氮化碳纳米片与镍协同催化实现可见光驱动的C(sp3)-C(sp3)交叉偶联反应

研究人员针对传统金属光氧化还原催化依赖贵金属铱/钌的问题，开发了基于氮化碳(nCNx)和镍的半异相催化体系，成功实现了羧酸与卤代烷的C(sp3)-C(sp3)交叉偶联。该体系在可见光驱动下获得最高77%收率，兼具底物广谱性和催化剂可回收性，为药物分子构建提供了绿色新策略。

　　

在药物研发领域，构建C(sp³)-C(sp³)键是合成复杂分子骨架的关键步骤，但传统方法面临区域选择性差、强碱依赖性和β-氢消除等挑战。虽然金属光氧化还原催化提供了新思路，但依赖贵金属铱（如Ir[dF(CF₃)ppy]₂(dtbbpy)PF₆）的催化剂成本高昂且有毒，严重制约其工业化应用。针对这一瓶颈，欧洲研究人员开发了基于氮化碳纳米片(nCNx)与镍的协同催化体系，通过可见光驱动实现了高效、可持续的C(sp³)-C(sp³)偶联，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究团队采用紫外光电子能谱(UPS)、DFT计算和EPR光谱等关键技术，系统表征了nCNx的能带结构（导带0 eV vs. NHE，价带2.68 eV），并通过反应条件优化（420 nm紫光、0.05 M浓度、Na₂CO₃为碱）将模型反应收率从初始8%提升至75%。

材料表征与优化
通过热剥离法制备的nCNx比表面积达23 m² g^-1，XRD显示特征峰位于13°（三嗪单元）和27°（芳环堆叠）。Stern-Volmer实验证实Na₂CO₃对激发态nCNx的猝灭常数(K_sv=2.15×10⁴)显著优于Cs₂CO₃，这与DFT计算中Na⁺对过渡态的稳定作用（键长2.21 ?）相吻合。

底物适用性验证
该体系成功应用于24种底物，包括：

• 环状α-氨基酸：脯氨酸衍生物(3b,64%)、双环化合物(3h,66%)
• 线性氨基酸：N-保护赖氨酸(3g,74%)
• 特殊药物前体：左旋多巴前体(3y,72%)
• 卤代烷：含吸电子基(3n,98%)、供电子基(3o,61%)及杂环(3t,79%)

机理研究
EPR监测发现g=2.24信号（S=1 Ni(II)）随时间减弱，结合DFT计算提出双循环机制：nCNx激发产生空穴氧化羧酸盐生成CO₂和烷基自由基，随后Ni(0)先与卤代烷氧化加成形成Ni(II)-R'Br中间体（ΔG=-1.91 eV），再捕获自由基完成偶联。

这项研究开创性地将半导体光催化与镍催化结合，相比传统铱催化剂降低80%碳排放（645 vs. 3370 kg CO₂-equiv./kg催化剂）。通过5次循环实验证实nCNx保持稳定（BET 50 m² g^-1，XPS C/N=0.65），为药物绿色合成提供了新范式，特别适用于含氮杂环药物的模块化构建。