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研究背景

光還原催化是現代合成化學中一項重要的技術，因其在合成復雜分子和藥物相關骨架等領域的廣泛應用而備受關注。與傳統的化學反應相比，光還原催化通過使用光催化劑激發反應物，能夠高效生成活性中間體，進而實現一系列新穎的轉化反應。然而，現有的光還原催化技術也面臨著一些挑戰，主要體現在反應效率、批量可擴展性以及材料滲透性等方面。特別是在大規模反應中，光的穿透性有限，導致了反應效率的下降，同時，反應中間體的光吸收特性可能導致催化劑的提前失活，從而影響反應的可控性和高效性。

成果簡介

為了解決這一問題，哥倫比亞大學（Columbia University）David C. Cabanero & Tomislav Rovis兩個人在Nature Reviews Chemistry期刊上發表了題為“Low-energy photoredox catalysis”的最新綜述論文。該研究綜述了紅光光還原催化的最新發展，提出了一種通過使用低能量光吸收催化劑來解決現有問題的新方法。與傳統的藍光光還原催化相比，紅光光具有更高的穿透力，使其在聚合物科學和生物化學領域中具有更大的應用潛力。研究者們通過調節催化劑的結構，成功實現了紅光催化劑的設計，利用紅光激發催化劑，成功提高了反應的可擴展性和效率，克服了傳統藍光催化中的一些瓶頸。

利用紅光光還原催化，研究團隊取得了顯著的性能提升，并成功實現了在不同介質中的反應，包括在組織內的反應。這一突破為有機化學、聚合物科學以及化學生物學等領域的應用開辟了新的技術路徑，尤其是在需要較深穿透的生物體或復雜材料中的應用。通過這項技術，研究者們成功展示了紅光光還原催化的優勢，為未來的催化方法發展提供了重要的理論依據和技術支持。

研究亮點

1. 實驗綜述了光還原催化的最新進展，探討了低能光吸收催化劑及其光化學方法的開發；

通過使用低能光吸收催化劑，研究者有效減少了激發態物種在反應混合物中的非周期性光化學反應，提高了光化學反應的批量可擴展性。新型催化劑的引入有助于在紅光條件下進行光還原催化，改善了反應效率，避免了常見的藍光光催化反應中光照過強造成的副反應，拓寬了反應的應用范圍。

2. 實驗通過紅光光還原催化，解決了傳統光催化的能量不足問題；

傳統的藍光光催化雖然有效，但光能較高，容易激活反應中間體，從而導致反應失控。研究通過紅光（>600 nm）光照，成功提高了光在各類介質中的穿透深度，減少了不必要的光激活，尤其在聚合物科學和生物醫學應用中展現出更好的兼容性。

3. 實驗通過上轉換技術擴展了低能光催化的應用范圍；

上轉換技術的引入使得即使在能量限制的情況下，也能通過橙光或雙光子方法有效推動光催化反應。這一技術突破為推動有機轉化反應提供了新的可能，使得低能光催化能夠更廣泛地應用于化學轉化過程中，推動了綠色化學和可持續發展的進程。

4. 實驗展現了紅光光還原催化在合成化學、聚合物科學及化學生物學中的應用潛力；

紅光光催化不僅在學術研究中取得了重要進展，而且在工業化應用中也顯示出其可行性，尤其在組織兼容性和反應選擇性方面展現了巨大潛力。這為將來在生物醫學、藥物開發等領域的應用開辟了新的方向，提供了強有力的催化方法。

圖文解讀

圖1: 吸收紅光的光催化劑，實現光氧化還原催化解釋和實例。

圖2: 紅光有機光氧化還原催化。

圖3: 基于主族和基于過渡金屬的紅光光氧化還原催化劑。

圖4: 更高能量的光氧化還原催化。

圖5 紅光光氧化還原催化，在高分子化學中的應用。

圖6:紅光催化，在生物學中的應用。

結論展望

本文探討了紅光光還原催化在合成化學中的廣泛應用及其潛力，為催化研究領域提供了重要的科學啟迪。

首先，紅光光還原催化相比傳統的藍光方法，具有更強的介質穿透力，能夠有效克服光化學反應中的批量可擴展性和材料滲透性問題。這一特性使其在聚合物科學、化學生物學和醫學等領域展現出巨大的應用前景。

其次，文章提出了通過改變催化劑設計和采用雙光子方法等策略，有望突破低能光催化的能量限制，進一步擴展紅光光催化的應用范圍。這一思路不僅推動了新型化學轉化的研究，還為實現波長依賴的選擇性反應提供了新的視角。

最后，隨著刺激控制催化方法的發展，有機化學的應用將更加多樣化和精準，催化劑的選擇和光譜調控將成為提升反應效率和選擇性的重要手段。

總的來說，紅光光催化的研究不僅為化學合成方法帶來了創新，也為相關跨學科領域的發展提供了理論支持和實踐依據。

文獻信息

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

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