石墨相氮化碳的改性制备及其在可见光光催化有机合成中的应用

Semiconductor photocatalyst would produce photogenerated electrons and holes driven by sunlight, then organic molecules attached on the semiconductor surface would accept the electrons or donate electrons to the holes, accompanied with a series of photoredox reactions. Graphitic carbon nitride (g-C3N4), as a stable, recyclable, visible-light-responsive and metal-free photocatalyst for solar energy conversion, has become a new research hotspot and drawn broad interdisciplinary attention. Therefore, the project aims at: 1) preparation of modified carbon nitride composites or dye-sensitized carbon nitrides, to improve the performance of visible-light initiated hydrogen evolution and CO2 conversion; 2) carbon nitride photocatalytic fixation of CO2 with organic compounds to synthetize carbonates or amino acids; 3) applying modified carbon nitrides to alkyne functionalization, constructing C-P bond; 4) revealing the mechanism of photocatalytic reaction through intermediate capture experiments and control experiments. With the usage of cheap, metal-free and recyclable g-C3N4, it is possible to obtain carbonates, amino acids, α-phosphite vinyl compounds under mild conditions. This methodology provides a new strategy for green organosynthsis, offering opportunities for further investigation and applications.

半导体光催化剂在太阳光照下会产生光生电子-空穴，使得吸附在半导体表面的有机分子接受光生电子或空穴，从而发生一系列氧化还原反应。石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种具有化学稳定性和独特的电子能带结构的可见光响应且不含金属的聚合物半导体材料。我们考虑通过制备改性氮化碳复合材料或者染料敏化的氮化碳，提高其可见光催化的产氢以及还原CO2性能；利用小分子有机化合物通过氮化碳光催化插入CO2分子合成碳酸酯或氨基酸类化合物；将氮化碳改性材料应用于光催化炔烃的亚磷酸酯化构建碳-磷键，合成乙烯基亚磷酸酯类化合物；通过中间体捕捉与控制性实验，揭示其光催化反应机理。催化剂体系廉价、稳定、不含金属组分且可重复回收使用，在常温、常压以及可见光源下等温和条件下即可高效高选择性的得到重要化学品。该方法为绿色有机合成提供了新途径，具有广阔的研究价值及应用前景。

光化学反应光化学反应利用光催化技术，将原料转变为高值燃料和化学品，是一种太阳能可持续利用的重要方法。本项目以非金属基半导体材料作为光催化剂，探索其在光催化有机转化方面的应用。在本项目的支持下，我们以构建可持续的催化体系为导向，实现了含氮杂环化合物的无受体脱氢反应以及芳烃的碳氢键活化等前沿领域；探讨其反应机理；为发展环境友好的新型绿色有机合成方法学奠定基础。该体系发展的合成方法底物适用范围广、条件温和，采用的绿色的新策略、新方法合成具有潜在生物活性的骨架分子。从节约、节能与环保三个方面考虑，无金属半导体材料的光催化有机合成必将成为研究热点之一；相关的基础研究成果也有望为医药中间体，化工中间体提供一种高效的合成新方法。该研究将为有机合成的绿色化提供新途径，为高效利用太阳能提供新方法。