半异相红光金属光催化实现碳-杂原子交叉偶联反应的通用方法

研究人员针对传统过渡金属/光催化组合需使用高能蓝光或近紫外光导致的规模化难题，开发了基于聚合物氮化碳(CN-OA-m)的红光(660-670 nm)驱动镍催化体系。该半异相系统实现了11类亲核试剂的C-N/O/S/Se键构建(200余例，产率最高94%)，光催化剂可循环使用5次，为药物分子合成提供了高效节能新策略。

　　

在药物开发和功能材料合成领域，碳-杂原子交叉偶联反应是构建复杂分子的核心手段。传统Pd、Cu、Ni等过渡金属催化体系虽广泛应用，但面临配体选择苛刻、底物兼容性有限等问题。近年来，过渡金属与光催化的结合虽部分解决了这些难题，却因依赖高能蓝光或紫外光引发新的瓶颈——强光照导致催化剂失活、副反应增多，且难以规模化应用。更棘手的是，现有光催化体系多需均相贵金属配合物(如Os催化剂)，成本高昂且难以回收。这些限制如同横亘在绿色合成化学道路上的多重路障，亟待突破性解决方案。

陕西师范大学化学化工学院的研究团队独辟蹊径，将目光投向红光驱动的半异相催化体系。他们设计开发了新型氧/酰胺熔盐衍生的聚合物氮化碳(CN-OA-m)，其导带电位达-1.65 V(vs Ag/AgCl)，可高效吸收>500 nm的可见光。与镍催化剂协同作用下，该体系在温和红光照射下成功实现了四大类碳-杂原子(C-N、C-O、C-S、C-Se)键的构建，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究采用多技术联用策略：通过X射线光电子能谱(XPS)和氮气吸附测试表征催化剂结构；借助瞬态光致发光光谱(TRPL)和光电化学测试分析电荷分离效率；结合电子顺磁共振(EPR)追踪活性镍物种；建立标准化反应流程评估底物普适性；采用离心回收实现光催化剂的循环利用。

【催化剂优化】
系统比较七种氮化碳材料发现，CN-OA-m因其独特的介孔结构(平均孔径13.80 nm)和最长荧光寿命(3.88 ns)，展现出最优异的电荷分离效率。光电测试显示其光电流强度比对照高3倍，电化学阻抗降低50%，这些特性使其在红光驱动下能高效还原Ni(II)为关键活性Ni(I)物种。

【底物普适性】
C-N偶联：成功实现201例转化，包括伯胺(如含乙烯基的9，产率89%)、仲胺(如哌啶衍生物18，产率91%)、酰胺(如N-芳基酰胺24，产率78%)等。生物活性分子如非诺贝特(212)和氯贝特(213)均以>85%产率完成修饰。
C-O/S/Se偶联：引入4,4'-二叔丁基联吡啶(d-tbbpy)配体后，实现醇(104-133)、酚(134-139)、硫醇(155-160)及硒醇(161)的高效偶联，其中萘酚衍生物138产率达91%。

【机制研究】
EPR检测到g=2.003信号证实红光激发产生氮空位，而Ni(I)物种(g=2.01)的捕获验证了催化循环启动。清除剂实验表明，电子(AgNO₃)或空穴(EDTA)捕获会使反应效率下降70%，证实光生电荷的关键作用。推测机理为：CN-OA-m受激产生e^-/h⁺对，电子将Ni(II)还原为Ni(I)，后者经氧化加成、配体交换、还原消除完成催化循环，有机碱mDBU(E_p/2=+1.39 V)提供空穴淬灭途径。

这项研究突破了红光催化在碳-杂原子偶联中的应用壁垒。与Rovis组开发的Os/Ni双催化体系相比，该半异相系统兼具三大优势：(1)使用廉价氮化碳替代贵金属光催化剂；(2)红光穿透深度达12 cm，克级反应产率保持85%；(3)催化剂可循环5次且保持结构稳定。特别值得关注的是，该体系对醛基(207)、硼酸酯(57)等敏感官能团展现出色兼容性，为复杂药物分子(如塞来昔布衍生物240-262)的后期修饰提供了新工具。

未来，这种"红光+半异相"的设计理念可延伸至其他金属催化体系，其模块化特性也为发展多组分串联反应奠定基础。正如审稿人所言："这项工作将改变人们对非均相光催化在精细化工中适用性的认知"。随着对催化剂缺陷工程(如K掺杂调控能带结构)的深入探索，这类绿色合成平台有望在制药工业和材料科学领域发挥更大价值。