在過(guò)去的十年中，光化學(xué)，尤其是光催化作為一種變革性的合成方法被有機(jī)化學(xué)界所接受，從而可以開發(fā)出新的和以前難以捉摸的合成方法。在這些方法中，有機(jī)分子和光催化劑可以利用光能達(dá)到激發(fā)態(tài)最終導(dǎo)致新的化學(xué)鍵。許多最近開發(fā)的方法在非常溫和的反應(yīng)條件下（即在室溫下，使用可見光，避免有毒和有害試劑）下操作，從而提供出色的官能團(tuán)耐受性。因此，光化學(xué)和光催化已與其他催化平臺(tái)無(wú)縫融合，例如過(guò)渡金屬催化，生物催化，對(duì)映選擇性催化，甚至電催化，允許使用各種非常規(guī)偶聯(lián)伙伴構(gòu)建化學(xué)鍵。

然而，盡管光子在有機(jī)合成中的應(yīng)用與該領(lǐng)域本身一樣古老，它一直受到質(zhì)疑。在較早的一篇關(guān)于光化學(xué)的評(píng)論中，Noyes 和 Kassel 在第一段中已經(jīng)指出：“不幸的是，雖然光化學(xué)可以說(shuō)比它的同行們老得多，但它目前處于更加不令人滿意的狀態(tài)?！?實(shí)際上，就反應(yīng)動(dòng)力學(xué)而言，光化學(xué)轉(zhuǎn)化通常被認(rèn)為非常復(fù)雜。同樣從放大的角度來(lái)看，由于光子的高成本，光化學(xué)仍被視為一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)和光吸收，這導(dǎo)致通過(guò)反應(yīng)介質(zhì)的光強(qiáng)度逐漸喪失。這削弱了研究人員（尤其是在精細(xì)化工行業(yè)）將光化學(xué)步驟整合到藥物、農(nóng)用化學(xué)品和材料的合成路線中的信心。一般的看法是完全避免光化學(xué)，因?yàn)樗鼛?lái)了太多無(wú)法克服的問(wèn)題，無(wú)法將分子推向市場(chǎng)。光化學(xué)只有在沒有替代品的情況下才被考慮，例如在生產(chǎn)維生素D（vitamin D） 和玫瑰醚（rose oxide）作為主要例子。

然而，這一次可能是合成光化學(xué)在行業(yè)中取得決定性突破的正確時(shí)機(jī)。這種說(shuō)法的第一個(gè)原因是光催化在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的迅速吸收和成熟，使研究人員能夠完全重新思考有機(jī)分子的組裝。令人矚目的是，公司以較快的速度建立了專家小組來(lái)研究光催化對(duì)其合成項(xiàng)目的潛在影響。其次，發(fā)光二極管 (LED) 技術(shù)的巨大發(fā)展導(dǎo)致了單色、節(jié)能、耐用和高強(qiáng)度光源的發(fā)展，降低了光子在光化學(xué)應(yīng)用中的有效成本。第三，近年來(lái)開發(fā)了各種先進(jìn)的光化學(xué)反應(yīng)器技術(shù)，這些技術(shù)顯示出開展從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)規(guī)模的光化學(xué)過(guò)程的巨大希望。幾家公司專注于開發(fā)和商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，以進(jìn)行不同規(guī)模的光催化轉(zhuǎn)化。然而，重要的是要注意光催化在有機(jī)合成中的應(yīng)用并不是最近的發(fā)明。相反，幾十年前就已經(jīng)做出了一些重要的貢獻(xiàn)。因此，可以說(shuō)，實(shí)際上是這三種不同的技術(shù)（即光催化、光源和反應(yīng)器技術(shù)）的結(jié)合，它們各自獨(dú)立發(fā)展并有自己的一套規(guī)則，才能保證光化學(xué)的存在。在環(huán)保意識(shí)不斷提高的時(shí)代，該聲明的另一個(gè)重要指標(biāo)是，化學(xué)工業(yè)需要開發(fā)更可持續(xù)和更節(jié)能的工藝，同時(shí)減少?gòu)U物產(chǎn)生和對(duì)環(huán)境的影響最小。光化學(xué)可以在這種轉(zhuǎn)變中發(fā)揮關(guān)鍵作用，因?yàn)楣饪梢员灰暈橐环N可再生的、無(wú)痕的試劑，大多數(shù)光化學(xué)過(guò)程都遵循綠色化學(xué)的原則。

本文在詳細(xì)介紹在合成有機(jī)化學(xué)的光化學(xué)和光催化領(lǐng)域中觀察到的新技術(shù)進(jìn)步。首先，詳細(xì)介紹了光化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括光子對(duì)觀察到的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的重要性、關(guān)鍵的光化學(xué)定律以及適當(dāng)光源選擇的一些準(zhǔn)則。這個(gè)介紹部分很重要，因?yàn)樗鼘⒆屪x者對(duì)技術(shù)可以對(duì)合成光化學(xué)產(chǎn)生影響的原因有一個(gè)基本的了解。接下來(lái)，我們將討論不同的光化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)以及擴(kuò)大規(guī)模的愿景。此外，從 2016 年起，詳細(xì)介紹了流式技術(shù)在合成光化學(xué)和光催化中的應(yīng)用（例如 2016 年之前的例子，我們參考我們之前的化學(xué)評(píng)論貢獻(xiàn)。此外，我們討論了該領(lǐng)域中一些令人興奮的新學(xué)科，包括高通量實(shí)驗(yàn)的使用以及光化學(xué)和電化學(xué)的結(jié)合。在整個(gè)審查過(guò)程中，我們主要關(guān)注有機(jī)小分子的合成。然而，在適當(dāng)?shù)那闆r下，我們也包括了其他學(xué)科的例子，例如，CO 2轉(zhuǎn)化或聚合物化學(xué)。

光化學(xué)基礎(chǔ)

溫度與光子的動(dòng)力學(xué)速率依賴性

提高反應(yīng)溫度是加速反應(yīng)最常用的策略之一。溫度升高會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間顯著縮短。這種快速加熱可以通過(guò)在微反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)或通過(guò)使反應(yīng)容器經(jīng)受微波能量。Arrhenius公式提供了反應(yīng)速率和反應(yīng)溫度之間的直接相關(guān)性，它代表了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中的基本方程之一。通常，進(jìn)行反應(yīng)所需的溫度非常高，以至于會(huì)導(dǎo)致起始材料在反應(yīng)之前過(guò)早分解。在這種情況下，化學(xué)家已經(jīng)尋求通過(guò)添加額外的活化試劑來(lái)降低活化能的策略，例如催化劑、酸/堿、還原劑/氧化劑。

克服這些反應(yīng)的能量障礙也可以通過(guò)光子的選擇性吸收來(lái)實(shí)現(xiàn)。有趣的是，光子驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換的動(dòng)力學(xué)強(qiáng)烈依賴于光子通量，即每單位時(shí)間觀察到的光子數(shù)。

圖1、熱化學(xué) (A) 與光化學(xué)活化 (B)。

對(duì)于低光照強(qiáng)度（<200–250 W·m –2左右），β 等于 1.0，表明反應(yīng)速率常數(shù)隨著光照強(qiáng)度的增加呈線性增加（圖 2）。由于該方程式中沒有熱成分，因此光化學(xué)反應(yīng)速率可以在室溫下進(jìn)行，并且可以通過(guò)簡(jiǎn)單地改變光強(qiáng)度來(lái)輕松調(diào)節(jié)。從安全的角度來(lái)看，大多數(shù)光化學(xué)反應(yīng)都可以通過(guò)關(guān)閉光來(lái)輕松終止。

圖2、平均反應(yīng)速率與光子通量的關(guān)系。(A) β 為 1.0 的線性狀態(tài)可以在較低的光強(qiáng)度下觀察到。該反應(yīng)在整個(gè)反應(yīng)器中受到光子限制。線性部分可以通過(guò)增加光催化劑負(fù)載來(lái)擴(kuò)展。(B) 對(duì)于中等光強(qiáng)度，β 約為 0.5，反應(yīng)器的某些部分存在明顯的動(dòng)力學(xué)限制。(C) 對(duì)于高光子通量，β 變?yōu)?0，因此反應(yīng)速率與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。在整個(gè)反應(yīng)器中觀察到動(dòng)力學(xué)限制。

在某一時(shí)刻，光強(qiáng)度的進(jìn)一步增加不會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)速率的提高。反應(yīng)最終變得獨(dú)立于光子通量 (β = 0)。此時(shí)，光催化劑一直處于活性狀態(tài)，反應(yīng)介質(zhì)完全被光子飽和。額外的光子將不再被有效吸收。值得注意的是，可以很容易地理解，這種相關(guān)性的線性部分可以通過(guò)增加催化劑負(fù)載（或通過(guò)增加光子吸收物質(zhì)的濃度）來(lái)擴(kuò)展。這些重要的見解對(duì)光化學(xué)過(guò)程的能量效率有影響，因此仔細(xì)平衡催化劑負(fù)載與光強(qiáng)度是很重要的。

光化學(xué)定律

當(dāng)反應(yīng)混合物被照射時(shí)，只有一小部分光會(huì)被吸收，因?yàn)榇罅康娜肷涔鈺?huì)被散射、透射或反射。然而，只有吸收的光才能引起光化學(xué)轉(zhuǎn)化。這種洞察力被稱為光化學(xué)第一定律（也稱為 Grotthüs-Draper 定律）。例如，可以用可見光照射反應(yīng)混合物，并且通常不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)有機(jī)分子對(duì)這種照射是透明的。然而，可以添加有機(jī)染料和一些過(guò)渡金屬配合物來(lái)吸收光，然后通過(guò)單電子轉(zhuǎn)移（SET，例如光氧化還原催化）轉(zhuǎn)移激發(fā)態(tài)能量，氫原子轉(zhuǎn)移（HAT），質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移 (PCET)或碰撞（能量轉(zhuǎn)移、光敏化）。

由于光化學(xué)具有色選擇性，因此最大化光源的發(fā)射波長(zhǎng)與光子吸收分子的吸收特性之間的重疊是至關(guān)重要的。通常吸收最大值（λ max)，即選擇吸收物質(zhì)顯示最大吸光度的波長(zhǎng)，或者選擇不發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)性光化學(xué)誘導(dǎo)的副反應(yīng)的波長(zhǎng)區(qū)域（所謂的色正交性）。因此，優(yōu)選具有足夠窄光譜的光源（例如 LED）以避免激發(fā)反應(yīng)混合物中的非目標(biāo)官能團(tuán)或組分，這可能導(dǎo)致不希望的副產(chǎn)物形成或溶劑加熱。波長(zhǎng)選擇性光源會(huì)導(dǎo)致更具選擇性的光化學(xué)反應(yīng)。因此，所用光源的光質(zhì)量是一個(gè)關(guān)鍵的反應(yīng)設(shè)計(jì)因素，并且可能比總發(fā)射光強(qiáng)度更重要。具有寬發(fā)射光譜的高強(qiáng)度光源將大量能量浪費(fèi)到與目標(biāo)反應(yīng)無(wú)關(guān)的波長(zhǎng)上。此外，由于其構(gòu)造過(guò)程中的細(xì)微差異，沒有兩個(gè)光源是相同的（即使是 LED 的顏色和強(qiáng)度也略有不同）。因此，使用積分球仔細(xì)校準(zhǔn)所有光源非常重要，積分球是一種用于測(cè)量和量化光輻射強(qiáng)度和光譜范圍的設(shè)備。

光源的定位也是反應(yīng)器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵方面。根據(jù)光的平方反比定律，光強(qiáng)與距離的平方成反比（圖3）。換言之，光源距離反應(yīng)器越遠(yuǎn)，損失的光越多，反應(yīng)介質(zhì)中的強(qiáng)度越低。庫(kù)恩等人。已經(jīng)表明，對(duì)于微流控通道，當(dāng)微通道和 LED 之間的距離在 1 到 1.5 cm 之間時(shí)，可以在反應(yīng)混合物中獲得最佳且均勻的輻照度（~90%）。LED 沿著整個(gè)通道的長(zhǎng)度放置，LED 間的距離在 6.5 和 8 毫米之間。此外，可以通過(guò)使用鏡子或波導(dǎo)進(jìn)一步聚焦光。

圖 3. 通過(guò)優(yōu)化光源-反應(yīng)器距離和使用折射鏡，最大限度地減少損失的輻射，從而最大限度地提高光子捕獲效率。(A) 光源與反應(yīng)器尺寸不匹配，部分區(qū)域未照射。這意味著光化學(xué)反應(yīng)器實(shí)際上比其總體積預(yù)期的要小。(B) 反應(yīng)器和光源的最佳定位。(C) 當(dāng)光源距離反應(yīng)器太遠(yuǎn)時(shí)，損失的輻照量會(huì)按照光的平方反比定律增加。

光化學(xué)第二定律由愛因斯坦-斯塔克光化學(xué)等效定律陳述。它規(guī)定一個(gè)光子只能激活一個(gè)分子，因此，光化學(xué)反應(yīng)可以被視為一個(gè)單量子過(guò)程。應(yīng)該注意的是僅適用于初級(jí)光化學(xué)過(guò)程。一旦光子被吸收，分子就會(huì)達(dá)到激發(fā)態(tài)，之后它可以經(jīng)歷化學(xué)變化或通過(guò)例如熒光的能量損失而回落到其原始位置。這意味著量子產(chǎn)率 (Φ) 通常小于單位 (Φ < 1)。當(dāng)在光化學(xué)過(guò)程中產(chǎn)生自由基時(shí)，會(huì)引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，導(dǎo)致明顯的 Φ 值遠(yuǎn)大于 1。從能源成本的角度來(lái)看，這種光誘導(dǎo)自由基鏈過(guò)程實(shí)際上可能是有利的，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)完全轉(zhuǎn)換所需的光子更少。

當(dāng)光束穿過(guò)溶液時(shí)，光子將被吸收，導(dǎo)致光強(qiáng)度逐漸降低。Bouguer-Lambert-Beer 定律 描述了這種消光現(xiàn)象的程度，這取決于吸收分子的摩爾衰減系數(shù)、該物質(zhì)的濃度和光路長(zhǎng)度。因此，光化學(xué)反應(yīng)難以規(guī)?；?。較大直徑的反應(yīng)器不適合，因?yàn)樵诜磻?yīng)器壁處觀察到最高的光強(qiáng)度，而反應(yīng)器的中心幾乎看不到光（圖 4）。由于反應(yīng)速率很大程度上取決于局部光強(qiáng)度，可以觀察到局部反應(yīng)速率的巨大變化；根據(jù)反應(yīng)器中的位置，動(dòng)力學(xué)速率可以很容易地相差 2-3 個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，尺寸較淺的反應(yīng)器在整個(gè)反應(yīng)介質(zhì)中提供相同的反應(yīng)條件，因此是規(guī)?；饣瘜W(xué)轉(zhuǎn)化的首選容器。

圖4、光催化反應(yīng)中光的衰減與距離的函數(shù)關(guān)系– Lambert-Beer 相關(guān)性

如果一個(gè)光子將一個(gè)分子轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，那么理論上應(yīng)該提供 1 mol 的光子來(lái)轉(zhuǎn)化 1 mol 的起始材料。這種見解由本生-羅斯科互易定律表達(dá)，該定律規(guī)定只有總能量劑量（即入射光量子的總數(shù)）對(duì)轉(zhuǎn)化化合物很重要。因此，光的強(qiáng)度乘以曝光時(shí)間應(yīng)保持恒定。

該定律還證明了其在光化學(xué)轉(zhuǎn)化縮放中的價(jià)值。所需的光子當(dāng)量量（定義為吸收的光子與底物量的比率）需要在每個(gè)反應(yīng)規(guī)模下保持相等。Merck-MSD 的研究人員已經(jīng)使用這種策略成功地將光催化 C-N 交叉偶聯(lián)反應(yīng)從毫克級(jí)的批量擴(kuò)展到了公斤級(jí)的流動(dòng)。然而，重要的是要認(rèn)識(shí)到該條款有其局限性，并且僅在沒有后續(xù)反應(yīng)的情況下才有效。如果后續(xù)反應(yīng)是可能的（例如，光化學(xué)氧化反應(yīng)），較大直徑的光化學(xué)反應(yīng)器將導(dǎo)致局部區(qū)域具有高光強(qiáng)度，通常在反應(yīng)器壁處。在這些區(qū)域中，與光強(qiáng)度較低的區(qū)域相比，形成的產(chǎn)物更有可能吸收另一個(gè)光子并轉(zhuǎn)化為（不希望的）副產(chǎn)物。

選擇正確光源的重要性

光子的能量可以從與光子相關(guān)聯(lián)的波長(zhǎng)計(jì)算（參見表 1）。有機(jī)化學(xué)家感興趣的波長(zhǎng)范圍限制在 200 到 1000 nm 之間，并且該限制由實(shí)際考慮確定。在紫外區(qū)，需要透明的反應(yīng)器材料，光子的能量越高，反應(yīng)器材料本身吸收的就越多。近紅外 (NIR) 區(qū)域的極限由誘導(dǎo)有機(jī)分子合成相關(guān)電子激發(fā)的能力決定。

表 1. 輻射類型、波長(zhǎng)和頻率之間的關(guān)系

紫外線誘導(dǎo)的光化學(xué)在合成有機(jī)化學(xué)中仍然非常有用，可以直接激發(fā)有機(jī)分子。有趣的例子是 [2 + 2] 環(huán)加成在單個(gè)步驟中產(chǎn)生應(yīng)變環(huán)丁烷和 Norrish 型光反應(yīng)，允許 C-C 鍵的均裂。然而，由于與紫外線照射相關(guān)的高能量，副產(chǎn)物形成的可能性從 UV-A 增加到 UV-C。這對(duì)于密集官能化的有機(jī)分子尤其如此，例如活性藥物成分。然而，已經(jīng)開發(fā)了將低選擇性和選擇性的紫外線誘導(dǎo)光化學(xué)轉(zhuǎn)化與未反應(yīng)起始材料的再循環(huán)相結(jié)合的策略。與可見光源相比，紫外光化學(xué)的選擇相當(dāng)有限。中低壓汞燈可用于 UV-A 和 UV-B 應(yīng)用。高壓水銀光源發(fā)射寬范圍的紫外線和可見光波長(zhǎng)以及需要充分冷卻的熱量。對(duì)于這種寬波長(zhǎng)分布的光源，可以使用特定波長(zhǎng)的濾光片來(lái)去除任何不需要的波長(zhǎng)這可能會(huì)導(dǎo)致副產(chǎn)品的形成，從而導(dǎo)致能源效率降低。這些問(wèn)題可以通過(guò)使用在窄光譜范圍內(nèi)發(fā)光的光源來(lái)解決。在這方面，LED受到了很多關(guān)注。它們由層狀晶體半導(dǎo)體材料制成，在兩種類型的半導(dǎo)體 ap-n 結(jié)的界面處形成。在電產(chǎn)生的電子和空穴復(fù)合時(shí)，會(huì)發(fā)射光（即電致發(fā)光），并且波長(zhǎng)取決于材料特性（因此取決于能帶隙）。單個(gè) LED 芯片的發(fā)射光譜很窄（10-30 nm），并且由于它們的小尺寸，它們可以與化學(xué)反應(yīng)器技術(shù)完美匹配（圖 5 A 和 B）。對(duì)于 UV-B 和 UV-C 應(yīng)用，通過(guò)將 GaN 與 AlN 合金化，可以在整個(gè)光譜范圍內(nèi)調(diào)節(jié) LED 的發(fā)射。然而，這些 LED 經(jīng)常受到強(qiáng)度低、壽命穩(wěn)定性差和墻插效率低（WPE ～ 1-3%）的困擾，這是描述輸入功率轉(zhuǎn)換為光功率效率的衡量標(biāo)準(zhǔn)。盡管如此，由于它們?cè)谙拘袠I(yè)中的應(yīng)用，許多研究都致力于開發(fā)更高性能的 LED。2020 年 SARS-COV-2 大流行導(dǎo)致 UV-C 市場(chǎng)從 2019 年的 1.44 億美元增加到 2020 年的 3.08 億美元。這一價(jià)值增長(zhǎng)甚至可能更高，但由于產(chǎn)能限制而受到限制。預(yù)計(jì)2025年UV-C產(chǎn)業(yè)將進(jìn)一步擴(kuò)大至25億美元。因此，可以預(yù)期這些光源的質(zhì)量將大大提高，并將在不久的將來(lái)使它們可用于光化學(xué)應(yīng)用。與之形成鮮明對(duì)比的是，高質(zhì)量和高強(qiáng)度（高達(dá) 160 W）的 UV-A LED（>365 nm）是可用的，并且基于成熟的 GaN 和 InGaN on 藍(lán)寶石技術(shù)（圖 5 C）。UV-A-LED 非常先進(jìn)，因?yàn)樗褂门c藍(lán)色 LED 基本相同的材料，并且由于它們?cè)?UV 誘導(dǎo)聚合物固化行業(yè)中的廣泛使用。作為 LED 的替代品，可以使用準(zhǔn)分子燈，其中特定的準(zhǔn)分子分子發(fā)出強(qiáng)而窄的紫外光（光譜半峰全寬為 2 至 15 nm）。根據(jù)所選擇的準(zhǔn)分子，發(fā)射波長(zhǎng)可以從 UV-C（例如，222 nm 的 KrCl）調(diào)整到 UV-B（例如，282 nm 的 XeBr）和 UV-A（例如，351 nm 的 XeF）。

圖 5. (A) 帶有 LED 的微反應(yīng)器沿整個(gè)微通道的長(zhǎng)度排列（由 Kuhn 等人提供）。(B) DIY 組裝的光微反應(yīng)器，包括一個(gè) 3D 打印容器，其中毛細(xì)管微反應(yīng)器被定位并與藍(lán)色 LED 燈條對(duì)齊。經(jīng)參考許可轉(zhuǎn)載 (98). 版權(quán)所有 2016 美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)。(C) 高功率 365 nm LED 光源，將 48 個(gè)單獨(dú)的 LED 集成在一個(gè)封裝中，實(shí)現(xiàn) 27.5 W 的光功率。在 LED 模塊的背面，安裝了一個(gè)散熱器。(D) 綠色 LED 泵浦發(fā)光集中器的示意圖：大功率 LED 將藍(lán)色光子泵入綠色發(fā)光集中器，吸收后重新發(fā)射為綠光。通過(guò)全內(nèi)反射，光被波導(dǎo)到邊緣，在那里它以高強(qiáng)度光束的形式離開材料。底部：散熱片位于發(fā)光集中器的另一側(cè)，以消除產(chǎn)生的熱量（由 Signify 提供）。(E) 組裝好的綠色 LED 泵浦發(fā)光集中器模塊的圖片（由 Signify 提供）。

可見光的能量含量通常不足以裂解鍵并因此引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。但是，可以通過(guò)添加另一個(gè)吸收輻射并隨后與其他有機(jī)分子交換能量（光敏化）、電子（光氧化還原催化）或氫原子（氫原子轉(zhuǎn)移光催化）的分子來(lái)繞過(guò)這個(gè)問(wèn)題。雖然緊湊型熒光光源在學(xué)術(shù)環(huán)境中仍經(jīng)常用于可見光誘導(dǎo)的光催化反應(yīng)，但由于 LED 尺寸小、能效高和發(fā)射帶窄，因此首選使用 LED。有趣的是，它們的強(qiáng)度可以通過(guò)改變電流輕松調(diào)整。由于溫度升高時(shí)光強(qiáng)度降低和波長(zhǎng)峰值偏移，保持 LED 的工作溫度恒定也很重要。大功率 LED 幾乎有所有顏色可供選擇，并且對(duì)于擴(kuò)大光催化轉(zhuǎn)化具有重要價(jià)值。例如，高功率藍(lán)色 LED 芯片可提供高達(dá) 2 × 10 6 W·m –2 ·nm –1的峰值輻照度。相比之下，大功率綠黃色 LED (510–600 nm) 不可用；這個(gè)光譜范圍，也稱為“綠色間隙”，效率顯著下降（<50%）。這個(gè)問(wèn)題可以使用黃色或綠色 LED 泵浦發(fā)光聚光器來(lái)解決，該聚光器結(jié)合了高功率藍(lán)色 LED 和綠色發(fā)光聚光器（圖 5 D 和 E）。在此，熒光棒被沿其長(zhǎng)度定位的藍(lán)色 LED 照亮。光被熒光棒吸收并向下轉(zhuǎn)換為所需的波長(zhǎng)。隨后，發(fā)光光通過(guò)全內(nèi)反射被波導(dǎo)到邊緣，在那里它作為聚焦光束從發(fā)光集中器中逸出。

一般來(lái)說(shuō)，近紅外區(qū)域的光子不包含足夠的能量來(lái)誘導(dǎo)任何合成相關(guān)的轉(zhuǎn)換。使用上轉(zhuǎn)換策略，可以吸收兩個(gè)或多個(gè)低能光子并將其轉(zhuǎn)換為單個(gè)高能光子（反斯托克斯發(fā)射）。NIR 的主要優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)各種介質(zhì)（包括生物組織）實(shí)現(xiàn)更高的穿透深度。這一特征可能有利于克服與 Beer-Lambert 定律相關(guān)的放大限制，并且可能對(duì)活細(xì)胞中的光催化應(yīng)用有用。近紅外光最近已被用于使用三重態(tài)-三重態(tài)湮沒上轉(zhuǎn)換策略實(shí)現(xiàn)光催化反應(yīng)。然而，為了變得實(shí)用和經(jīng)濟(jì)可行，必須克服某些限制。由于需要幾乎同時(shí)吸收兩個(gè)或更多光子，因此需要高光子通量，因此需要使用 NIR 激光器。此外，上轉(zhuǎn)換量子產(chǎn)率仍然相對(duì)較低（在脫氣有機(jī)溶劑中Φ UC ～ 5.5%）。此外，應(yīng)仔細(xì)去除氧氣，以避免三重態(tài)過(guò)早淬火，這會(huì)進(jìn)一步降低 Φ UC。

從可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，將太陽(yáng)能用于光化學(xué)轉(zhuǎn)化非常有吸引力。然而，作為光源的太陽(yáng)存在一些挑戰(zhàn)，包括太陽(yáng)光的多色性、晝夜循環(huán)、由于經(jīng)過(guò)的云層而導(dǎo)致的可變光強(qiáng)度以及由光散射和反射引起的太陽(yáng)光的漫射性質(zhì). 盡管如此，近年來(lái)取得了進(jìn)展。

反應(yīng)器設(shè)計(jì)和放大

化學(xué)工業(yè)中明顯缺乏光化學(xué)轉(zhuǎn)化的主要原因之一是與其可擴(kuò)展性相關(guān)的挑戰(zhàn)（即主要由衰減效應(yīng)引起）。為了小批量生產(chǎn)，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的基于流動(dòng)的設(shè)置足以按需制備目標(biāo)分子（克級(jí)），但工業(yè)所需的數(shù)量（公斤級(jí)到噸級(jí)）要求更穩(wěn)健和可靠放大過(guò)程。這不僅適用于光化學(xué)應(yīng)用，而且在一般的連續(xù)微流和微流化學(xué)中也是一個(gè)備受爭(zhēng)議的話題。簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)大流動(dòng)反應(yīng)器設(shè)計(jì)以提高生產(chǎn)率可能是最直接的方法，特別是對(duì)于管式或毛細(xì)管反應(yīng)器，其中反應(yīng)器體積可以通過(guò)三種主要策略來(lái)擴(kuò)大：數(shù)量增加，通過(guò)增加通道長(zhǎng)度來(lái)確定尺寸，并通過(guò)增加通道直徑來(lái)確定尺寸（圖 6）。

圖 6. 管式流動(dòng)反應(yīng)器的放大策略：編號(hào)、通過(guò)增加通道長(zhǎng)度來(lái)擴(kuò)大規(guī)模、通過(guò)增加通道直徑來(lái)擴(kuò)大規(guī)模?？梢允褂媒o定的公式計(jì)算管式反應(yīng)器的體積。

編號(hào)策略可以分為兩種概念上不同的方法：外部編號(hào)和內(nèi)部編號(hào)。外部編號(hào)可以通過(guò)將完全相同的設(shè)置并行增加來(lái)提高整體設(shè)置效率。這樣，可以添加額外的單元，直到整個(gè)系統(tǒng)被縮放以產(chǎn)生所需的目標(biāo)數(shù)量。這種方法的一個(gè)主要缺點(diǎn)是當(dāng)需要大量產(chǎn)品時(shí)明顯的高投資成本，其中每個(gè)設(shè)置都需要單獨(dú)的設(shè)備（例如，泵、質(zhì)量流量控制器）。內(nèi)部編號(hào)可以通過(guò)并行化提供相同的擴(kuò)展原理，但一個(gè)顯著的區(qū)別是在這種情況下，一些設(shè)備在實(shí)例之間共享。在內(nèi)部編號(hào)策略中，反應(yīng)堆本身可以成倍增加，同時(shí)仍然使用單一的喂養(yǎng)、收集和監(jiān)控部分。然而，需要注意確保不同反應(yīng)器上的流量分布相等，因?yàn)閴航档奈⑿〔町悤?huì)導(dǎo)致流量分布不均，這在多相反應(yīng)中尤其具有挑戰(zhàn)性，例如以氣體為反應(yīng)物的氣液反應(yīng)。

縮放流動(dòng)光化學(xué)的主要缺點(diǎn)之一是對(duì)輻照體積的影響。對(duì)于微米（在某種程度上，毫）范圍內(nèi)的尺度，照射體積可以實(shí)現(xiàn)均勻的光子通量和受控的照射時(shí)間。保持直徑盡可能小，然后使反應(yīng)器整個(gè)橫截面上的光子通量最大化。通過(guò)增加反應(yīng)器的長(zhǎng)度來(lái)確定尺寸具有表面積與體積比保持恒定的優(yōu)點(diǎn)，但具有沿反應(yīng)器通道增加的壓降的缺點(diǎn)。另一方面，由于布格-朗伯-比爾定律，簡(jiǎn)單地通過(guò)增加通道或容器直徑來(lái)確定這些反應(yīng)器設(shè)計(jì)的大小可能會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。由于光在較大尺寸處的衰減導(dǎo)致的不均勻照射會(huì)導(dǎo)致過(guò)度照射（在反應(yīng)器壁處）、較慢的整體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和不希望的副產(chǎn)物形成。這種確定尺寸的策略也會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的流動(dòng)特性和傳熱特性。為了確定策略，可能需要重新優(yōu)化過(guò)程，因?yàn)榱鲃?dòng)特性發(fā)生了變化，因此傳質(zhì)行為也發(fā)生了變化。

然而，光化學(xué)反應(yīng)器的放大并不限于使用管狀/毛細(xì)管反應(yīng)器。在過(guò)去的十年中，已經(jīng)提出了各種各樣的反應(yīng)器設(shè)計(jì)（例如，降膜反應(yīng)器、渦流反應(yīng)器、膜反應(yīng)器），它們都利用了過(guò)程強(qiáng)化概念。過(guò)程強(qiáng)化旨在將質(zhì)量、熱量和光子傳輸現(xiàn)象強(qiáng)化至少 2-3 個(gè)數(shù)量級(jí)，從而顯著減少反應(yīng)器體積。

高通量實(shí)驗(yàn)

高通量實(shí)驗(yàn) (HTE) 是現(xiàn)代藥物開發(fā)和合成方法學(xué)工作流程的重要工具。隨著每年尋找新藥變得越來(lái)越困難，篩選不斷增長(zhǎng)的分子庫(kù)的新方法對(duì)于發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)和優(yōu)化先導(dǎo)都變得至關(guān)重要。雖然 HTE 傳統(tǒng)上仍處于行業(yè)范圍內(nèi)，但越來(lái)越多地在學(xué)術(shù)環(huán)境中實(shí)施。HTE 工作流程范圍從每天以納摩爾級(jí)篩選數(shù)千個(gè)反應(yīng)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)到簡(jiǎn)單的并行化技術(shù)。這種技術(shù)越來(lái)越多地與機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能相結(jié)合，以在廣泛的化學(xué)空間中提取大量數(shù)據(jù)。長(zhǎng)期以來(lái)，實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化一直是化工行業(yè)提高生產(chǎn)力、重現(xiàn)性和安全性的目標(biāo)。

諸如流動(dòng)光化學(xué)之類的使能技術(shù)被用于以有效的方式篩選反應(yīng)。這些使能技術(shù)允許將閉環(huán)化學(xué)平臺(tái)與算法相結(jié)合，以產(chǎn)生自我優(yōu)化的反應(yīng)平臺(tái)。這些方法已應(yīng)用于化學(xué)、材料開發(fā)、聚合物，和催化。在這里，我們旨在概述這些技術(shù)如何用于推進(jìn)已知的光化學(xué)空間。

基于流程的自動(dòng)化平臺(tái)

Edwards 等人開發(fā)了一個(gè)多功能的模塊化光反應(yīng)器平臺(tái)。能夠進(jìn)行高通量實(shí)驗(yàn)、批量反應(yīng)和連續(xù)處理，稱為光化學(xué) LED 照明器 (PHIL)（圖 46）。該平臺(tái)具有調(diào)節(jié)波長(zhǎng)、光強(qiáng)度和非常精確的溫度控制的能力，可以處理廣泛的光化學(xué)轉(zhuǎn)化。HTE 模塊能夠在 6 個(gè)波長(zhǎng)（365–525 nm）范圍內(nèi)同時(shí)篩選多達(dá) 48 個(gè)反應(yīng)。首先，使用羅丹明-6G 作為吡咯與溴噻吩偶聯(lián)的光催化劑，在 HTE 平臺(tái)上進(jìn)行光化學(xué)測(cè)光。令人驚訝的是，反應(yīng)結(jié)果與所施加的波長(zhǎng)和光催化劑的存在無(wú)關(guān)，這表明正在發(fā)生 C-Br 鍵的均裂。接下來(lái)，分析了馬來(lái)酰亞胺與炔烴的分子內(nèi) [2 + 2] 環(huán)加成反應(yīng)。事實(shí)證明，反應(yīng)在所有測(cè)試波長(zhǎng)下都很緩慢，因此添加二苯甲酮 (10 mol%) 導(dǎo)致觀察到的反應(yīng)速率大幅增加，反應(yīng)在 10 分鐘內(nèi)完成。除此之外，還研究了許多其他反應(yīng)，包括分子內(nèi) [2 + 2] 環(huán)加成、與 [1.1.1]-propellane 的 Norrish 1 型反應(yīng)、乙苯的生物催化羥基化和芳基碘化物的交叉偶聯(lián)。

圖 46.光化學(xué) LED 照明器 (PHIL)，帶有用于高通量實(shí)驗(yàn)和批量和流動(dòng)化學(xué)的模塊，用于篩選和放大各種光化學(xué)反應(yīng)。

Bourne 等人開發(fā)了光化學(xué)級(jí)聯(lián) CSTR 平臺(tái) (Fractor)。用于多相和傳質(zhì)受限光化學(xué)反應(yīng)的自動(dòng)優(yōu)化（圖 47）。由于持續(xù)攪拌，反應(yīng)器不易堵塞和結(jié)垢。首先，為了更好地了解 Freactor，使用 365 nm 光通過(guò)將鄰硝基苯甲醛 (NBA)光化學(xué)轉(zhuǎn)化為鄰硝基苯甲酸進(jìn)行化學(xué)測(cè)光。發(fā)現(xiàn)獲得的光子通量比文獻(xiàn)中的批處理系統(tǒng)高 10 倍。接下來(lái)，使用混合算法對(duì)以二苯甲酮為催化劑的四氫化萘有氧氧化進(jìn)行自動(dòng)化反應(yīng)優(yōu)化?；旌纤惴ㄓ扇N不同算法的耦合組成（SNOBFIT 全局優(yōu)化、替代高斯過(guò)程建模和中心復(fù)合面心 (CCF) 設(shè)計(jì)篩選）。反應(yīng)器總共運(yùn)行了 36 小時(shí)，進(jìn)行了 61 次實(shí)驗(yàn)（38 次 SNOBFIT、12 次高斯篩選和 11 次 CCF 實(shí)驗(yàn)）。四氫萘酮的總產(chǎn)率為 65%，停留時(shí)間為 18.3 分鐘，氧當(dāng)量為 4.69。

圖 47. 用于自動(dòng)優(yōu)化多相和傳質(zhì)受限光化學(xué)反應(yīng)的光化學(xué)級(jí)聯(lián) CSTR 平臺(tái)（反應(yīng)器）。

No?l 等人開發(fā)了一個(gè)用于熒光猝滅研究和 Stern-Volmer 分析的完全自主的連續(xù)流動(dòng)平臺(tái)。使用基于 Python 的代碼和在線紫外-可見光譜。自動(dòng)化和流程的使用具有許多明確的好處，例如提高一致性、準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。手動(dòng)執(zhí)行此反應(yīng)的重復(fù)性任務(wù)可能導(dǎo)致重現(xiàn)性問(wèn)題，主要與氧氣干擾和人為錯(cuò)誤有關(guān)。該系統(tǒng)使用少量樣品，這在篩選昂貴的催化劑時(shí)特別有用。為了測(cè)試該系統(tǒng)，進(jìn)行了兩個(gè)基準(zhǔn)反應(yīng)：α,β-不飽和羧酸的光催化脫羧和含N雜芳烴與N- (酰氧基)鄰苯二甲酰亞胺的光催化脫羧烷基化。總體而言，與手動(dòng)和生成的數(shù)據(jù)相比，該系統(tǒng)可在 15 分鐘內(nèi)獲得更好、更可重復(fù)的結(jié)果以供分析。

Buglioni, L., Raymenants, F., Slattery, A., Zondag, S. D. A., & No?l, T. (2021). Technological innovations in photochemistry for organic synthesis: Flow chemistry, high-throughput experimentation, scale-up, and photoelectrochemistry. Chemical Reviews. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00332