研究背景

光还原催化是现代合成化学中一项重要的技术，因其在合成复杂分子和药物相关骨架等领域的广泛应用而备受关注。与传统的化学反应相比，光还原催化通过使用光催化剂激发反应物，能够高效生成活性中间体，进而实现一系列新颖的转化反应。然而，现有的光还原催化技术也面临着一些挑战，主要体现在反应效率、批量可扩展性以及材料渗透性等方面。特别是在大规模反应中，光的穿透性有限，导致了反应效率的下降，同时，反应中间体的光吸收特性可能导致催化剂的提前失活，从而影响反应的可控性和高效性。

成果简介

为了解决这一问题，哥伦比亚大学（Columbia University）David C. Cabanero & Tomislav Rovis两个人在Nature Reviews Chemistry期刊上发表了题为“Low-energy photoredox catalysis”的最新综述论文。该研究综述了红光光还原催化的最新发展，提出了一种通过使用低能量光吸收催化剂来解决现有问题的新方法。与传统的蓝光光还原催化相比，红光光具有更高的穿透力，使其在聚合物科学和生物化学领域中具有更大的应用潜力。研究者们通过调节催化剂的结构，成功实现了红光催化剂的设计，利用红光激发催化剂，成功提高了反应的可扩展性和效率，克服了传统蓝光催化中的一些瓶颈。

利用红光光还原催化，研究团队取得了显著的性能提升，并成功实现了在不同介质中的反应，包括在组织内的反应。这一突破为有机化学、聚合物科学以及化学生物学等领域的应用开辟了新的技术路径，尤其是在需要较深穿透的生物体或复杂材料中的应用。通过这项技术，研究者们成功展示了红光光还原催化的优势，为未来的催化方法发展提供了重要的理论依据和技术支持。

研究亮点

1. 实验综述了光还原催化的最新进展，探讨了低能光吸收催化剂及其光化学方法的开发；

通过使用低能光吸收催化剂，研究者有效减少了激发态物种在反应混合物中的非周期性光化学反应，提高了光化学反应的批量可扩展性。新型催化剂的引入有助于在红光条件下进行光还原催化，改善了反应效率，避免了常见的蓝光光催化反应中光照过强造成的副反应，拓宽了反应的应用范围。

2. 实验通过红光光还原催化，解决了传统光催化的能量不足问题；

传统的蓝光光催化虽然有效，但光能较高，容易激活反应中间体，从而导致反应失控。研究通过红光（>600 nm）光照，成功提高了光在各类介质中的穿透深度，减少了不必要的光激活，尤其在聚合物科学和生物医学应用中展现出更好的兼容性。

3. 实验通过上转换技术扩展了低能光催化的应用范围；

上转换技术的引入使得即使在能量限制的情况下，也能通过橙光或双光子方法有效推动光催化反应。这一技术突破为推动有机转化反应提供了新的可能，使得低能光催化能够更广泛地应用于化学转化过程中，推动了绿色化学和可持续发展的进程。

4. 实验展现了红光光还原催化在合成化学、聚合物科学及化学生物学中的应用潜力；

红光光催化不仅在学术研究中取得了重要进展，而且在工业化应用中也显示出其可行性，尤其在组织兼容性和反应选择性方面展现了巨大潜力。这为将来在生物医学、药物开发等领域的应用开辟了新的方向，提供了强有力的催化方法。

图文解读

图1: 吸收红光的光催化剂，实现光氧化还原催化解释和实例。

图2: 红光有机光氧化还原催化。

图3: 基于主族和基于过渡金属的红光光氧化还原催化剂。

图4: 更高能量的光氧化还原催化。

图5 红光光氧化还原催化，在高分子化学中的应用。

图6:红光催化，在生物学中的应用。

结论展望

本文探讨了红光光还原催化在合成化学中的广泛应用及其潜力，为催化研究领域提供了重要的科学启迪。

首先，红光光还原催化相比传统的蓝光方法，具有更强的介质穿透力，能够有效克服光化学反应中的批量可扩展性和材料渗透性问题。这一特性使其在聚合物科学、化学生物学和医学等领域展现出巨大的应用前景。

其次，文章提出了通过改变催化剂设计和采用双光子方法等策略，有望突破低能光催化的能量限制，进一步扩展红光光催化的应用范围。这一思路不仅推动了新型化学转化的研究，还为实现波长依赖的选择性反应提供了新的视角。

最后，随着刺激控制催化方法的发展，有机化学的应用将更加多样化和精准，催化剂的选择和光谱调控将成为提升反应效率和选择性的重要手段。

总的来说，红光光催化的研究不仅为化学合成方法带来了创新，也为相关跨学科领域的发展提供了理论支持和实践依据。

文献信息

Cabanero, D.C., Rovis, T. Low-energy photoredox catalysis. Nat Rev Chem (2024).