第一作者：江宏

通讯作者：吴杰教授

通讯单位：新加坡国立大学化学系

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59541-4

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均相金属光催化剂常面临催化剂稳定性差、金属负载高以及难以回收等问题。在本研究中，我们设计了一类Ni掺杂的吡啶基-喹啉连接共价有机框架（Ni-PQCOFs）作为稳定高效的非均相金属光催化剂，催化性能远超其均相体系，并展现出出色的光稳定性、低金属负载（1–2 mol%）和广泛的交叉偶联适应性，尤其在C(sp²)-X键构建（X = S, N, O, C, B, P, Se, Cl）中效果卓越。其可在可见光驱动下反应，适用于复杂底物的修饰、连续双官能化以及十克级流动放大，展现出良好的工业可拓展性与绿色催化前景。

背景介绍

金属光催化交叉偶联反应通过协同利用光催化与过渡金属催化机制，能够在温和条件下高效构建C–C和C–X（X = S、N、O、B、P、Se、Cl）键，极大拓展了有机合成的反应空间。然而，传统的均相催化体系常因催化剂稳定性差、金属负载高、难以分离和回收等问题而受到限制。相比之下，异相金属光催化剂因其良好的可重复使用性和结构稳定性而备受关注。然而，当前主流的异相材料（如量子点、碳点和石墨相氮化碳 g-C₃N₄）往往存在金属泄漏、结构不稳定或比表面积有限等缺陷，阻碍了其在复杂催化反应中的应用。

作为一种新兴的有机晶态材料，共价有机框架（COFs）凭借其高度可调的结构、精准的分子组装方式以及优异的化学稳定性，为构建高效的异相光催化剂提供了理想平台。通过在COF骨架中引入光敏单元，并稳定锚定单原子金属活性中心（如Ni），有望实现协同光-金属催化功能的提升。然而，现有多数COF基催化剂仍以亚胺或乙烯类连接键为主，易受到亲核试剂或自由基的攻击而失活；此外，常用光敏基团如Ir(bpy)(ppy)₂、芘或螺二芴等，其氧化还原能力受限，也在一定程度上限制了反应适用范围与效率。

为克服上述问题，我们采用三组分Povarov反应模块化构建了一类新型吡啶-喹啉（pyridyl-quinoline, PQ）连接的COF光催化剂（PQCOFs）。该PQ单元不仅作为COF的结构连接键，还同时具备可见光吸收功能和金属配位能力，实现了结构与功能的高度集成。在此基础上构筑的Ni-PQCOFs光催化剂，在仅需1 mol% Ni负载条件下，即可在可见光照射下高效催化芳香卤代物与多种亲核试剂之间的C(sp²)–X交叉偶联反应，其催化活性显著优于对比分子型均相体系。此外，Ni-PQCOFs表现出优异的光化学稳定性，可通过简单过滤实现10次以上的重复使用，几乎无活性衰减和金属浸出。该催化体系已成功应用于药物分子的后期修饰、顺序多步偶联反应以及十克级的流动放大合成，展示了良好的实用性与可扩展性。本研究为设计稳定、高效且可持续的异相金属光催化剂提供了新的解决方案与研究思路。

研究亮点

1. 创新设计“三合一”PQ连接单元，实现催化骨架的多功能整合
作者设计了一种新型吡啶-喹啉（PQ）连接结构，集光敏单元、结构连接键和金属配位位点于一体，突破传统COF中功能单元分离的限制。该设计不仅提升了光电性能与电子转移效率，还增强了结构稳定性，为开发集成化COF催化平台提供了新策略。

2. 构建高效可见光驱动的异相Ni-COF光催化体系，实现广谱C(sp²)–X偶联反应
通过在PQCOFs中掺杂低负载（1 mol%）的镍，构建出高效的异相金属光催化剂（Ni-PQCOFs），在可见光照射下即可驱动多种C(sp²)–X键（X = S, N, O, C, B, P, Se, Cl）的形成，反应适用范围广泛、条件温和、活性高，显著优于传统均相体系。

3. 实现高稳定性与循环利用，具备实际放大与应用潜力
Ni-PQCOFs展示出优异的（光）化学稳定性，可在不明显损失催化活性的前提下，回收使用超过10次，且几乎无金属浸出。同时，该体系成功应用于复杂药物分子的后期功能化、连续反应流程和十克级放大合成，展现出良好的实际可行性与绿色合成价值。

图文解析

1) COF基金属光催化剂的合成与表征

首次开发了在有氧条件下以强酸TfOH催化的三组分Povarov反应制备了高结晶性PQCOF-OMe，PQCOF-H和PQCOF-tBu。TfOH与空气氧化组合比传统BF₃·OEt₂/DDQ体系更高效且绿色，合成产物结晶性更好。FT-IR、XPS和固体¹³C NMR表明PQCOFs中成功形成吡啶-喹啉连接键。PXRD分析显示PQCOFs和PICOF均为AA堆积的六方晶格。氮气吸附测试显示比表面积超过1000 m²/g。

图一：PQCOFs的合成与表征

通过浸泡法将Ni引入PQCOFs，ICP-OES表明COF中几乎所有的吡啶-喹啉均与Ni配位。HAADF-STEM和EDX证实Ni单原子均匀分布，XAS分析表明Ni为+2价，EXAFS显示Ni与两个N原子、两个Cl原子配位，Ni原子分散良好。UV-Vis和光谱分析显示Ni引入后材料吸收边延长至900 nm，荧光强度和寿命降低，光电流增强，说明电子转移和电荷分离效率提升。

图二：Ni@PQCOFs的合成与表征

2)COF金属光催化剂介导的交叉偶联反应

Ni@PQCOF-OMe可以有效催化C-S、C–N、C–O、C–B、C–P、C–Se和C–Cl键的形成，底物范围广泛，产物收率优良，此外还可以催化多种碳–碳偶联，如C(sp²)–C(sp³)、C(sp²)–C(sp²)及C(sp²)–C(sp)交叉偶联。该催化剂实现了天然产物、药物及其中间体的高效后期修饰，如α-氨基酸衍生物、糖醇及多种药物分子，显示良好的合成应用潜力。通过控制亲核试剂的投料比例，实现了芳烃的多步顺序官能化，产率高且反应选择性好。利用自制的高速循环流动系统，成功实现了十克级放大合成，展现了该光催化体系在实际规模合成中的高效与实用性。

图三：Ni@PQCOF-OMe光催化C(sp²)-X交叉偶联反应

图四：Ni@PQCOF-OMe介导的光催化偶联反应的合成应用

3）COF基金属光催化剂的优势/循环性能及稳定性

我们比较了异相催化剂Ni@PQCOF-OMe与均相Ni²⁺/PQ-OMe的催化活性。均相催化剂用390 nm光激发，而Ni@PQCOF-OMe因共轭COF结构可用456 nm光激活。结果显示，在相同镍负载下，Ni@PQCOF-OMe的催化效率高出3-7倍，且C–S偶联产率达95%，远超均相催化剂。量子产率也显著提高，表明异相体系光子利用更高效。相比已有COF催化剂，我们的体系反应范围更广，能催化8种不同偶联，包括C(sp²)–C偶联；结构稳定，不易被亲核试剂或自由基破坏；色团直接配位镍中心，催化效率更高；还能实现芳烃的顺序二功能化，应用更灵活。此外，Ni@PQCOF-OMe易于回收和重复使用，过滤分离简单，循环十次后活性无明显下降。镍浸出极少，催化剂结晶和结构保持完整，稳定性优良。

图五：催化性能比较与催化循环测试

总结与展望

本研究构建了Ni单原子掺杂的PQ-COF异相金属光催化剂，展现出优异的光吸收能力和催化性能，显著提升了碳-碳及碳-杂原子键交叉偶联反应的效率和选择性。催化剂稳定耐用，可循环使用，且具备顺序双功能化反应的能力，拓宽了合成多样化分子的途径。未来工作将聚焦于拓展催化反应类型，优化催化剂结构和性能，及开发工业化连续流反应体系。同时，深入理解催化机理以设计更高效环保的光催化系统，推动该技术在有机合成和药物制备中的实际应用。

课题组介绍

吴杰教授课题组主页：https://www.wujiegroupnus.com/

原文信息

Jiang, H., Zhang, W., Wu, J.et al. Nickel-embedded three-in-one pyridyl-quinoline-linked covalent organic framework photocatalysts for universal C(sp²) cross-coupling reactions. Nat. Commun. 16, 4716 (2025).