近日，我院兰亚乾教授团队在光催化领域取得了重要研究进展，相关成果在《Nature Communications》上发表，题目为“Photocatalytic aerobic oxidation of C(sp³)-H bonds”。我校是该研究论文的第一完成单位，我院青年英才博士后张雷和李润寒为论文第一作者，兰亚乾教授和青年英才博士后李晓鑫为该论文通讯作者。该研究受到了国家重点研发项目和杰出青年基金项目的支持。

以O₂直接氧化碳氢化合物特别是C(sp³)-H化合物实现增值转化（合成药物、精细化工品等）具有非常广泛的应用。但在现代工业中，这类反应往往需要高温高压的苛刻条件，这不仅对设备要求高，能量损失大，而且存在许多安全问题。为了有效地实现这一过程，开发常温常压下的光驱动催化系统具有重要意义。在理想的光催化体系中，C(sp³)-H键的需氧氧化需要催化剂的光生电子和空穴分别完成O₂和C(sp³)-H键的活化，进而完成整个氧化反应。这意味着光催化剂应同时具有O₂和C(sp³)-H键活化的活性中心且两个活性位点之前距离合适，以促进光生电荷的分离和反应中间体的快速传质。近年来异质结由于可以快速分离光生电子和空穴而受到关注。然而，它们的活性组分接触面积有限，活性位点分布不均匀，不仅限制了光催化剂性能的进一步提高，也给在分子水平上研究明确的构效关系带来了困难。因此，设计和开发结构明确的异基元分子结光催化剂来实现温和条件下C(sp³)-H键的需氧氧化反应具有重要的意义。

基于此，兰亚乾教授团队设计并构建了三例异基元分子结光催化剂（CeBTTD-A，B，N）。得益于分子结结构中异基元之间强烈的π-π相互作用，所构建的光催化剂CeBTTD-A可以在光照下进行快速的光生电荷迁移及O₂和C(sp³)-H键活化，从而达到甲苯和乙苯及衍生物的高效转化。特别是在以空气为反应气氛下，CeBTTD-A为催化剂时可以完成无溶剂的10克级乙苯氧化反应（861 mmol g cat⁻¹），表现出比目前报道的其他光驱动或热驱动催化体系更好的性能。除C(sp³)-H键氧化反应外，CeBTTD-A还可应用于其他三种需氧反应（苯甲醇氧化、苄胺氧化偶联和苯甲硫醚的氧化反应），同样表现出优异的反应活性。更重要的是所有这些需氧反应都可以在自然光和空气下完成，揭示了其商业化应用前景。异基元分子结光催化剂的提出将为开发下一代环境友好、原子经济的光催化剂提供灵感。

论文连接：https://www.nature.com/articles/S41467-024-44833-Y