光催化有机合成中的新兴概念

概述

可见光光催化已成为有机合成中的强大工具，它使用光子作为无痕、可持续的试剂。该领域的大多数活动都集中在通过常见的光氧化还原开发新反应，但最近一些令人兴奋的新概念和策略进入了鲜为人知的领域。我们调查了能够使用更长波长的方法，并表明光子的波长和强度是重要参数，可以调节光催化剂的反应性以控制或改变化学反应的选择性。此外，我们讨论了最近替代强还原剂的努力，如元素锂和钠，通过光和技术领域的进步。

介绍

使用光诱导化学反应很有吸引力，因为光子是无痕试剂，可在温和条件下提供能量以激活底物、试剂或催化中间体。传统上，光化学反应是使用紫外光来激发底物或试剂。这些光源的高能量需要特殊的设备，而且往往会引起难以预测和控制的非选择性反应。随着可以用低能光子激活的光催化剂(PC)的发展，这种情况发生了变化，为由无害且环保的试剂驱动的可持续化学合成铺平了道路：可见光（ Crisenza 和 Melchiorre，2020 年））。光催化剂可以通过各种机制情景引发转变（图1A）（Marzo 等人，2018 年）。特别是，可见光光氧化还原催化作为有机合成中的强大工具已得到广泛认可（Schultz 和 Yoon，2014 年；Shaw 等人，2016 年）。在辐照时，激发的催化剂 (PC*) 接受或提供单个电子，根据反应混合物中存在的底物和试剂实现氧化或还原猝灭循环。在氧化猝灭循环中，激发态催化剂还原电子受体( A )，产生强氧化剂(PC•+ )。这种氧化形式的催化剂可以接受来自合适供体 ( D ) 的电子以关闭催化循环。根据反应条件，可能会发生相反的事件以完成还原猝灭循环。氧化还原事件还可以伴随着协同的质子转移（质子耦合电子转移[PCET]）（ Gentry 和 Knowles，2016 年）。相反，光催化氢原子转移 (HAT) 通过 PC 均裂 C-H 键或在单电子转移 (SET) 事件后进行 ( Capaldo et al., 2020）。此外，PC 还可以将其激发态能量转移到不能吸收给定波长的光的底物或试剂上，从而引发化学反应。

图 1.光催化合成的一般机制(A 和 B) 不同的光催化模式(A) 和双重催化的选定示例 (B)。

光催化可以与“传统”催化（双催化）相结合，以实现仅使用一种催化剂无法实现的反应（图 1B）（ Skubi 等人，2016 年）。将光催化与过渡金属催化（金属光催化）相结合，可在温和条件下实现选择性碳-杂原子和碳-碳交叉偶联反应（Twilton 等人，2017 年）。成功的关键是通过 SET 工艺、自由基添加或光敏化调节过渡金属配合物的氧化态。使用镍络合物对这一策略进行了广泛研究（Milligan 等人，2019 年； Twilton 等人，2017 年））并进一步扩展到一系列其他过渡金属（Hopkinson 等人，2014 年；Skubi 等人，2016 年），包括丰富的第一行金属，例如钴（Kojima 和 Matsunaga，2020 年）、铜（Hossain 等人，2020 年）。 , 2019 ) 和铁 ( Neumeier et al., 2020 ; Ouyang et al., 2019 )。结合光催化和有机催化涉及激发 PC 和例如烯胺中间体的 SET，以实现具有高对映选择性的醛的 α-官能化（Nicewicz 和 MacMillan，2008 年）。路易斯酸的催化量与某些底物形成活化的复合物，这些底物可以与 PC 相互作用以触发例如 [2 + 2] 光环加成反应 ( Miller et al., 2017 )。

药物化学和制药工业中的光催化

尽管可见光光催化合成是有机化学中一个相对年轻的分支，但它很快成为合成化学家工具箱中不可或缺的一部分。与可见光光催化相关的优势导致在药物化学中的各种应用，包括药物发现、生物共轭、后期 C-H功能化和同位素标记。

图 2.药物化学中感兴趣的光催化反应的代表性例子(A-D)生物共轭(A)、后期 CH功能化(B)、C sp3 -C sp2交叉偶联反应 (C)、同位素标记 (D)。

化学选择性肽修饰是通过色氨酸的选择性光催化活化来诱导迈克尔加成（图）（Yu 等人，2018 年）。该方法在肽激素胰高血糖素上进行了验证，产生了 16% 的分离产率的所需缀合物。低选择性是双共轭（色氨酸和 C 末端）的结果，但值得注意的是，未观察到 His、Phe、Tyr、Arg、Met、Ser、Lys 和 Thr 残基上的共轭。

使用 Ru(byp)3Cl2 选择性地修饰酪氨酸残基（Sato 和 Nakamura，2013）。 作者还可以证明，酪氨酸修饰可以在细胞裂解物中的特定蛋白质上进行。 因此，钌 PC 配备有选择性结合靶蛋白的配体。 这使得目标蛋白质上的局部 SET 反应成为可能，而裂解物中其他蛋白质的酪氨酸氨基酸保持不变。

光催化使生物活性杂环的后期烷基化成为可能（图 2B）。 Fasudil（一种重要的 rho 激酶抑制剂）的甲基化是通过使用过乙酸叔丁酯和铱 PC 通过 PCET 机制产生甲基自由基来实现的（DiRocco 等人，2014 年）。 类似地，法舒地尔被 N-Boc 保护的吗啉功能化。 在这种情况下，α-氨基自由基的产生能够通过 Minisci 型加成实现直接的交叉脱氢偶联（Grainger et al., 2019）。 在这两种情况下，都使用了高通量实验技术来确定合适的催化混合物。

金属光催化处于光介导反应的前沿，对小分子合成具有重大影响（图 2C）。在传统的钯催化转化中，有机金属亲核试剂与芳基（伪）卤化物偶联。这些方法对 Csp2-Csp2 偶联有效，但 Csp3-Csp2 偶联具有挑战性，因为氧化加成 (OA) 和还原消除 (RE) 速率低，以及通过 β-氢化物消除产生的不希望的副反应。 2014 年，两份独立出版物表明，通过光催化从羧酸（Zuo 等人，2014 年）或三氟硼酸钾（Tellis 等人， ., 2014)。自由基添加到通过芳基卤化物与 Ni(0) 催化剂的 OA 形成的 Ni(II) 络合物中。得到的 Ni(III) 配合物容易对所需产物进行 RE，并且最终的光催化 SET 事件使 Ni(0) 催化剂再生。针对其他烷基自由基前体（Milligan 等人，2019 年）和各种碳-杂原子偶联（Zhu 等人，2020 年）开发了一系列类似的策略，这些策略都可能对活性药物的合成产生重大影响成分（API）。

了解候选药物的代谢命运是其开发过程中的关键因素。 更好地了解生物行为的一种常用技术是用稳定同位素标记其分子框架。 最近通过光氧化还原介导的 HAT 反应实现了用氘和氚对药物活性化合物进行后期标记（图 2D）（Loh 等人，2017 年）。 该方法可以在一个步骤中使用同位素标记的水（D2O 或 T2O）进行氢-氘或氢-氚交换反应，并应用于多种 API。 最近，使用吖啶鎓 PC 实现了使用含 18F 盐的直接芳烃 C-H 氟化（Chen 等人，2019 年）。

此外，还开发了一系列光介导方法的新策略和概念，有可能在药物化学和工业应用中开辟新的视野。这些协议访问迄今未公开的反应，启用控制选择性的新方法，并克服当前方法的局限性。在这里，我们使用选定的示例讨论这些发展。我们从能够使用长波长的方法开始我们的调查，这是高效太阳能收集的关键。此后，我们讨论的例子表明光子不仅是触发反应的可持续能源，而且还可以通过改变光子能量/强度来控制反应的选择性。接下来，我们调查了生成具有超出“标准”光氧化还原循环可获得的氧化/还原电位的催化剂物种的策略，并有可能作为需要元素钠或锂的反应的可持续替代品。反应技术对于可重现和高效的光催化反应至关重要。在最后两节中，我们讨论了使用分批和连续流动策略进行光催化转化的一些最新技术成果。

波长很重要

大多数光催化反应，包括前面描述的例子，都依赖于一小部分 PC，例如均相铱或钌多吡啶基配合物（Arias-Rotondo 和 McCusker，2016 年），一些有机染料（ Romero 和 Nicewicz，2016 年），以及一些具有合适的氧化还原电位或三重态能量以及长寿命激发态的半导体材料（Gisbertz 和 Pieber，2020 ）。这些 PC 的主要缺点之一是它们对高能可见光的限制（图 3）（ Prier 等人，2013）。使用整个可见光谱的光催化策略将实现有效的太阳能收集，并且是用阳光而不是人造光源进行可持续光化学反应的关键。此外，能够使用近红外 (NIR) 辐射的光化学系统允许通过皮肤和组织等屏障激活 PC，这在生物和医学应用方面具有很高的潜力 ( Glaser et al., 2020 )。许多染料在可见光谱范围内广泛吸收，它们的氧化还原电位和激发态能量在理论上适用于光催化，但这些发色团的 ISC 率较低，因此只能达到短暂的寿命不适合光催化的单重激发态。

图3.选定染料和半导体的吸收开始，光催化的适宜性取决于激发态寿命。

具有短激发寿命的发色团在其他研究领域显示出巨大的潜力。大量有机染料被用作染料敏化太阳能电池 (DSSC) 中的敏化剂（Hagfeldt 等人，2010 年）。在 DSSC 中，染料被吸附或结合到半导体材料（例如 TiO 2 ）的表面。由于由此产生的空间接近性，即使是激发态寿命短的染料也能有效地将电子注入半导体的导带。这导致电荷分离的物质持续数微秒（Hagfeldt 和 Graetzel，1995）。与具有长寿命激发态的分子 PC 相比，迄今为止只有少数报道将染料敏化半导体用作有机合成 PC（Franchi 和 Amara，2020 年）。

一个有趣的例子是用 6,7-二羟基-2-甲基异喹啉 (DHMIQ)对 TiO 2纳米粒子(NPs) 进行功能化，从而产生可催化叔胺的 α-氰化的可见光PC （图 4A）（Nauth 等人，2018 年）。DHMIQ 是发色团和与半导体表面结合的儿茶酚部分的组合。氧化还原活性配体与球形 TiO 2 NP 结合，该球形 TiO 2 NP 是通过合成后的配体交换通过水热合成丁醇钛 (IV) 与油酸制备的。所得二氧化钛 -DHMIQ 混合吸收整个可见光谱和近红外区域。显示了在乙腈中使用氰化三甲基甲硅烷对几种叔胺的需氧氰化的催化活性。对所有反应条件的详细研究表明，痕量的水会显着降低产率，这可能是因为在 NPs 周围形成了水合壳，从而抑制了生产性催化。作者表明，该催化剂可与蓝色 (462 nm)、绿色 (520 nm)、黄色 (592 nm)、红色 (635 nm) 和 NIR (730 nm) 辐照一起用于标题化学反应。

图 4.获得用于光催化合成的高波长的策略(A-D)具有非无辜配体的功能化 TiO 2 (A)。染料敏化金属光催化剂 (B)。三重融合上转换 (C)。锇配合物的自旋禁止激发(D)。

光子的能量和强度

光不仅仅是一种无痕、可持续的试剂。光子的能量和强度是被忽视的参数，可用于调节光催化活性并影响 PC 的选择性甚至反应性（图 5）（Protti 等人，2019 年）。水溶性铱络合物 fac-tris[2-(5'-sulfonatophenyl)pyridine]iridate (III) pentahydrate (Irsppy) 根据蓝光照射的强度表现出完全不同的反应性（图 5A）（Kerzig 和 Wenger，2019 ）。低光强度（单光子激发）产生具有 2.65 eV 的三重态能量和适合各种光氧化还原反应的氧化还原电位的 3Irsppy。在高光强（双光子激发）下，可以在水溶液中产生强烈还原的水合电子（标准电势为 -2.9 V 与 NHE）。通过使用 447 nm 连续波激光器，这可用于实现多种转化的不同选择性和反应性。在低光子强度照射下，3Irsppy 通过能量转移机制诱导 3-氟肉桂酸的 E-Z 异构化。当在光源和反应混合物之间放置一个透镜以集中光强度时，观察到烯烃的氢化，这是通过水合电子的单电子还原引发的。类似地，该方法允许获得 4-(氯甲基)苯甲酸的氢原子提取 (低强度) 或二聚产物 (高强度)。

图 5.通过控制光子的能量和强度来获得不同的光催化活性(A-D)通过光强度 (A)控制铱光催化剂的反应性。 通过改变波长（B）来克服使用氮化碳光催化的金属光催化的局限性。与氮化碳光催化剂 (C) 的色选择性光化学酶促级联反应。罗丹明 6G (D)的色选择性光催化。

PC 在可见光谱范围内的广泛吸收提高了太阳能收集，减少了使用人造光源的能量输入，并且有利于光介导反应的可扩展性。此外，光子的能量可用于控制光化学过程的活性，从而调整光催化反应的选择性。这用于克服环状仲胺与缺电子芳基卤化物的金属光催化 C-N 交叉偶联中的底物范围限制和重现性问题（图 5 B）（Gisbertz 等人，2020 年）。这种限制是催化剂失活的结果通过形成镍黑，这归因于在富电子芳基卤化物的情况下，由于相对缓慢的OA导致低价镍物质的积累。为了避免这个问题，OA 的相对比率必须等于或高于RE的比率。通过使用在较长波长处吸收较弱的非均相 PC (CN-OA-m)，使用绿光显着降低了 RE 的速率，这足以避免在某些情况下催化剂失活。当使用高底物浓度增加 OA 率时，可以使用蓝光照射。然而，这些措施在伯胺的情况下并不成功. 对于此类基材，添加剂 MTBD (7-methyl-1,5,7-triazabicyclo(4.4.0)dec-5-ene) 用于稳定低价镍中间体，从而减慢镍黑的形成速度。类似地，在较长波长下减速光催化反应是实现高选择性的关键，以通过光激发的 2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌 (DDQ)实现光介导的苄基醚脱保护 ( Cavedon 等人。 , 2021 年)。

最近，研究表明 CN-OA-m 的氧化电位因辐照波长而异（图 5 C）（Schmermund 等人，2021 年）。用蓝光照射会导致 π-π* 跃迁，从而使乙苯氧化成苯乙酮，而当使用绿光诱导 n-π* 跃迁时没有观察到反应。这种现象用于产生手性苄醇的(S) - 或(R) - 对映异构体的光化学酶级联反应。由 CN-OA-m 组成的混合物的绿光照射，CN-OA-m 是一种来自杨树菇和乙苯在水性缓冲液中允许选择性形成 H2O2乙苯对映选择性生物催化羟基化为(R)-1-苯基乙醇（99% 对映体过量 [ee]）。蓝光用于将乙苯光催化氧化为苯乙酮，而苯乙酮又被红球菌的对映选择性醇脱氢酶还原以产生(S)-1-苯基乙醇 (93% ee)。

改变照射波长还可以在使用罗丹明 6G (Rh-6G) 作为 PC的情况下选择性控制 1,3,5-三溴苯和N-甲基吡咯的 1 倍或 2 倍取代（图 5 D）（Ghosh 和 König，2016 年） ）。在N,N-二异丙基乙胺 (DIPEA) 存在下，自由基阴离子Rh-6G .-在用绿光（530 nm）照射后形成。该物质相对于 SCE 具有 -1.0 V 的还原电位，这足以激活具有相对较低还原电位的芳基溴化物，从而导致选择性单取代。当蓝光（455 nm）用作辐照源时，得到二取代产物。这是可能的，因为在短波长下，Rh-6G∙- 再次被激发，形成 Rh-6G∙-∗（还原电位 ca. -2.4 V vs SCE），它可以激活具有相当高还原电位的芳基溴化物。

用光代替元素碱金属还原剂

上述产生具有不同氧化还原电位的 Rh-6G ∙-或 Rh-6G ∙-*的波长相关方法不限于这种特定的呫吨染料。类似的方法可用于从其他有机 PC 中生成高度还原性物质（图 6）（Schmalzbauer 等人，2021 年）。这些策略的共同机制特征是，用牺牲电子供体(SED) 淬灭 PC* 会产生一个相对稳定的中间体，该中间体能够吸收另一个光子（连续光致电子转移）[ConPET]）。这导致激发态的特征在于非常强的单电子还原电位，其可以类似于元素锂（-3.28 V vs SCE）和钠（-2.95 V vs SCE）。

图 6。通过连续光致电子转移(ConPET)获得强光还原剂(A-C)使用苝二亚胺PC (A ) 还原芳基卤化物。使用 BPI (B) 的光催化 Birch 型还原。使用异丙叉基吖啶盐 (C) 进行脱卤。

第一个报道的例子使用苝二酰亚胺N,N -bis(2,6-diisopropylphenyl(perylene-3,4,9,10-bis(dicarboximide))) (PDI) 作为PC（图 6A）（Ghosh 等人., 2014 年）。苝二酰亚胺是在可见光光谱中广泛吸收的荧光染料，可用作颜料、着色剂、电子材料和感光体，仅在光催化方面有少数应用。可见光激发产生 PDI*，它被 SED 淬灭，产生适度降低的 PDI ∙-（-0.43 V 与 SCE）。吸收第二个光子产生 PDI ∙-∗以中等至极好的收率减少几种芳基碘化物、溴化物和氯化物。在自由基捕获剂（如取代的吡咯）存在下，得到相应的 C-C 偶联产物。

最近，苯并[ ghi ]苝单酰亚胺 (BPI) 也被证明能够进行 ConPET，形成激发的自由基阴离子BPI ∙-*（图 6 B）（Cole 等人，2020 年）。根据密度泛函理论计算，该物质是一种极强的还原剂（-2.43 至 -4.28 V）。事实上，作者能够证明 BPI 能够 在 NMe 4 OH和 405 nm 照射下通过Birch 型机构。机理研究表明 BPI ∙-∗释放一个溶剂化电子它负责底物还原，而不是激发自由基阴离子和底物之间的直接 SET。通过调整反应条件，BPI ConPET 催化也被证明能够实现还原脱氧、选择性烯烃还原、还原环丙烷开环和后期脱卤。

Mesityl acridinium 盐 (Mes-Acr + ) 是最有效的氧化反应PC 之一( Romero and Nicewicz, 2016 )。Nicewicz 及其同事意识到，在∗Mes-Acr +与 Hünig 碱基淬灭后形成的中性吖啶自由基 (Mes-Acr ∙ )在无氧条件下相对稳定 ( MacKenzie et al., 2020）。对这种持久自由基的光物理性质的研究表明，吸收第二个光子（>350 nm）会产生两个新的激发态，一个低能量双峰和一个扭曲的分子内电荷转移态，具有很强的还原电位（-2.91 和-3.36 V 与 SCE，分别）。基于这一发现，作者开发了用于芳基溴化物和氯化物的光介导还原脱卤以及由 Mes-Acr-BF 4催化的甲苯磺酰胺的还原脱甲苯基的方案（图6C ）。值得注意的是，使用铱配合物作为 PC 也可以实现 ConPET 途径（Giedyk 等人，2020 年）。

多环芳烃 (PAH)，如芘和苯并苯，在紫外光照射和单个电子供体对激发态的猝灭后，会产生强烈的还原自由基阴离子。König 及其同事假设，这些激发态也可以使用可见光通过从 PC 到 PAH 的能量转移（图 7）（ Ghosh 等人，2017 年）。成功的关键是选择 PAH/具有相似三重态能量的 PC 对，表现出从 PC 到 PAH 的快速 EnT，以及 PAH∗ 和 SED 之间的快速 SET，以产生强还原性 PAH 自由基阴离子。作者确定了 Ru(bpy) 3 Cl 2的组合、芘和 DIPEA 作为 SED 满足这些要求。芘自由基阴离子的产生使芳基（杂）芳基溴化物、氯化物或三氟甲磺酸酯的 C-H芳基化以及光介导的 C-P 偶联成为可能。

图 7.光致电子转移(PET) 与敏化引发电子转移 (SenI-ET )

更好、更快、可扩展：技术方面和发展

可见光光催化在学术界和工业界的影响不容小觑，新概念、催化剂和策略的不断进步和发展可能会增加此类反应对未来工业过程的影响。然而，光催化面临一些需要工业和大学环境从业者关注的问题。

首先，报告的光催化协议可能难以复制，这使得其他实验室难以适应开发的方法。“常规”反应需要加热或冷却，这在大多数情况下很容易在其他研究实验室中复制。光催化转化的再现性很大程度上取决于实验装置。光介导反应通常使用发光二极管 (LED) 灯进行，这些灯通常具有不同的规格，包括发射光谱和光子输出，这可能对光化学转化产生巨大影响。使用专用商业设备对光化学反应器进行标准化可能是一个理想的解决方案（Le et al., 2017)，但由于自制装置价格低廉，不太可能发生。葛兰素史克 ( GSK )、辉瑞 (Pfizer)、默克 (Merck) 和艾伯维 (AbbVie ) 的研究人员发表了出色的评论，讨论了与光化学装置相关的问题，并呼吁在报告实验程序时对光源和反应器布置进行更准确的描述（Bonfield 等人，2020 年）。

其次，光催化转化依赖于反应混合物的有效辐照。溶剂、起始材料、产品、光敏剂和 PC 在入射光点都可以充当过滤器，降低反应混合物其余部分的可用光强度。这种光子传输的衰减效应（比尔-朗伯定律）在更大规模上变得特别成问题。Beer-Lambert 定律说明了分子的吸收 (A) 和摩尔消光系数(ε)、它们的浓度 (c) 和光的光程长度(l) 之间的相关性（方程式 1） .

其次，光催化转化依赖于反应混合物的有效辐照。溶剂、起始材料、产品、光敏剂和 PC 在入射光点都可以充当过滤器，降低反应混合物其余部分的可用光强度。这种光子传输的衰减效应（比尔-朗伯定律）在更大规模上变得特别成问题。Beer-Lambert 定律说明了分子的吸收 (A) 和摩尔消光系数(ε)、它们的浓度 (c) 和光的光程长度(l) 之间的相关性。

这种权衡具有严重的影响，特别是对于批量缩放光反应。连续流动（微）反应器是克服这一瓶颈的首选技术（Plutschack 等人，2017 年）（Cambié 等人，2016 年）。流动反应器的狭窄通道尺寸提供了确保整个反应混合物均匀照射的机会。因此，与间歇反应器相比，光化学反应可以显着加速并扩大规模。流动化学也是涉及多个阶段的转换的首选技术。高表面积与体积比是小反应器尺寸的结果，导致两相（甚至三相）之间的有效传质。在气态试剂的情况下，流动反应器进一步提供了使用质量流量控制器控制气体化学计量的机会，并且易于加压，这增加了气体在反应混合物中的溶解度。

所有这些优势最近都结合在光催化气/液过程中，该过程能够通过HAT对轻烃进行直接功能化（图 9 A）（ Laudadio 等人，2020 年）。将 HAT 催化剂四丁基十钨酸铵 (TBADT) 和烯烃原料在合适溶剂中的溶液与气态甲烷、乙烷、丙烷或异丁烯混合，并在10-45 bar的背压下送入 365 nm 流动光反应器。在照射后，激发的PC从相应的烷烃中提取一个氢原子。所结果的以 C 为中心的亲核自由基在烯烃上进行共轭加成。随后的氢回馈产生所需的产物并恢复 TBADT。这种转变在间歇反应器中很难实现，因为有效的辐照和高压对于产品的形成至关重要。

图 9。流动光催化(A 和 B)在流动 (A) 中使用光催化对轻烃进行C(sp 3 )-H官能化。 利用阳光进行节能流动化学的发光太阳能聚光器(B)。

与使用气体原料化学品（如甲烷）类似，使用阳光作为能源可以极大地受益于连续流动化学。一种有效利用阳光的方法将连续流技术与发光太阳能聚光器（LSC， 图 9 B）相结合（ Cambié 等人，2017 年）。LSC 是通过将发光体分散在波导中制成的，例如聚合物材料或玻璃。光穿透波导表面并被发光体吸收。重新发射的光子通过全内反射被引导和集中到设备的边缘。将该原理应用于连续流合成使用由掺杂有荧光染料Lumogen F red 305的 PDMS 制成的基于芯片的反应器实现。这种染料吸收 ~400-600 nm 的可见光并重新发射 ~600-700 nm 的光。发射的光与常见的三重态光敏剂亚甲蓝的吸收光谱完全重叠。作者在阴天使用阳光研究了 9,10-二苯蒽的单线态氧环加成反应，结果表明该反应器比未掺杂的反应器效率更高。

然而，流动化学并不是（光）化学合成中所有问题的最终解决方案，并且仍然存在一些局限性。流动化学的最大瓶颈之一是固体材料的处理，例如异质 PC，它比均质 PC 具有优势（Gisbertz 和 Pieber，2020 年）。在过滤器单元之间嵌入多相催化剂的填充床反应器不适用于不透明的 PC，因为光子将仅在外部区域被吸收，而内部颗粒被屏蔽。通过将悬浮液泵入盘管反应器可以确保有效的辐照，但固体催化剂会沉淀，导致分布不均、结果无法重现或堵塞。

这个问题最近在实验室规模上通过生成串行微批量反应器（SMBR，图 10 A）的系统得到解决（Pieber等人，2018 年）。SMBR 是一系列小型固液隔室，其中包含用于化学转化的所有成分，并由盘管反应器管内的惰性气体隔板隔开。这是通过将非均相氮化碳PC 加入到稳定的气液分段流中来实现的。所得三相混合物可以方便地泵送通过浸没在恒温器中的辐照盘管反应器浴进行光催化反应。自然的泰勒流混合了团块以不断地重新悬浮材料，从而确保有效的辐照和可重复的加工。在该系统中，反应时间可以通过改变气体和/或液体流速或反应器体积来调整，而催化剂化学计量可以通过改变悬浮液投料速率来改变。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脱羧氟化反应对系统进行了评估和优化。

图 10.流动中的多相光催化剂（A 和 B）使用串行微批量反应器（A）在流动中对苯氧乙酸进行脱羧氟化。

无光子光催化

许多均质 PC 的“独特”特征是它们能够在通过氧化或还原猝灭循环激发时触发氧化还原事件（图 1）。异质半导体，例如 TiO 2或氮化碳，基本上是通过类似的机制运行的。当半导体吸收具有足够高能量的光子时，电子从价带(VB) 被激发到CB ，在单个粒子上同时产生氧化和还原物质。产生的电子空穴可以氧化电子供体，而VB中的电子可以通过SET还原电子受体。

图 11.无光子光催化.光氧化还原催化 (A) 和机械氧化还原催化 (B) 的比较。

Ito 及其同事表明，电子空穴对也可以通过球磨产生“激发态”钛酸钡以机械化学方式产生（图 12B）（Kubota 等人，2019 年）。搅拌后，压电材料会暂时高度极化并产生适合于氧化还原活性芳基重氮盐活化的电化学电势，此前曾报道过使用例如 TiO2 光催化（Zoller 等人，2015 年）。作者可以证明，对芳基重氮盐、BaTiO3 和杂环化合物（如呋喃、噻吩或受保护的吡咯）的混合物进行球磨会产生 C-C 偶联产物。此外，通过相同的方法实现了芳基重氮盐与双（频哪醇）二硼的硼化。该方法在克级合成过程中被证明是可扩展的。回收实验进一步表明，在催化活性降低之前，BaTiO3 可以重复使用 3 次。这种方法是一种有趣的替代光催化的方法，可以在没有溶剂和光的情况下进行，它克服了与光化学相关的一些问题。据报道，该方法非常稳健，因为甚至通过“将所有成分包裹在称重纸中并用锤子敲击”而不是专用的球磨设备来引发反应。

总之，可以毫无疑问地说，光催化已经显着扩展了有机化学家的工具箱，并为学术界和工业界的合成提供了可持续的机会。使用可见光可以实现的迄今为止未公开的反应数量稳步增加，例如替换元素碱金属还原剂 ，肯定会对工业界和学术界产生重大影响。由于对反应条件的更好控制，人造光源将成为学术界和工业界大多数光催化反应的首选能源。此外，最近的几个例子表明，光子强度和能量可以用作可调节的反应参数，从而实现选择性和反应性控制。虽然这在过去经常被忽视，但我们相信未来会看到更多展示“chromoselective photocatalysis”的例子。光化学极大地受益于技术发展，包括激光技术和流动化学，化学家和化学工程师之间的跨学科研究计划对于在工业环境中实施光催化转化至关重要。

原文链接：

Emerging concepts in photocatalytic organic synthesis

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