催化学报 ›› 2023, Vol. 46: 157-166.DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64391-8

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一种用于光催化C(sp2)‒H键官能团化通用的非均相钒酸铋催化剂

曾繁林, 朱虎林, 王茹楠, 袁晓亚, 孙凯, 屈凌波, 陈晓岚*(), 於兵*()   

  1. 郑州大学化学学院, 绿色催化中心, 河南郑州 450001
  • 收稿日期:2022-09-14 接受日期:2022-12-14 出版日期:2023-03-18 发布日期:2023-02-21
  • 通讯作者: *电子信箱: chenxl@zzu.edu.cn (陈晓岚),bingyu@zzu.edu.cn (於兵)
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(21971224);国家自然科学基金(22071222);国家自然科学基金(22171249);河南省高校重点科研项目(21A150053);河南省自然科学基金(202300410375)

Bismuth vanadate: A versatile heterogeneous catalyst for photocatalytic functionalization of C(sp2)-H bonds

Fan-Lin Zeng, Hu-Lin Zhu, Ru-Nan Wang, Xiao-Ya Yuan, Kai Sun, Ling-Bo Qu, Xiao-Lan Chen*(), Bing Yu*()   

  1. Green Catalysis Center, College of Chemistry, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan, China
  • Received:2022-09-14 Accepted:2022-12-14 Online:2023-03-18 Published:2023-02-21
  • Contact: *E-mail: chenxl@zzu.edu.cn (X. Chen), bingyu@zzu.edu.cn (B. Yu)
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(21971224);National Natural Science Foundation of China(22071222);National Natural Science Foundation of China(22171249);The Key Research Projects of Universities in Henan Province(21A150053);The Natural Science Foundation of Henan Province(202300410375)

摘要:

近年来, 可见光诱导的有机反应条件温和、效率高, 因而备受关注.  由于多数有机物不能直接吸收可见光, 因此需要添加具有光学活性的化合物作为光催化剂, 促进反应发生.  目前有机化学工作者已经发展了许多高效的光催化剂, 如过渡金属(钌、铱等)配合物、有机染料等.  然而这些光催化剂也存在一些局限, 例如贵金属光催化剂价格昂贵, 有机染料稳定性相对较差, 而且大多数是均相催化剂, 且反应后无法回收利用.  从绿色化学的角度讲, 针对光催化的有机反应, 发展低成本、多功能、高效、可回收的非均相光催化剂具有重要意义.  

本文采用水热/煅烧相结合的方法合成了三种钒酸铋晶体, 并通过粉末单晶衍射、紫外可见光吸收光谱、光电流实验、荧光发射光谱、扫描电镜等手段进行表征.  结果表明, 合成的钒酸铋属于单斜晶系, 且表现出一定的光电性能.  相较于市售的钒酸铋, 合成的BiVO4-180具有更小的粒径, 呈现规则的椭圆形, 在模型反应中表现出更高的光催化活性.  以BiVO4-180为非均相光催化剂, 用于多种C(sp2)‒H官能团化反应, 实现了一系列复杂有机分子的合成和药物分子米非司酮、醋酸乌利司他的后修饰.  主要涉及的有机光反应包括: N,N-二甲基芳香胺与马来酰亚胺或苄烯丙二腈的[4+2]环化反应, 吲哚C-3位、α-氨基酸酯、芳烃等化合物的直接官能团化反应.  此外, 光催化剂的回收实验表明BiVO4-180在反应后很容易回收再利用, 在经过8次催化使用后, 其结构和催化活性几乎未发生变化.  反应机理研究表明, BiVO4-180的光生电子和氧空位在上述有机光反应中起到关键作用.

综上, BiVO4-180作为廉价易得、稳定的非均相光催化剂, 可以有效地应用在多种可见光催化的C(sp2)‒H官能团化反应中.  该策略具有反应条件温和, 催化剂易制备且可回收, 适用于药物修饰, 底物适用性广等优点.

关键词: 钒酸铋, 光催化, 非均相催化剂, 碳氢键官能团化, 自由基化学

Abstract:

Bismuth vanadate hydrothermally synthesized at 180 °C and then calcined (BiVO4-180) is a versatile and stable heterogeneous photocatalyst for the functionalization of diverse C(sp2)-H bonds under ambient visible-light conditions, with a series of functionalized compounds, including tetrahydroquinoline-succinimide-fused heterocycles, tetrahydroquinolines, 3-(p-(N,N-dimethyl)ben- zyl)indoles, α-aryl α-amino acid esters, and thiocyanated/vulcanized/selenated (hetero)aromatics, synthesized in good yields (79 examples, including modified drugs and dipeptide esters). BiVO4 photocatalysts are advantageous because they are recyclable, inexpensive, air-tolerant, and highly efficient, which are typical characteristics required to overcome the shortcomings of homogeneous photocatalysts.

Key words: Bismuth vanadate, Photocatalysis, Heterogeneous photocatalyst, C-H functionalization, Radical chemistry