二氧化碳光催化的研究意义（王心晨今日Nature子刊）

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第一作者：Mingcheng Yang

通讯作者：王心晨，成佳佳

通讯单位：福州大学

论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32623-3

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利用无金属的氮化碳来实现光催化有机合成，被认为是一种可持续的策略。目前，通过调整催化剂和底物之间的界面耦合来提高 CN 催化剂的本征活性，仍然具有挑战性。鉴于此，本研究证明了具有丰富的-NH2基团和正电荷表面的尿素衍生氮化碳催化剂可以有效地与去质子化的阴离子中间体络合，并改善有机反应物在催化剂表面的吸附。降低的氧化电位和最高占据分子轨道位置的上移，使得催化剂的电子提取动力学在能量上更有利。因此，所制备的催化剂具有高活性和可重复使用性，可用于氮中心自由基的光催化环化，以合成多种药物相关化合物（包含33 个例子），并且可以与均相催化剂的性能相提并论。

背景介绍

五元杂环化合物，如二氢吡唑物种及其不饱和对应吡唑，广泛存在于药理活性分子、农用化学品、天然产物和合成配体中。通过氮中心自由基的光催化分子内加成来合成氮杂环具有许多优点。尽管如此，由于大多数 N-H 键的键解离自由能 (BDFE) 较高（通常 > 100 kcal/mol），直接从 N-H 键生成以氮为中心的自由基遇到了一些挑战。通过自然光合作用过程中的质子耦合电子转移 (PCET) 辐射，有人开发了一种基于碱和光催化剂的氧化去质子化电子转移策略。吖啶盐以及基于钌和铱的过渡金属配合物，已被证明是制备二氢吡唑骨架的出色光催化剂。尽管研究人员在均相催化剂领域取得了许多进展，但在成本、催化剂回收率、稳定性（尤其是金属浸出）等方面仍然存在许多问题。因此，开发用于无金属多相光催化杂环合成的高效和高选择性的策略，仍然是非常必要的。

调整半导体光催化剂与底物之间的界面相互作用，被认为是实现先进多相催化的重要方法。非均相催化剂的表面性质至关重要，因为它们会影响底物-催化剂相互作用和电荷载流子的迁移率。在非均相催化剂中利用表面性质，也为通过调节反应动力学实现高选择性有机反应提供了相当大的机会。通过催化剂酸碱表面位点的结合，研究人员实现了一些重要的工业转化反应，例如石油裂化、烷基化和异构化。通过金属催化剂和载体之间的相互作用，金属纳米粒子的电子密度以及有机分子在其表面的吸附也可以得到有效的调控。例如，催化剂表面碱度的调整可以提高伯醇氧化为醛的光催化性能，而溴氧化铋上的碱性位点可以有效促进氢转移，进而增强太阳能驱动的还原和氧化反应。

得益于高热稳定性、化学稳定性、优异的光伏特性和独特的电子结构，聚合氮化碳 (CN) 材料已被证明是用于各种催化反应的高效光催化剂。CN 材料具有独特的表面特性，例如功能性布朗斯台德酸和碱基位点，这可以使得催化系统具备原始材料中不存在的催化活性。然而，目前大多数用于选择性有机合成的 CN 光催化剂都集中在热力学过程上。通过调整催化剂和底物之间的界面相互作用来增强内在活性仍然具有挑战性。因此，作者认为关键有机反应物（特别是去质子化的阴离子中间体）的氧化还原电位，可以通过与 CN 催化剂的表面络合来改变，进而可以与光催化剂结合使用，以在温和条件下实现苛刻的转化。

图文解析

图1. 氮中心自由基在氮化碳上的界面辅助催化环化。通过促进底物/催化剂相互作用来实现腙的光催化氧化环化。

图 2. 结构表征。a g-CN-U、g-CN-DCDA、K-PHI的PXRD结果。b g-CN-U、g-CN-DCDA、K-PHI的FT-IR光谱。c g-CN-U、g-CN-DCDA、K-PHI的拉曼光谱。d 不同光催化剂的光催化活性：1a (0.1 mmol)、NaOH (1.5 equiv.)、催化剂 (5 mg)、CHCl3(2 mL)、3 W 420 nm LED，在N2 室温下 8 h。使用苄基醚作为内标，通过 1H NMR 确定产率。

图 3. 机理研究。a 自由基清除实验。b 灯开关实验。c ESR 自旋捕获实验。d 不饱和β,γ-腙在g-CN-U上的光催化加氢反应时间曲线。e TEMPO 捕获产品的分离。f 在氘代溶剂中进行的反应。

图 4. 表面特性研究。a g-CN-U、g-CN-U/底物、g-CN-U/碱 和 g-CN-U/底物/碱在 CHCl3中的稳态光致发光光谱（λexc = 390 nm）。b 对于不同底物浓度，在 450 nm (λexc = 390 nm) 下的稳态发射强度的Stern-Volmer分析。c 在含有 2 mM 底物、2 mM 碱的0.1 M 六氟磷酸四丁基铵溶液中， CN 作为工作电极(WE) 时，所获得的 CV曲线。d 不同 pH 值下样品的 Zeta 电位。

图 5. 底物范围。a β,γ-不饱和腙环化的底物范围。反应条件 1（0.1 mmol），I：NaOH 或 II：LiOH（1.5 equiv.），g-CN-U（5 mg）；在干燥的CHCl3（2 mL）中；在 N2室温下；反应 8-12 h；在3 W 420 nm LED 下。b 其他反应类型。I：365 nm照射下。II：[CoIII(dmgH)2PyCl]作为助催化剂。III 和 IV：以 K2CO3作为碱，反应6 h。V：加入TEMPO（1.0当量）。

图 6. 具有连续流动装置和光催化剂回收利用的克级反应。反应条件 1 h (5 mmol, 1.66 g), NaOH (300 mg), g-CN-U (500 mg)，在干燥 CHCl3 (200 mL) 中，在N2 室温下，在 50 W 420 nm LED 下反应4 h。

总结与展望

基于上述结果，本文设计了聚合物半导体 g-CN-U作为一种高效且稳定的无金属催化剂，用于光催化生产各种药学相关的杂环（包括二氢吡唑、吡唑、三环苯并磺胺和吡嗪），而且催化所得的产率高，底物范围广。本研究揭示了催化剂的特性与其性能之间的联系，并证明催化剂与底物之间的界面耦合是促进反应的关键。g-CN-U与表面配合物体系，可以通过碱和可见光的协同组合，促进N-H键的高选择性氧化，进而生成以氮为中心的自由基；而g-CN-DCDA和K-PHI则表现出较差的活性。化学吸附底物-g-CN-U表面复合物的形成归因于g-CN-U上丰富的NH2基团和相对带正电荷的表面，它们可以通过静电引力和H键与去质子化的阴离子腙实现有效偶联和相互作用；这会导致腙的氧化电位发生变化，从而更容易去除电子并产生以氮为中心的自由基。这项工作为从基于动力学的界面相互作用角度来有效改性氮化碳或其他无金属光催化剂提供了案例和灵感。该研究还表明，使用氮化碳光催化系统一锅法合成重要的药物化合物，可以在绿色和温和的策略下进行。