过渡金属催化的交叉偶联反应是精细化学合成中的重要工具，其中，芳基C(sp2)–(杂)原子偶联反应是探索最多的有机转化反应之一，已成为药物合成领域最常用的偶联反应之一。然而，在很大程度上这些方法仍然取决于各种配体、预催化剂和逐一优化反应条件以达到优异的收率。将过渡金属催化剂与已建立的光催化剂（如金属配合物、有机染料和有机半导体）相结合，成为克服上述许多挑战的一种有价值的方法。然而，迄今为止报道的光催化反应都需要蓝光或高能近紫外光，这导致可扩展性、化学选择性和催化剂失活，同时可见光的低穿透性限制了其工业应用的放大过程。红光或近红外在太阳光中十分丰富，且在各种不同的反应介质中具有较高的穿透性，可以作为有机反应的理想替代光源。然而，由于近红外光的低能量，其发展仍然具有很大的限制。因此，寻找吸收近红外光并参与光反应过程的光催化剂是主要挑战之一。
图1 红光促进非均相丰产金属镍催化C-碳杂原子偶联反应
氮化碳由于其热稳定性和化学稳定性、易于制造并可以通过过滤或离心回收，是一种廉价、环境友好且很有前景的光催化剂的替代品，但它们在红光催化交叉偶联反应中的应用目前很少。针对这一问题，绿色催化与合成团队薛东课题组基于前期的研究基础 (Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 5230; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 21536; ACS Catal. 2022, 12, 15590; ACS Catal. 2024, 14, 4968; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202314355; J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 39, 26936; J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 5851)，与顾泉教授合作发现一种非均相碳化氮(CN-OA-m)可以作为红光催化剂 (图2, 3)，与丰产金属镍催化结合实现高效的C-杂原子偶联反应新体系。这一新体系能够实现C−N、C−O、C−S、C−Se等与11种不同亲核试剂（脂肪胺、芳胺、酰胺、磺酰胺、醇、酚、羧酸、硫酚，硒）的C(sp2)-杂原子的交叉偶联。
图2 光催化C(sp2)-杂原子键交叉偶联的发展
图3 不同光催化剂的结构表征
该方法表现出优异的官能团耐受性，并且能够兼容具有挑战性的的芳基卤化物，底物适用范围广范（与传统的过渡金属催化反应需要设计结构复杂的配体来扩大亲核试剂的使用范围的多样性不同，从而展示了其在药物分子合成中的潜在用途（图4，5）。
图4 部分底物展示
图5 生物活性分子部分底物展示
为了证实反应的实用性，作者分别红光、模拟太阳光和太阳光下合成药物分子丁卡因，产率分别为85%、86%和59%；同时，非均相碳化氮(CN-OA-m)光催化剂很容易从反应混合物中回收并重复使用多次，为此类光催化反应的成键大规模工业应用提供了研究基础(图6)。
图6 合成应用和反应机理研究
为了理解反应过程，作者通过EPR实验证实了非均相CN-OA-m吸收红光后触发的电荷分离过程，产生电子-空穴对。这些电子从导带转移到Ni(II)，通过单电子转移将其还原为Ni(I)物种。同时，有机碱（mDBU）的电子转移到空穴中，完成光催化循环。Ni(I)物种随后与芳基卤化物发生氧化加成反应，形成Ni(III)复合物，该复合物与亲核试剂发生配体交换。生成的物种被有机碱去质子化，形成Ar-Ni(III)-Nu物种，随后发生还原消除反应，释放ArNu偶联产物，并生成Ni(I)物种以启动下一个催化循环。当停止光照时，通过Ni(III)和Ni(I)物种的共还原或有机碱自由基阳离子对Ni(I)的再氧化，形成催化惰性的Ni(II)物种，从而中断反应。持续的光照对于将这些非活性的Ni(II)物种重新转化为活性的Ni(I)物种至关重要，以维持催化循环 (图7)。
图7 可能的反应机理
(A-C) CN-OA-m的XPS光谱，分别展示了C 1s、N 1s和K 2p的谱图，确认了C、N和K元素的存在；(D) 孔径分布图，显示CN-OA-m具有高度发达的多孔网络；(E) PL光谱，显示CN-OA-m具有最弱的PL强度，表明光生载流子复合受到抑制；(F) 光电流响应图，显示CN-OA-m具有最高的光电流，表明其优异的电子-空穴分离和传输能力；(G) EIS谱图，显示CN-OA-m具有最小的半圆半径，表明其较低的界面电荷转移阻抗和更快的电子迁移率；(H) TRPL光谱，显示CN-OA-m具有最长的荧光寿命，表明光生电子-空穴对的复合速率降低；图(I) 为电化学势能图，显示CN-OA-m具有最高的还原电位，表明其可能参与光氧化还原反应；这些表征结果表明，CN-OA-m作为光催化剂在反应中具有优异的性能。
(A) 在不同光源下合成四卡因的反应，包括红光、模拟太阳光和太阳光；(B) CN-OA-m在半均相催化中的回收利用，经过五次循环后，产率仅有轻微下降；(C) 通过电子顺磁共振（EPR）光谱检测到氮空位（g值为2.003），表明红光照射产生了电子；(D) 展示了加入电子或空穴猝灭剂后，红光促进的反应进展显著减缓，证实了光生电荷在光催化偶联反应中的重要作用；(E) 通过EPR光谱检测到Ni(I)物种；(F) 在红光照射下，通过Ni(I)物种催化启动并持续进行的芳基卤化物胺化反应。
该成果近期发表在Nature Communication上，第一作者为宋戈洋副研究员，张薇博士为共同第一作者，通讯作者为顾泉教授和薛东教授。该研究工作得到国家自然科学基金、中央高校基金、陕西省创新团队、陕西省青年基金等项目的支持。同时，感谢实验中心樊娟、孙华明和詹汉英老师在催化剂表征和机理研究方面提供的实验技术支持。
论文信息：
//doi.org/10.1038/s41467-025-61812-z
General method for carbon–heteroatom cross-coupling reactions via semiheterogeneous red-light metallaphotocatalysis
Geyang Song, Wei Zhang, Jiameng Song, Qi Li, Yuyu Feng, Hongyu Liang, Tengfei Kang, Jianyang Dong, Gang Li, Juan Fan, Xue-Peng Zhang, Quan Gu,* Chao Wang and Dong Xue*
Nature Communications 2025, 16, 7045.
供稿：宋戈洋
