近年來，光催化作為一種綠色安全、潔淨環保、可再生的催化方式吸引了眾多優秀科學家關注與研究，成為當前研究熱點之一。2020年也是光催化大發展的一年，一大批最新前沿成果發表在國際頂級期刊上。我們列舉了2020年發表在Nature/Science上關於光催化研究的最新成果，供大家一起交流學習，啟發靈感。

Nature

1. 可見光/Cu協同催化的三組分自由基反應合成雙環[1.1.1] 戊烷化合物

雙環[1.1.1]戊烷類化合物是新藥研發中具有重要生理活性的一類橋環骨架，是當前藥物研發領域中重點關注的一類小分子化合物，輝瑞、葛蘭素史克等國際著名製藥公司均有多個包含此類結構的新藥正在研發當中。然而BCP骨架的合成過程較為繁瑣，透過設計新反應來開發更為簡潔高效的合成策略，來構建結構多樣的複雜類藥物BCP分子具有十分重要的意義。有鑑於此，美國普林斯頓大學的David W. C. MacMillan教授利用可見光氧化還原/銅共催化的[1.1.1]螺漿烷三組分自由基偶聯策略，成功地實現了類藥分子BCP的一步法模組化合成。這種新的反應體系打破了現有合成BCP分子的壁壘，透過引入光氧化還原/銅協同催化，極大地拓展了BCP的底物應用範圍，擴充套件了藥物合成的反應路徑。有望系統地簡化藥物候選物的合成路線，提高藥物研發的速度。

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https://www.nature.com/articles/s41586-020-2060-z

2. 可見光/Ni協同催化有機溴化物的脫溴放射性甲基化

甲基化在藥物化學中扮演重要角色，這種神奇的甲基效應（magic methyl effect）可以顯著改變藥物分子的性質。同時，將放射性核素裝配到生物活性分子中對藥物研發和臨床應用都帶來了巨大便利。例如，氚（T）或11C同位素標記分子經常應用於正電子發射型計算機斷層顯像（Positron Emission Computed Tomography，簡稱PET）的臨床檢查影像技術中，富含同位素的配體分子還可作為腫瘤、神經系統疾病的資訊標誌物，以及中樞神經系統（CNS）藥物開發的關鍵工具。但是合成此類放射性配體仍然比較困難，很大程度上限制了PET放射性配體標誌物的發展。

有鑑於此，美國普林斯頓大學David W. C. MacMillan及合作者巧妙的把分子後期甲基化與放射性同位素的利用綜合起來，利用可見光催化的矽基自由基介導的鹵素攫取-自由基捕獲策略，直接在芳基或烷基骨架上引入了各種同位素化的甲基，實現了芳基和烷基的多種碳氫同位素（氘（D）、氚（T）、11C、13C、14C）甲基化過程。該反應無需預功能化或後脫保護，即可對各種市售藥物分子等進行多種同位素甲基化，很大程度上簡化了此類放射性分子的合成過程，對未來PET臨床檢查影像放射性標記物和放射性標記藥物的發展都具有重要意義。

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https://www.nature.com/articles/s41586-020-3015-0

3. 可見光引發的非金屬非導向的非活化烷烴碳氫硼化反應

有機硼化合物及其衍生物廣泛存在於borterzomib、vaborbactam、crisaborole等眾多藥物分子和功能材料中，同時也是有機合成中非常重要的合成砌塊，可以透過簡單的化學轉化快速進行多種多樣的官能團化修飾，從而高效精準構建碳-碳鍵、碳-氮鍵、碳-氟鍵或其他碳-鹵素鍵等。基於有機硼化合物的重要應用價值，碳-硼鍵的構建一直都是合成化學的研究熱點之一。直接透過碳氫鍵活化構建碳硼鍵一直是合成化學家的追求，相比（SP2）C–H鍵的硼化，普通的（SP3）C–H硼化由於碳氫鍵的活性和選擇性更弱，因此極為困難。

目前僅有的兩個策略是利用導向基團和金屬催化在高溫下來實現此類轉化。有鑑於此，Aggarwal課題組在非金屬非導向碳氫硼化反應領域取得突破，發展了首例可見光引發的非金屬非導向的惰性烷烴（SP3）C–H硼化反應，並具有非傳統的區域選擇性。方法操作簡單、條件溫和、無需使用昂貴的過渡金屬催化劑，可用於合成各種官能團化的烷基硼酸酯和鄰矽基硼酸酯，同時還可以實現複雜分子的後期製備級官能團化，為從烷烴直接合成有機硼化合物提供了一個快捷方便、環境友好的全新合成策略，具有重要的合成化學價值和良好的醫藥應用前景。

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https://www.nature.com/articles/s41586-020-2831-6

4. 可見光催化的蛋白側鏈官能團化

PTMs (Post-translational modification）策略能夠顯著擴充套件天然蛋白分子的結構和功能性，雖然目前合成蛋白的功能化策略中能夠模仿PTMs過程，利用合成蛋白質的策略能夠將指定側鏈引入蛋白，合成自然界中不存在的蛋白物種，模擬翻譯後修飾蛋白的功能，但是由於反應條件和生物體耐受性的限制，能夠成功引入的蛋白質側鏈比較有限，能夠實現的官能團種類仍然非常少。有鑑於此，牛津大學Veronique Gouverneur, Benjamin G. Davis等人報道了一種光催化驅動對蛋白質中的脫氫丙氨酸基團引入側鏈的方法。他們透過在水相中生成碳中心自由基來構建碳碳鍵。在控制反應還原性的過程中實現了較高的轉化率並緩解了對蛋白的損傷。該反應能夠對大量基團（大於50種殘基/側鏈）進行修飾，得到大量蛋白質結構和位點，併兼容醯胺、疊氮、酯、醚、鹵素、甲氨基等官能團。該方法的發展可能有助於揭示翻譯後修飾酶的功能或者創造有其他功能的蛋白質，對蛋白質化學、生物催化領域具有重要意義。

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https://www.nature.com/articles/s41586-020-2733-7

5. 可見光催化脫氫合成苯胺

苯胺類化合物作為基礎化學品，在化學合成、製藥以及農藥等領域具有重要應用。傳統工業上合成苯胺，特別是比較簡單的苯胺，主要是利用苯環硝基化-還原的串聯過程。但要將胺基選擇性引入到官能化芳香化合物上的特定位置時，當前最可靠方法是使用鈀或銅催化的策略。但是，需要預先形成鹵化物或硼酸化以生成芳基鈀或芳基銅物種。而特定位點官能化的芳基鹵化物和硼酸酯在合成上仍具有挑戰性。有鑑於此，英國曼徹斯特大學的Daniele Leonori小組報道了一種開創性的交叉偶聯方法來合成苯胺，他們用環己酮和胺為原料，透過銥（Ir）和鈷（Co）協同催化的光氧化還原和脫氫化反應實現了多種苯胺的合成，初步解決了目前苯胺合成中所存在的各種問題。利用該方法能高效地合成特定取代的苯胺，顯示了極廣泛的底物適用範圍和官能團相容性。此策略沒有使用含苯環化合物為原料，而是由沒有芳香性的環己酮出發合成苯胺，打破了苯胺合成的常規思維，具有重要的研究意義。

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https://www.nature.com/articles/s41586-020-2539-7

6. 量子效率接近100%的光催化全分解水制氫

氫氣（H2）是一種綠色環保燃料，熱值高、可再生，燃燒產物只有水。然而，如何高效、低成本的制氫，是當前面臨的重大科學問題，目前尚沒有經濟、有效的解決方案。利用太陽能催化光解水製取氫氣，將太陽能轉化為可儲存和運輸的氫能或許是最理想的方式，但目前光催化體系產氫效率低，副反應多，迴圈效能差，應用前景還在觀望。有鑑於此，日本信州大學和東京大學Kazunari Domen教授利用鋁摻雜鈦酸鍶光催化劑，透過選擇性引入助催化劑Rh/Cr2O3和CoOOH來分別促進析氫反應和析氧反應，將光催化全解水的外量子效率 （external quantum efficiency，EQE） 提高至96%（波長350-360 nm）。這一創紀錄的高效率意味著在350-360 nm波段光照下，催化劑吸收的光子幾乎全部用於分解水，沒有能量損失，也不會發生不希望的副反應。這項工作也證明了透過對催化劑的合理設計可以最大限度的消除能量損失，將EQE提高至96%甚至未來的100%。這也為提高可見光下催化劑的量子效率提供了新的研究思路，為未來光解水制氫的實際應用帶來了希望。

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https://www.nature.com/articles/s41586-020-2278-9

7. 新型光催化劑：吖啶自由基還原劑的發現和表徵

光誘導電子轉移（photoinduced electron transfer, PET）是一種化學物質吸收光併為電子轉移反應提供能量驅動力的現象，它透過對光的吸收實現電子轉移反應。近年來，越來越多的研究開始利用PET進行光催化活動以產生有機自由基物種，應用在各種自由基反應中，比如天然產物合成，光伏材料和光敏感材料等。然而，由於有機自由基激發態的壽命非常短，目前還鮮有研究報道關於有機自由基作為激發態的給體/受體而參與到PET反應中。有鑑於此，北卡羅來納大學教堂山分校的David A. Nicewicz團隊報道了一種最大激發態氧化電勢可達−3.36V的中性吖啶（acridine）自由基。譜學、計算和化學研究顯示，這一彎曲分子間電荷轉移物種展現出群體性的高能雙重激發態，同時研究人員也觀察到了可觀的光還原行為。研究還進一步證明，這一PET催化劑不僅能夠參與並實現多種需要鹼金屬還原劑的化學反應，還能在通常需要溶解性金屬還原劑的有機轉變過程中發揮作用，如在滷代芳烴、對苯磺醯基胺還原為C(sp2)-H、N-H鍵的反應中顯示了較好的反應活性。該自由基還原劑的發現可能會促使科學家研究其他分子是否以相似的方式起作用，以及對在還原系統中使用光催化方法產生新的興趣。

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https://www.nature.com/articles/s41586-020-2131-1

Science

1. 可見光催化低碳鏈烷烴C(sp3)–H鍵活化

有機合成中最具挑戰性的反應之一是對C(sp3)–H鍵的選擇性官能團化，特別是在無導基團的協助下更是尤其困難。氣態烴由於其固有惰性，通常需要苛刻的反應條件才能裂解C(sp3)–H鍵。在過去的幾十年中，將氣態烷烴轉化為高附加值化學品一直是合成界的主要目標，但迄今為止還是較為困難。主要有兩點原因：

（i）氣態烷烴的BDE值較高，使其活化極具挑戰性；

（ii）這些烷烴的氣態性質使其與其他媒介接觸帶來了技術挑戰。

有鑑於此，荷蘭埃因霍芬理工大學的Timothy Noël教授等研究者發展了一個通用且溫和的策略活化氣態烷烴。該方法無需預官能團化，在流動反應條件和室溫下使用十鎢酸四丁基銨（tetrabutylammonium decatungstate, TBADT）為光催化劑，透過氫原子轉移（HAT）來活化低碳烷烴（甲烷、乙烷、丙烷和異丁烷）的C(sp3)–H鍵，雖然利用鎢酸鹽作為HAT試劑活化液態烷烴已有報道，但是作者利用流動化學巧妙的實現壓強下氣態烷烴的活化，這種基於光化學連續流動方法的溫和條件，其安全功能性以及可擴充套件性證明了在使用氣態原料化學物質進行C-H功能化應用的可能性，具有重要應用。同時，基於原料資源豐富，反應簡化環保等優點，這項轉化的開發凸顯了可持續發展意義和未來工業化應用的價值。

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https://science.sciencemag.org/content/369/6499/92

2. 可見光催化的以氨基烷基自由基為HAT試劑實現滷代化合物活化

相比於熱反應中使用的催化劑，光氧化還原催化劑通常僅在激發狀態下具有催化活性，透過與底物分子發生單電子轉移（SET）實現催化過程。可見光引發的光反應無需使用紫外光等高能量光源，僅在可見光照射的溫和條件下便可形成自由基物種，更好地避免其他副產物形成。有鑑於此，英國曼徹斯特大學的Fabio Juliá教授與DanieleLeonori教授合作，發現了α-氨基烷基自由基可以作為全新的自由基引發體系，他們發現α-氨基烷基自由基可有效攫取鹵代烴中的鹵素原子，形成碳自由基活性物種，進而設計一系列光氧化還原催化反應。作者展示了這種光氧化還原催化體系在多種反應體系中的應用，分別考察了滷代烷烴的脫滷/氘代反應、滷代烷烴及芳香烴與貧電子烯烴的Giese型氫烷基化/芳基化、滷代烷烴及芳香烴的烯丙基化，均實現了成功轉化，這些反應也都具有良好的底物適用性和官能團相容性。由此可見，α-氨基烷基自由基作為全新的自由基引發體系，在溫和的反應條件下可以實現一系列C(sp3)-C(sp3)、C(sp3)-C(sp2)、C(sp2)-C(sp2)鍵的構建，有望替代有毒有害的試劑、矽試劑或三烷基硼烷等HAT試劑，在合成上具有重要的應用潛力。

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https://science.sciencemag.org/content/367/6481/1021

3. 可見光氧化還原催化促進β-取代酮消旋化

立體化學（靜態立體化學和動態立體化學）的一個重要分支是手性分子的研究，涵蓋了有機的，無機的，生物的，物理的，尤其是超分子的化學的整個領域，在天然產物、生物化學、藥物化學等發揮著重要的作用。目前，動態動力學拆分目前僅限於含有傳統上可誘導的動態立體中心的底物，而通常有機化學中的大多數立體中心則是靜態的，因此存在一定的侷限性。有鑑於此，美國普林斯頓大學的David W. C. MacMillan教授和Todd K. Hyster教授透過合作報道了新的催化方法可以將傳統的靜態立體中心在溫和的條件下轉化為動態，他們利用可見光氧化還原催化策略，使傳統的靜態、非活性立體中心（β-取代酮）透過前手性自由基物種的介導實現了消旋化的控制。進一步將這種方案與生物催化劑（如酮還原酶和轉氨酶）結合，可以實現外消旋β-取代酮的動態動力學拆分，得到單一立體構型的γ-取代醇（胺）。這種利用可見光催化與後期生物催化劑結合的先進的消旋化平臺將繼續推動靜態和動態立體中心研究的發展，也為開發其他立體匯聚過程奠定了基礎。

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https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1113

4. 可見光催化促進的新技術對免疫細胞微環境進行成像

許多疾病的病理可以透過闡明區域性的生物分子網路或微環境來解釋，為此，鄰近酶促標記平臺（enzymatic proximity labeling platform）被廣泛應用於揭示亞細胞結構中更廣泛的空間關係，同時，這也需要高精度對映微環境的技術。有鑑於此，美國普林斯頓大學David W. C. MacMillan和默克公司Rob C. Oslund合作報道了一個微環境繪譜平臺，利用可見光催化生成碳烯進而選擇性識別細胞膜上的蛋白質相互作用（MicroMap(μMap)。透過使用光催化劑-抗體偶聯物在空間上定位碳烯生成，實現了抗體結合靶標及其鄰近微環境蛋白的選擇性標記。這種光觸發標記技術可以提高對映的空間解析度。他們還透過該技術鑑定了活淋巴細胞中程式性死亡配體微環境的組成蛋白，並在免疫突觸連線中選擇性標記。因此，這是一個在癌症免疫治療中很有價值的系統，具有潛在的實用性。

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https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1091

5. 可見光促進的鈀催化羰基偶聯反應

偶聯反應是現代有機化學中重要的工具，催化迴圈中的氧化加成過程切斷化學鍵過程和還原消除形成化學鍵的步驟有一定矛盾（氧化加成速率提高抑制還原消除），有鑑於此，McGill大學Bruce A. Arndtsen等開發了透過可見光催化激發方法，透過同時降低氧化加成和還原消除過程中的活化能，緩解了這種矛盾過程。透過光激發Pd催化劑，在低勢壘下驅動了氧化加成和還原消除，解決了室溫條件實現對惰性底物的羰基化反應。溫和條件中實現羰基化反應，擴充套件了反應底物範圍，以一種通用的方式實現了具有挑戰性的芳基或烷基鹵化物和親核試劑發生羰基化反應，生成高附加值的醯氯、酯、醯胺或酮等羰基衍生物。該工作體現了光催化劑和熱催化不同的特點。目前光催化主要的應用在於嘗試透過光化學方法替換熱化學反應，對多種有氧化還原反應的熱催化反應轉變為單電子過程進行，但是很少有研究能體現出光催化和熱催化的反應性區別，這個研究提供了展現光催化方法對反應深度調控進行對反應性的可能性，對實現與熱催化有區別的光化學反應有廣泛意義。

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https://science.sciencemag.org/content/368/6488/318

6. 模擬葉綠體中光能驅動的CO2固定

人工光合作用(Artificial Photosynthesis)可以模仿植物光合作用，實現對太陽能的轉化、儲存和利用。作為產生光合作用的細胞區室，葉綠體可能是地球上最重要的能量源。人工重建和控制光合作用過程具有重要研究意義，這將意味著有能力生產出清潔能源，以及其他僅靠光和二氧化碳就能產生的產品。有鑑於此，馬克斯·普朗克陸地微生物研究所Tobias Erb小組將微流控技術與菠菜植物的天然光合膜結合起來，開發出了“合成葉綠體”，它能夠模仿複雜的和栩栩如生的光合過程。所構建出的人造葉綠體可以用光來捕捉和轉化溫室氣體二氧化碳。這些人造葉綠體利用光，透過以往未被發現的自然途徑來驅動二氧化碳的固定。該方法可用於從環境中捕獲二氧化碳並將其轉化為有用的分子——例如燃料和藥物，更重要的是，它使碳迴圈的整合向前邁進了重要的一步。該進展顯示了合成生物學的重大進步，意義深遠。

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https://science.sciencemag.org/content/368/6491/649

7. 可見光誘導的烯烴順反異構化反應

光誘導的烯烴順反異構化反應已早有報道，但是此類反應往往因效率問題而被侷限於簡單的苯乙烯類烯烴的異構化，從而限制了他們在有機合成中的應用。有鑑於此，德國明斯特大學的Ryan Gilmour教授課題組發展一種不受苯乙烯基團限制的方法，從而很大程度上擴充套件了光碟機動烯烴異構化在合成上的應用。他們成功報道了光誘導的β-位硼酸酯取代丙烯酸衍生物的異構化反應。該反應克服了傳統光碟機動烯烴異構化反應的結構限制，將苯乙烯類底物擴充套件到應用非常廣泛的烯基硼酸酯，反應的選擇性來源於順反兩個異構體中硼原子p軌道的不同成鍵環境。更重要的是，該反應的原料可以透過炔烴的硼氫化反應快速得到，反應條件簡單、操作簡便，普適性高，預計在有機合成裡將會發揮重要應用。

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https://science.sciencemag.org/content/369/6501/302

透過以上例項可以發現，光催化具有重要的研究意義，已經是當前催化領域的熱點領域之一，在Nature，Science兩大頂級期刊中有關光催化論文不在少數，希望此總結可以給讀者帶來新的靈感，激發新的研究興趣，促進光催化的進一步發展。