催化学报 ›› 2026, Vol. 80: 7-19.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64838-8

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小分子光催化C-N偶联反应

张琳星a, 谭昌龙b, 祁明雨c, 唐紫蓉a,c,*(), 徐艺军a,b,*()   

  1. a福州大学化学学院, 能源与环境光催化国家重点实验室, 福建福州 350116
    b电子科技大学基础与前沿研究院, 四川成都 611731
    c电子科技大学材料与能源学院, 四川成都 611731
  • 收稿日期:2025-06-24 接受日期:2025-08-07 出版日期:2026-01-05 发布日期:2026-01-05
  • 通讯作者: 唐紫蓉,徐艺军
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22572017);国家自然科学基金(22472032);国家自然科学基金(22172030);国家自然科学基金(22072023);国家自然科学基金(U1463204);电子科技大学杰出人才科研基金(A1098531023601522);国家科技创新领军人才计划(00387072);江西省“双千计划”(jxsq2023102143);中国博士后科学基金(2023M740513);中国博士后创新人才支持计划(BX20240055)

Photocatalyzed C-N coupling reactions of small molecules

Lin-Xing Zhanga, Chang-Long Tanb, Ming-Yu Qic, Zi-Rong Tanga,c,*(), Yi-Jun Xua,b,*()   

  1. aCollege of Chemistry, State Key Laboratory of Photocatalysis on Energy and Environment, Fuzhou University, Fuzhou 350116, Fujian, China
    bInstitute of Fundamental and Frontier Sciences, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, Sichuan, China
    cSchool of Materials and Energy, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, Sichuan, China
  • Received:2025-06-24 Accepted:2025-08-07 Online:2026-01-05 Published:2026-01-05
  • Contact: Zi-Rong Tang, Yi-Jun Xu
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22572017);National Natural Science Foundation of China(22472032);National Natural Science Foundation of China(22172030);National Natural Science Foundation of China(22072023);National Natural Science Foundation of China(U1463204);Research Fund for Outstanding Talents at University of Electronic Science and Technology of China(A1098531023601522);Program for National Science and Technology Innovation Leading Talents(00387072);Jiangxi Province “Double Thousand Plan”(jxsq2023102143);China Postdoctoral Science Foundation(2023M740513);China National Postdoctoral Program for Innovative Talents(BX20240055)

摘要:

将地球上丰富的小分子(如CO2和N2)转化为尿素、甲酰胺和氨基酸等含C-N键的高附加值有机化合物, 是可持续化学领域的前沿方向. 然而, 传统热催化方法依赖高能耗条件(如Bosch-Meiser工艺需200 °C, 210 bar)和辅助化学试剂, 严重制约可持续化生产. 受自然光合作用启发, 人工光催化技术应运而生.该技术通过直接利用光子诱导的电荷载流子或间接借助活性氧物种, 在常温常压下活化C=O, N≡N等惰性化学键, 从而实现热力学不利的小分子偶联反应. 近年研究表明, CO2/CH3OH与无机含氮小分子(N2, NH3, NO3-)的光催化C-N偶联反应, 能够有效合成有机含氮化合物. 鉴于该领域的快速发展及其展现的巨大潜力, 对该新兴课题进行总结具有重要意义.

本文聚焦于半导体光催化剂介导的C-N偶联反应, 系统总结了利用含碳原料(CO2和CH3OH)与含氮小分子(N2, NH3和NO3-)通过光催化偶联合成高附加值有机含氮化合物的最新研究进展. 首先, 阐述了光驱动C-N偶联反应的基本原理和活化机制, 包括直接活化和活性氧物种介导的间接活化两种路径. 在此基础上, 进一步深入分析了尿素、甲酰胺、甘氨酸和丝氨酸目标产物选择性合成过程中的催化剂设计策略与反应机理. 特别指出, 当前光催化尿素合成可通过CO2与N2/NH3/NO3-偶联, 或CH3OH与N2偶联实现, 但该过程仍面临选择性差、活性低及反应机理不明确等挑战. 而甲酰胺的合成可通过CH3OH与NH3脱氢偶联完成. 值得注意的是, 与C1有机氮化合物(尿素和甲酰胺)的合成不同, 氨基酸的合成不仅需要精确调控C-N偶联过程, 还需要严格控制C-C偶联步骤, 以确保目标分子结构的精准构建. 在展望部分, 提出未来研究可通过缺陷工程、构建多活性位点协同催化体系、设计异质结构半导体及开发连续流动光反应器等策略提升反应性能; 强调拓展C源与N源种类以合成多样化含氮有机化合物; 建议结合先进的原位分析技术、理论模拟与同位素标记实验深入揭示反应机理; 同时指出, 可融入机器学习与人工智能技术, 为催化剂设计与反应优化提供新范式, 从而推动太阳能驱动C-N偶联反应的可持续发展.

综上, 本文系统归纳了半导体光催化小分子C-N偶联反应合成尿素、甲酰胺、甘氨酸和丝氨酸的研究现状, 深入剖析了当前面临的选择性调控难题、催化活性瓶颈及机理解析困境等现存挑战, 并探讨了未来发展方向, 旨在为有机含氮化合物的高效合成及其催化体系设计提供理论参考.

关键词: 光催化C-N偶联反应, 小分子, 尿素, 甲酰胺, 氨基酸

Abstract:

Catalytic coupling of abundant CO2 or renewable CH3OH with nitrogenous small molecules, such as N2, NH3, and NO3-, has emerged as a promising strategy for synthesizing high-value organonitrogen compounds. However, conventional thermal catalysis for C-N bond formation often relies on external chemical reagents and energy-intensive conditions, raising concerns about process sustainability. Photocatalysis offers a sustainable alternative by utilizing sunlight to generate high-energy electron-hole pairs in semiconductors, which can activate inert chemical bonds (e.g., C=O and N≡N) for programmed coupling under ambient conditions. In this review, we dissect the fundamental activation mechanisms underlying photon-mediated C‒N coupling reactions, highlight key recent breakthroughs in the synthesis of urea, formamide, and amino acids, and analyze persistent challenges alongside emerging opportunities. This work aims to deepen the understanding of photocatalytic C-N coupling reactions and inspire research interest in sustainable nitrogen fixation and carbon utilization.

Key words: Photocatalytic C-N coupling reactions, Small molecules, Urea, Formamide, Amino acids