摘要
光催化是利用光进行热力学上不利的催化反应。虽然光催化已经成为促进化学转化的有力工具，但这些过程的光能效率并没有引起太多的关注。Exergonic光催化不能充分利用输入的光能，产生低能量的产物和热，而ergonic光催化将一部分光子能量纳入反应，产生比反应物更高的自由能的产物。这样的过程可以催化，原子经济的合成反应性化合物从实验稳定的材料。在环境友好和碳中和方面，能离子光催化在大规模工业制造中也很有意义，因为在大规模工业制造中，人们高度追求更好的能源效率、更少的浪费和附加值。因此，我们在这里评估了几类已报道的光催化转化的热化学，以展示当前在endergonic光催化方面的进展，并指出它们的工业潜力。
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参考文献
有机光化学的起源。Angew。化学。Int。艾德,心血管病。28， 1193-1207(1989)。
光催化与光合作用:太阳能转换和化学转换装置的敏感性分析。ACS Energy Lett。2， 445-453(2017)。
分子机器的光学与化学驱动。法拉第讨论。195， 583-597(2016)。
Kathan, M. & Hecht, S.光转换分子是驱动系统远离全球热力学最小值的关键成分。化学。Soc。牧师。46， 5536-5550(2017)。
Kathan, M.等。光驱动分子陷阱使动态共价体系的双向操纵成为可能。Nat,化学。10， 1031-1036(2018)。
申宁勇，李建明，张晓霞，张晓明，张晓明。激发态电子转移对光驱动脱乙酰化的影响。科学366， 364-369(2019)。
Hölzl-Hobmeier, A.等。可见光敏化激发催化手性等位基因去乙酰化。自然564， 240-244(2018)。
Plaza, M.， Großkopf, J.， Breitenlechner, S.， Bannwarth, C. & Bach, T.三元能量转移对子烯酰胺的光化学脱乙酰化:综合合成和理论研究。j。化学。Soc。143， 11209-11217(2021)。
张，C.等。由光氧化还原脱质子化和对映选择性质子化引起的酮的催化α -去乙酰化。j。化学。Soc。143， 13393-13400(2021)。
黄敏，张磊，潘涛，罗生。光化学脱乙酰化E/Z搪瓷的异构化。科学375， 869-874(2022)。
Großkopf, J.等。光化学去乙酰化sp3.-通过可逆的氢原子转移杂化碳中心。j。化学。Soc。143， 21241-21245(2021)。
王毅，Carder, H. M. & Wendlandt, A. E.通过位点选择性外聚反应合成稀有糖异构体。自然578， 403-408(2020)。
张哲，胡晓霞。可见光催化二次醇脱乙酰化反应。Angew。化学。Int。艾德。60， 22833-22838(2021)。
辛格，K，斯塔格，S. J.和韦弗，J. D.法希尔合成Z-烯烃通过上坡催化。j。化学。Soc。136， 5275-5278(2014)。
辛，A，芬内尔，C. J.和韦弗，J. D.光催化剂尺寸控制电子和能量转移:选择性E/Z异构体的合成通过氟alkenylation。化学。科学。7， 6796-6802(2016)。
梅特涅，J. B.和吉尔摩，R.生物启发，催化E→Z活化烯烃的异构化。j。化学。Soc。137， 1154 - 11257(2015)。
莫洛伊，J. J. J. J. J.，梅特涅，J. B.， Daniliuc, C. G.，沃森，A. J. B. & Gilmour, B.反热力学光催化E→Z苯乙烯基硼异构化:促进二维化学空间探索的载体。Angew。化学。Int。艾德。57， 3168-3172(2018)。
莫洛伊，J. J.等。选择性能量转移催化硼催化烯烃的几何异构化。科学369， 302-306(2020)。
Neveselý， T.， Wienhold, M.， Molloy, J. J. & Gilmour, R.E→Z小分子光催化剂烯烃异构化研究。化学。牧师。122， 2650-2694(2022)。
Brégent, T.，布永，j.p。铜光催化极化烯烃的反热力学异构化。Org。列托人。22， 7688-7693(2020)。
田娥，王海华，弗莱，N. L. & Knowles, R. R.催化C-C键裂解反应的氧化还原策略及其应用。j。化学。Soc。141， 1457-1462(2019)。
王宏刚，王宏宏，塔伦蒂诺，K. T.， Orbe, H. S. & Knowles, R. R. pet激活强O-H键催化环醇开环。j。化学。Soc。138， 10794-10797(2016)。
特罗斯特，B. M. &利文斯顿，R. C.丙炔醇氧化还原异构化成烯醛和烯酮的双金属催化剂体系。j。化学。Soc。117， 9586-9587(1995)。
李，H. &马泽特，C.铱催化的烯丙醇选择性异构化。Acc。化学。Res。49， 1232-1241(2016)。
克罗斯利，S. W. M.， Barabé， F. & Shenvi, R. A.简单，化学选择性，催化烯烃异构化。j。化学。Soc。136， 16788-16791(2014)。
莫洛伊，莫拉克，莫拉克。烯烃的位置和几何异构化:原子经济的巅峰。Angew。化学。Int。艾德。58， 13654-13664(2019)。
赵凯，李国强，李国强。烯烃的位置异构化反应。j。化学。Soc。144， 137-144(2022)。
奥恰利尼，G.，帕拉尼，V. &温兰德，A. E.催化，反-热力学位置烯烃异构化。j。化学。Soc。144， 145-152(2022)。
Morack, T.， Onneken, C.， Nakakohara, H.， Mück-Lichtenfeld, C. & Gilmour, R.通过解序异构化对映外扩戊烯化。ACS Catal。11， 11929-11937(2021)。
朱敏，郑超，张欣，尤世林。可见光促进吲哚衍生物分子内脱芳合成环丁烷熔融角四环旋环吲哚。j。化学。Soc。141， 2636-2644(2019)。
朱敏，张旭，郑超，尤顺林。可见光诱导[2+2]环加成或1,5-氢原子转移脱芳:瞬态二元自由基的发散反应途径。ACS Catal。10， 12618-12626(2020)。
朱,M,徐、H。,X。,郑,c &你,S.-L。可见光诱导芳烃分子内双除芳环加成反应。Angew。化学。Int。艾德。60， 7036-7040(2021)。
Ma, J.等。能量转移催化的分子内[4+2]环加成法直接脱芳。化学5， 2854-2864(2019)。
Ma, J.等。双环氮芳烃与烯烃的光化学分子间除芳环加成。科学371， 1338-1345(2021)。
Filippo, m.d, Trujillo, C, Sánchez-Sanz, G.， Batsanov, a.s. & Baumann, M.通过基于流的异构烯烃拦截发现光化学级联过程。化学。科学。12， 9895-9901(2021)。
张哲，等。通过能量转移光催化吲哚衍生物分子内[2 + 2]环加成:一种后期骨架转化的方法。ACS Catal。10， 10149-10156(2020)。
Park, Y.等。可见光能催化氢分子形成弱化学键。Nat,化学。13， 969-976(2021)。
查特吉，A. & König, B.桦木型光还原芳烃和异芳烃的敏化电子转移。Angew。化学。Int。艾德。58， 14289-14294(2019)。
科尔，J. P.等人。可见光驱动下的有机催化桦木还原。j。化学。Soc。142， 13573-13581(2020)。
Joshi d.k, Sutton, j.w, Carver, S. & Blanchard, j.p.利用锂金属和液态氨溶解金属还原的商业生产规模操作经验。Org。的过程。研究开发。9， 997-1002(2005)。
彼得斯，b.k.等。受锂离子电池化学启发，可扩展和安全的合成有机电还原。科学363， 838-845(2019)。
波普拉塔，S, Tröster, A，邹，y - q。王晓明，王晓明，王晓明，等。烯烃[2+2]光环加成反应合成环丁烷的研究进展。化学。牧师。116， 9748-9815(2016)。
[2+2]光化学环加成在有机合成中的应用。欧元。j . Org。化学。2020， 1310-1326(2020)。
Sicignano, M.， Rodríguez, R. I. & Alemán, J.[2+2]和[4+2]光环添加中的可见光和无金属策略。欧元。j . Org。化学。2021， 3303-3321(2021)。
黄，等。直接可见光激发不对称Lewis酸催化分子间[2+2]光环加成。j。化学。Soc。139， 9120-9123(2017)。
荣格，H.等。理解由Rh和Ir光催化剂介导的直接可见光激活[2+2]环加成的机制:结合计算和光谱研究。化学。科学。12， 9673-9681(2021)。
郑俊，董晓霞，尹铁平。α-酮酯在三重致敏和光氧化还原条件下的发散光催化反应。Org。列托人。22， 6520-6525(2020)。
默里，p.r.d.等。可见光三联体光敏作用促进分子间交叉[2+2]环加成:多取代的2-氧杂螺[3.3]庚烷的权宜途径。j。化学。Soc。143， 4055-4063(2021)。
辛格，K.， Trinh, W.和韦弗，J. D.可见光光催化驱动的难以捉摸的热[2+2]环加成:利用应变进入C二对称三环。Org。Biomol。化学。17(2019)。
黄德华，黄德华，黄德华，等。碱金属协同催化小分子无受体脱氢反应。Commun Nat。6， 10093(2015)。
周,蔡明俊。，Zhang, L., Liu, G., Xu, C. & Huang, Z. Site-selective acceptorless dehydrogenation of aliphatics enabled by organophotoredox/cobalt dual catalysis.j。化学。Soc。143， 16470-16485(2021)。
Fuse, H.， Kojima, M.， Mitsunuma, H. & Kanai, M.无贵金属杂化催化剂体系对烃类无受体脱氢。Org。列托人。20.， 2042-2045(2018)。
熔断，H.， Mitsunuma, H. & Kanai, M.脂肪醇催化无受体脱氢反应。j。化学。Soc。142， 4493-4499(2020)。
Cheng, E.等。块状和负载型硫化钼催化剂上的异丁烷脱氢。印第安纳州,Eng。化学。Res。59， 1113-1122(2020)。
李春，王国强。轻烷烃脱氢制单烯烃的研究。化学。Soc。牧师。50， 4359-4381(2021)。
烯烃生产工业过程的概述- C4碳氢化合物。ChemBioEng牧师。1， 136-147(2014)。
向，M.等。无氧化光氧化还原催化C-H键的活化:等色体和β-酮酯的交叉偶联析氢转化。化学。欧元。J。21， 18080-18084(2015)。
郑,Y.-W。et al。光催化析氢交叉偶联:苯C-H胺化和羟化。j。化学。Soc。138， 10080-10083(2016)。
郑,Y.-W。et al。苯C-H醚化的光催化析氢交叉偶联反应。Org。列托人。19， 2206-2209(2017)。
张，G.等。可见光诱导无氧化剂氧化交叉偶联从烯烃和亚砜酸合成烯丙基砜。化学。Commun。52， 10407-10410(2016)。
张，G.等。反马氏氧化β-烷基苯乙烯与H2O是末端氧化剂。j。化学。Soc。138， 12037-12040(2016)。
Yi, H.等。无外部氧化剂烯烃与醇或唑的光催化脱氢交叉偶联反应。Angew。化学。Int。艾德。56， 1120-1124(2017)。
McManus, J. B, Griffin, J. D. White, A. R. & Nicewicz, D. A.双有机光氧化还原和钴催化的均苯氧合。j。化学。Soc。142， 10325-10330(2020)。
川崎，T.，石田，N.和村上，M.苯和醛C-H键的脱氢偶联。j。化学。Soc。142， 3366-3370(2020)。
曹，H.等。芳烃与烷烃的光诱导位点选择性烯烃化反应。Commun Nat。11， 1956(2020)。
增田，Y.，石田，N.和村上，M.光驱动羧化o-烷基苯酮与CO2．j。化学。Soc。137， 14063-14066(2015)。
石田，N.， Masuda, Y.， Uemoto, S. & Murakami, M.烯烃烯丙基C-H键羧化的轻/酮/铜体系2．化学。欧元。J。22， 6524-6527(2016)。
石田，N.，增田，Y.， Imamura, Y.，山崎，K. &村上，M.苯基和脂肪族C-H键与CO的羧化2由光/酮/镍诱导。j。化学。Soc。141， 19611-19615(2019)。
徐，H.，凯彻，M. H.和贾米森，T. F.二氧化碳在连续流中合成氨基酸的光氧化还原活化。Nat,化学。9， 453-456(2017)。
孟,徐瑞秋，Schirmer, T. E., Berger, A. L., Donabauer, K. & König, B. Photocarboxylation of benzylic C–H bonds.j。化学。Soc。141， 11393-11397(2019)。
萨弗，P. J.， Bissonnette, N. B. & Macmillan, D. W. C. decatungstates催化C(sp3.) -H亚砜化:快速获得多种有机硫功能。j。化学。Soc。143， 9737-9743(2021)。
布朗纳，S. M. &格拉布斯，R. H.末端烯烃的正式反马氏氢胺化反应。化学。科学。5， 101-106(2014)。
黄，L.， Arndt, M.， Gooßen, K.， Heydt, H. & Gooßen, L. J.晚期过渡金属催化的氢胺化和氢胺化。化学。牧师。115， 2596-2697(2015)。
朱庆林，朱庆林，朱庆林，朱庆林，李志强，李志强。非活性烯烃与磺胺类化合物分子间抗马氏氢胺化反应的研究。j。化学。Soc。140， 741-747(2018)。
米勒，d.c.等。未活化烯烃与伯烷基胺的反马氏氢胺化反应。j。化学。Soc。141， 16590-16594(2019)。
Chinn, A. J.， Sedillo, K. & Doyle, A. G.磷化氢/光氧化还原催化烯烃与初级磺胺的抗markovnikov氢胺化，通过磷酰自由基的α分裂。j。化学。Soc。143， 18331-18338(2021)。
Musacchio, A. J.等。未活化烯烃与仲烷基胺的分子间氢胺催化反应。科学355， 727-730(2017)。
Park S.， Jeong J.， Fujita K.， Yamamoto A. & Yoshida, H.负载金属的氧化钛光催化剂对烯烃与水氨的抗markovnikov氢胺化反应。j。化学。Soc。142， 12708-12714(2020)。
Iwamoto, T.， Hosokawa, A. & Nakamura, M. Endergonic加法N-甲胺向芳香酮驱动的光化学抵消了熵代价。化学。Commun。55， 11683-11686(2019)。
巴德，a.j. &福克斯，m.a.人工光合作用:太阳把水分解成氢和氧。Acc。化学。Res。28， 141-145(1995)。
斯特伦克(编)多相光催化:从基本原理到在能量转换和净化中的应用(威利,2021)。
蔡，T.等。二氧化碳无细胞化学酶法合成淀粉。科学373， 1523-1527(2021)。
帕蒂尔，B. S.等。固氮作用。在乌尔曼工业化学百科全书(威利,2017)。
福斯特，s.l.等。氮还原成氨的催化剂。Catal Nat。1， 490-500(2018)。
Tanabe, Y. & Nishibayashi, Y.对环境或温和条件下分子催化剂辅助合成固氮的全面见解。化学。Soc。牧师。50， 5201-5242(2021)。
栗山，S. & Nishibayashi, Y.使用与固氮酶无关的过渡金属配合物催化固氮的发展。四面体83， 131986(2021)。
黄，R.等。光催化固氮研究进展:从活性位点到氨定量方法。RSC睡觉。11， 14844-14861(2021)。
金，松，F.和Chirik . P. J.超越氨:氮元素键形成反应与协调的二氮。化学。牧师。120， 5637-5681(2020)。
Sovacool, B. K, Griffiths, S.， Kim, J. & Bazilian, M.气候变化和工业f -气体:减少合成温室气体排放的发展、社会技术系统和政策选择的关键和系统回顾。更新。Sust。Energ。牧师。141， 110759(2021)。
弗里施，M. J.等。高斯16修订版C.01(高斯，公司，2019)。
帕尔荣，杨伟。原子和分子的密度泛函理论“，(牛津大学出版社，1989年)。
柴，J. D. & Head-Gordon, M.与阻尼原子-原子色散校正的远程校正杂化密度泛函。理论物理。化学。化学。理论物理。10， 6615-6620(2008)。
分子计算的收缩高斯基集。I.第二行原子，Z= 11到18门。j .化学。理论物理。72， 5639-5648(1980)。
Blaudeau, j。，McGrath, M. P., Curtiss, L. A. & Radom, L. Extension of Gaussian-2 (G2) theory to molecules containing third-row atoms K and Ca.j .化学。理论物理。107， 5016-5021(1997)。
含第三排原子的分子波函数的高斯基集。j .化学。理论物理。52， 1033-1036(1970)。
分子计算的高斯基集。3的表示d过渡金属原子的轨道。j .化学。理论物理。66， 4377-4384(1977)。
Raghavachari, K. & Trucks, G. W.高度相关系统。第一排过渡金属Sc-Cu的激发能。j .化学。理论物理。91， 1062-1065(1989)。
宾宁，R. C. & Curtiss, L. A.第三行原子的紧凑收缩基集:Ga-Kr。J.化学。11， 1206-1216(1990)。
McGrath, M. P. & Radom . L.高斯-1 (G1)理论对含溴分子的扩展。j .化学。理论物理。94， 511-516(1991)。
Curtiss, l.a.等。将高斯-2理论推广到含有第三排原子Ga-Kr的分子。j .化学。理论物理。103， 6104-6113(1995)。
克拉克，T.钱德拉塞卡，J.，斯皮兹纳格尔，G. W.和Schleyer, P. V. R.阴离子计算的有效扩散函数增强基集。3第一行元素的3-21+G基集，Li-F。J.化学。4， 294-301(1983)。
傅瑞希，波波利，宾克利，自洽分子轨道方法25。高斯基集的补充函数。j .化学。理论物理。80， 3265-3269(1984)。
Wiberg, K. B. C7-C10环烷烃的再认识。j . Org。化学。68， 9322-9329(2003)。
Neuenschwander, U. & Hermans, I.环辛素的构象:环氧化化学的后果。j . Org。化学。76， 10236-10240(2011)。
史密森，T. L.，易卜拉欣，N.和Wieser, H.亚甲基环己烯:来自远红外光谱的反演障碍。可以。j .化学。61， 442-453(1983)。
利马，c.f.r.a.c.等。芳族相互作用在苯酮结构和能量学中的作用。理论物理。化学。化学。理论物理。12， 11228-11237(2010)。
奈登，M. R. & G. A.完备基集相关能。一、轨道对自然膨胀的渐近收敛。j .化学。理论物理。75， 1843-1862(1981)。
彼得森，G. A.，班尼特，A.，坦斯菲尔德，T. G.， Al-Laham, M. A. &雪莉，W. A.一个完整的基础集模型化学。第一排元素闭壳原子和氢化物的总能量。j .化学。理论物理。89， 2193-2218(1988)。
彼得森，g.a.和Al-Laham, m.a.一个完整的基础集模型化学。2开壳系统和第一行原子的总能量。j .化学。理论物理。94， 6081-6090(1991)。
彼得森，G. A.，坦斯菲尔德，T.和蒙哥马利，J. A. Jr .一个完整的基础集模型化学。3完整的基集-二次构形交互方法族。j .化学。理论物理。94， 6091-6101(1991)。
蒙哥马利，J. A. Jr, Ochterski, J. W. &彼得森，G. A.一个完整的基础集模型化学。四、改进的原子对自然轨道法。j .化学。理论物理。101， 5900-5909(1994)。
蒙哥马利，J. A. Jr和弗里施，M. J.完整的基础集模型化学。VI.使用密度泛函几何和频率。j .化学。理论物理。110， 2822-2827(1999)。
蒙哥马利，J. A. Jr，弗里施，M. J. & Ochterski, J. W.一个完整的基础集模型化学。7采用最小总体定位方法。j .化学。理论物理。112， 6532-6542(2000)。
约翰逊，r.d. IIINIST计算化学比较和基准数据库NIST标准参考数据库编号101，第21版，访问2020年8月;http://cccbdb.nist.gov/．
确认
我们感谢德意志研究基金会(DFG，德国研究基金会;TRR 325-444632635)。H.W.感谢n.y. Shin(普林斯顿大学)关于去乙酰化的讨论。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
所有作者都对手稿的构思和写作过程做出了贡献。H.W.进行了计算研究。
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作者声明没有利益竞争。
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关于本文
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王宏，田永明，王辉。& König, B.能量和原子高效的化学合成与endergonic光催化。Nat Rev化学6， 745-755(2022)。https://doi.org/10.1038/s41570-022-00421-6
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这篇文章被引用
Mn对Ni/SiO2催化剂CO甲烷化的促进作用
反应动力学、机理与催化(2023)
