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光催化在有机合成中的应用 应用化学111班 张琳 2011034128 摘 要 21世纪, 化学研究的一个主要目标是发展一种高效能技术, 用于取代那些对环境有害的耗能过程。在光催化的有机合成中，通过优化反应环境可以实现对某种目标产物的高选择性, 从而为有机合成提供了一种绿色、节能的途径, 成为21世纪最具潜力的绿色有机化学技术。 关键字 光催化 有机合成 催化氧化 1 引言 1972 年, Fujishima和Honda[1]发现TiO2单晶电极能够在光照条件下将水分解为氢气和氧气, 光催化技术的序幕由此揭开。光催化领域的开拓瞬时点燃了科研工作者们对这一崭新领域的研究热情. 随着研究工作的深入开展, 人们的目光不再局限于光解水制氢这一体系, 而是投向了更广阔的天地。在过去的近四十年里, 有关光催化的研究报道如雨后春笋般涌现出来。目前, 大多数的研究工作主要集中于降解水和空气中污染物等环境治理和改善方面, 太阳能的转化以及界面电子转移等电化学过程上。尽管如此, 将光催化用于特定的有机化合物的合成等方面已经得到了越来越多的关注。众所周知, 传统的有机合成不仅步骤繁琐, 而且所使用的氧化剂通常是一些具有毒性或者腐蚀性的强氧化剂。光催化反应将太阳光引入有机合成体系,无论从节能的角度还是环保的角度, 都无疑是一个重大的突破, 主要原因有以下三点: (1)太阳能是一种完全可再生的资源; (2)光化学激发所需要的条件比热催化所要求的条件要温和得多; (3)光化学激发为人们设计出更短的反应历程提供条件, 从而将副反应的发生减小到最小程度。 2 光催化原理 光催化是光化学和催化科学的交叉点，一般是指在催化剂参与下的光化学反应。半导体材料之所以具有光催化特性，是由它的能带结构所决定。半导体的晶粒内含有能带结构，其能带结构通常由一个充满电子的低能价带和一个空的高能导带构成，价带和导带之间由禁带分开，该区域的大小称为禁带宽度，其能差为带隙能，当用能量等于或大于带隙能的光照射催化剂时，价带上的电子被激发，越过禁带进入导带，同时在价带上产生相应的空穴，即生成电子／空穴对。由于半导体能带的不连续性，电子和空穴的寿命较长，在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应，或者被表面晶格缺陷俘获。空穴和电子在催化剂内部或表面也可能直接复合［0］。因此半导体光催化关键步骤是：催化剂的光激发，光生电子和空穴的迁移和俘获，光生电子和空穴与吸附之间表面电荷迁移以及电子和空穴的体内或表面复合［%］。光催化反应的量子效率低是其难以实用化最为关键的因素。光催化反应的量子效率取决于电子和空穴的复合几率，而电子和空穴的复合过程则主要取决于两个因素：电子和空穴在催化剂表面的俘获过程；表面电荷的迁移过程。 3.光催化在有机合成中的应用 3.1 羰基化反应 羰基化反应是有机合成中最常用的方法，在工业生产中占有十分重要的位置。常规羰基化反应绝大部分要求在高温、高压下进行，需要贵金属催化剂，且有反应难于控制、副反应多等不利因素；而光催化反应通常在常温、常压下进行，较易控制，无二次污染。因此，光催化技术就顺理成章被引入羰基化反应，例如一氧化碳（或二氧化碳）与卤代烃、烯烃、酮、芳香化合物之间的反应。芳基卤代烃可以在光照下，利用相转移催化剂转变成相应的羧酸盐，反应在常压下进行，光源对反应有重大影响。一级碘代烃、二级碘代烃、三级碘代烃也可以在光照下发生羰基化反应，而溴代烃、氯代烃同样条件下却很难发生。烯烃的光催化羰基化反应研究初期主要以一氧化碳为羰基碳来源，TAO YL等对此做了许多研究，催化剂为1.4戊二酮钴。光敏剂为丙酮，底物的转化率与光照时间成正比，最佳可达到百分之百。Randy F等发现光照条件下CO2插入到过渡金属C-M键中间，证实CO2可以被金属有机化合物活化以来，二氧化碳作为羰基碳源参与光催化反应时有报道。Inoue S研究了以卟啉铝为催化剂，光催化二氧化碳与α，β不饱和酯及氰的一系列反应。研究表明，卟啉铝在光照下首先与α，β不饱和酯发生加成反应，而后二氧化碳插入中间体形成羧酸铝盐，在酸性条件下又生成酸，二乙基锌能使催化剂不断再生。二氧化碳在光照条件下，以卟啉铝为光催化剂，与酮发生羰基化反应生成β-羰基酸，反应经过烯醇式络合物过渡态，由烯醇式络合物作为亲核试剂，进攻二氧化碳生成β-酮酸铝，酸性条件下转化成二酮。反应中，甲基眯唑的加入至关重要，因为它能在卟啉铝的空位上配位，迫使N4AL骨架趋于平面，使烯醇式络合物的活性大大提高。 20世纪80年代初期，Willner K等用酶催化剂模拟光合作用，光诱导CO2实现羰基化合成苹果酸和柠檬酸并获得成功，整个过程接近自然光合作用，具有非常重大的意义。 3.2 芳香族化合物的羟基化反应