在非导电基团的帮助下。气态烃由于其固有的惰性，通常需要苛刻的反应条件才能裂解 C(sp3)–H 键。在过去的几十年里，将气态烷烃转化为高附加值化学品一直是合成界的主要目标，但迄今为止一直很困难。主要有两个原因：

（i）气态烷烃的高BDE值使其活化极具挑战性；

(ii) 这些烷烃的气态性质给与其他介质的接触带来了技术挑战。

鉴于此，荷兰埃因霍温理工大学Noël教授等研究人员开发了一种通用且温和的气态烷烃活化策略。该方法不需要预先功能化，利用四丁基十聚钨酸铵（TBADT）作为光催化剂，在流动反应条件和室温下，通过氢原子转移（HAT）活化低碳烷烃（甲烷、乙烷、丙烷和异丁烷）的C(sp3)–H键。虽然已有报道使用钨酸盐作为HAT试剂活化液态烷烃，但作者巧妙地利用流动化学在压力下活化气态烷烃。这种基于光化学连续流方法的温和条件，其安全功能性和可扩展性证明了使用气态原料化学品进行CH功能化应用的可行性，具有重要的应用价值。同时，基于原料资源丰富、反应简化和环保的优势，这种转化的发展凸显了可持续发展的意义和未来工业应用的价值。

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2. 以氨基烷基自由基为HAT剂的可见光催化活化卤代化合物

与热反应所采用的催化剂相比，光氧化还原催化剂通常只在激发态下才具有催化活性，催化过程通过与底物分子的单电子转移（SET）实现。可见光诱导的光反应不需要借助紫外光等高能光源，在可见光照射的温和条件下便可形成自由基物种，更好地避免了其他副产物的生成。鉴于此，英国曼彻斯特大学的 Fabio Juliá 教授等发现 α-氨基烷基自由基可作为一种新的自由基引发体系。他们发现 α-氨基烷基自由基可以有效捕获卤代烃中的卤素原子形成碳自由基活性物种，进而设计出一系列光氧化还原催化反应。 作者展示了该光氧化还原催化体系在多种反应体系中的应用，并研究了卤代烷的脱卤/氘化反应、卤代烷和芳烃与缺电子烯烃的Giese型加氢烷基化/芳基化反应以及卤代烷和芳烃的烯丙基化反应，均成功进行了转化。这些反应还具有良好的底物适用性和功能团兼容性。可以看出，α-氨基烷基自由基作为一种新的自由基引发体系，可以在温和的反应条件下实现一系列C(sp3)-C(sp3)、C(sp3)-C(sp2)、C(sp2)-C(sp2)键的构建，有望取代有毒有害试剂、硅试剂或三烷基硼烷等HAT试剂，在合成中具有重要的应用潜力。

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3. 可见光氧化还原催化促进β-取代酮的消旋化

立体化学（静态立体化学和动态立体化学）的一个重要分支是手性分子的研究，涵盖了有机、无机、生物、物理特别是超分子化学的整个领域，在天然产物、生物化学、药物化学等领域发挥着重要作用。目前，动态动力学拆分目前仅限于含有传统可诱导的动态立体中心的底物，而有机化学中大多数立体中心通常都是静态的，因此存在一定的局限性。鉴于此，美国普林斯顿大学的David WC教授和Todd K.教授报道了一种在温和条件下将传统静态立体中心转化为动态立体中心的新型催化方法。他们利用可见光氧化还原催化策略，控制前手性自由基介导的传统静态、无活性立体中心（β-取代酮）的外消旋化。 此方案进一步与生物催化剂（如酮还原酶、转氨酶）相结合，可实现外消旋β-取代酮的动态动力学拆分，得到具有单一立体构型的γ-取代醇（胺）。这一先进的可见光催化与后期生物催化剂相结合的外消旋化平台将继续推进静态和动态立体中心的研究，也为开发其他立体中心过程奠定基础。

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4. 可见光催化促进免疫细胞微环境成像新技术

许多疾病的病理可以通过阐明局部生物分子网络或微环境来解释。为此，邻近酶标记平台（）被广泛用于揭示亚细胞结构中更广泛的空间关系。同时，这也需要高精度的微环境映射技术。鉴于此，普林斯顿大学的David WC和默克公司的Rob C.报道了一种微环境映射平台，该平台利用可见光催化碳烯的生成，然后选择性地识别细胞膜上的蛋白质相互作用（μMap）。通过使用光催化剂-抗体缀合物在空间上定位碳烯的生成，实现了对抗体结合靶标及其邻近微环境蛋白的选择性标记。这种光触发标记技术可以提高映射的空间分辨率。他们还利用该技术识别了活淋巴细胞中程序性死亡配体微环境的组成蛋白，并在免疫突触连接中选择性地标记它们。因此，这是一个在癌症免疫治疗中具有潜在实用性的有价值的系统。

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5. 可见光促进钯催化羰基偶联反应

偶联反应是现代有机化学中的重要工具，催化循环中氧化加成步骤切断化学键过程与还原消除步骤形成化学键之间存在一定的矛盾（氧化加成速率的提高会抑制还原消除）。鉴于此，该大学Bruce A.等人通过同时降低氧化加成和还原消除过程中的活化能，发展了一种可见光催化激发方法，缓解了这一矛盾过程。通过光激发Pd催化剂，在低能垒下驱动氧化加成和还原消除，解决了室温条件下实现惰性底物羰基化的难题。在温和的条件下实现羰基化反应，扩大了反应底物范围，以普适的方式实现了芳香族或烷基卤化物与亲核试剂的具有挑战性的羰基化反应，生成酰氯、酯、酰胺或酮等高附加值的羰基衍生物。该工作体现了光催化和热催化的不同特点。 目前光催化的主要应用是尝试通过光化学方法替代热化学反应，将各种具有氧化还原反应的热催化反应转化为单电子过程。但能体现光催化与热催化反应活性差异的研究较少。本研究为展示光催化方法对反应活性的深度调控提供了可能，对于实现不同于热催化的光化学反应具有广泛的意义。

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6. 模拟叶绿体中光驱动的二氧化碳固定

人工光合作用（ ）可以模仿植物的光合作用，实现太阳能的转化、储存和利用。叶绿体作为产生光合作用的细胞区室，可能是地球上最重要的能源。人工重建和控制光合作用过程具有重要的研究意义，这将意味着能够生产出清洁能源和其他只能靠光和二氧化碳才能生产的产品。鉴于此，德国马克斯普朗克陆地微生物研究所的Erb团队将微流控技术与菠菜植物的天然光合膜相结合，开发出可以模拟复杂而逼真的光合作用过程的“合成叶绿体”。构建的人工叶绿体可以用光捕获和转化温室气体二氧化碳。这些人工叶绿体利用光通过以前未被发现的天然途径驱动二氧化碳的固定。这种方法可以用来从环境中捕获二氧化碳并将其转化为有用的分子——例如燃料和药物，更重要的是，它在碳循环的整合方面迈出了重要的一步。 这一进展标志着合成生物学领域的重大进步，意义深远。

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7. 可见光诱导烯烃顺反异构化

光诱导烯烃顺反异构化反应早已被报道，但该类反应由于效率问题往往局限于简单苯乙烯类烯烃的异构化，限制了其在有机合成中的应用。鉴于此，德国明斯特大学Ryan教授课题组发展了一种不受苯乙烯基团限制的方法，从而大大拓展了光驱动烯烃异构化在合成中的应用。他们成功报道了β-硼酸酯取代丙烯酸衍生物的光诱导异构化反应。该反应克服了传统光驱动烯烃异构化反应的结构限制，将苯乙烯底物拓展到了广泛使用的烯基硼酸酯。反应的选择性来自于顺反异构体中硼原子p轨道的不同成键环境。更重要的是，该反应的原料可以通过炔烃的硼氢化反应快速得到，反应条件简单，操作容易，通用性强。 有望在有机合成中发挥重要作用。

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通过以上事例，我们可以发现光催化具有重要的研究意义，已经是当前催化领域的热点领域之一。两大顶级期刊上关于光催化的论文也不少。希望这篇总结能给读者带来新的启发，激发新的研究兴趣，推动光催化的进一步发展。