碳基光催化在有机合成中的革命性应用与机制解析

《Bulletin of the Chemical Society of Japan》：Carbon-Based Photocatalysis in Organic Transformation

本刊推荐：针对传统金属光催化剂存在毒性高、成本高等问题，研究人员系统综述了碳基材料（石墨烯、g-C3N4、CQD等）在光催化有机转化中的应用。研究表明碳材料可通过产生ROS（活性氧）和自由基实现氧化、还原、C-C键构建等反应，为绿色化学提供了新型非金属催化策略，相关成果发表于《Bulletin of the Chemical Society of Japan》。

　　

在追求绿色化学的时代浪潮中，光催化技术因其能够利用太阳能驱动反应而备受关注。然而，传统金属基光催化剂（如TiO₂）存在可见光吸收效率低、金属资源稀缺、潜在毒性等问题。如何开发高效、稳定且环境友好的替代材料，成为有机合成领域的重要挑战。

日本冈山大学的西谷勇太团队系统综述了碳基材料在光催化有机转化中的应用进展。研究发现，石墨烯衍生物、石墨相氮化碳（g-C₃N₄）、碳量子点（CQD）、碳纳米管（CNT）和富勒烯等材料凭借其高比表面积（50-2600 m²/g）、可调能带结构（2-5 eV）和优异的光稳定性，可通过光生自由基机制驱动多种有机反应。该论文发表于《Bulletin of the Chemical Society of Japan》，为设计非金属光催化剂提供了重要参考。

研究团队通过分析碳材料的能带结构、量子产率（0.1-60%）和激发态寿命等光物理参数，结合自由基捕获实验和ESR（电子自旋共振）谱学验证，阐明其光催化机制。关键技术包括：可见光/近红外光驱动反应体系构建、多相催化剂回收利用技术、连续流反应器放大工艺等。

3.1 氧化反应

石墨烯氧化物（GO）与玫瑰红B协同催化胺类C-H键官能化，无需化学计量氧化剂即可实现α-氰基化和三氟甲基化反应，收率达99%。

3N₄,and(b) heptazine-based g-C₃N₄.'>GO在蓝光照射下可催化N-杂环脱氢反应，生成吲哚（93%收率）并释放氢气。g-C₃N₄可实现胺类需氧氧化为亚胺，选择性达99%；CQD在近红外光下催化苯甲醇氧化为苯甲醛，转化率92%且选择性100%。

3.2 还原反应

富勒烯在UV照射下可激活H₂分子，实现硝基苯还原为苯胺（92.4%收率）。

功能化CNT可催化芳基卤化物脱卤反应，且催化剂可循环使用而无浸出。

3.3 C-C键形成

GO催化芳烃三氟甲基化反应，利用CF₃SO₂Na作为CF₃自由基源。g-C₃N₄可实现脱硅烷基烯丙基化反应（收率95%），并可在连续流反应器中放大制备。

60, and(b) Fullerene C₇₀.'>CQD通过氢键催化机制促进醛酮缩合反应，对4-氰基苯甲醛的催化收率达89%。

研究结论表明，碳材料的光催化活性源于其光生电子-空穴对分离能力及自由基生成特性。机制分析证实超氧自由基（O₂·）、过氧自由基和碳自由基在反应中起关键作用。碳基催化剂的易回收性（过滤/离心）为可持续催化提供了重要优势。未来通过能带工程和表面功能化优化，碳基光催化剂有望在药物合成和精细化工领域实现更广泛应用。