卡宾作为一种高活性中间体，其可控合成一直是合成化学领域的核心挑战。传统的卡宾合成方法通常依赖于重氮化合物或烯酮前体，这些方法不仅存在爆炸风险，而且对环境造成较大危害。近年来，甲醇被提出作为一种理想的前体制备亚甲基卡宾（:CH₂），副产物仅为水，有望大大提升合成过程的安全性和绿色性。此外，亚甲基卡宾能够与甲醇进一步反应生成乙醇，这一反应能将来源广泛但具有较高毒性和低能量密度的甲醇转化为高附加值的乙醇，为清洁能源载体的开发以及绿色化工提供重要的创新思路。然而，实现这一转化过程需要同时活化甲醇分子的C-H键和C-O键，仍然面临极大的挑战。

针对该反应特点，吉林大学李路教授和加拿大麦吉尔大学李朝军院士团队设计制备了一种含有丰富受阻路易斯酸碱位点（frustrated Lewis pair，FLP）的Ga-ZnO1-x半导体光催化剂，首次在可见光照射下实现甲醇经由卡宾路径高选择性制备乙醇。动力学同位素效应、酸碱位点阻断、原位光谱等一系列机理研究结合理论计算表明，由氧空穴和Ga原子构成的FLP位点能够分别激活甲醇的C-H和C-O键，同时有效捕获光生电子和空穴，协同促进了亚甲基卡宾中间体的形成。产生的卡宾中间体随后插入另一个甲醇分子C-H键生成乙醇。研究还发现，Ga-ZnO₁₋ₓ催化剂在可见光照射下的乙醇选择性显著提高，从紫外光下的67%提升至97%，表明其在温和条件下有效抑制了副反应的发生。

综上所述，本研究在可见光驱动甲醇转化为乙醇方面取得了关键突破，不仅为甲醇转化为乙醇提供了一种环境友好的途径，而且凸显了基于FLP的光催化策略在选择性卡宾介导反应中的潜力。相关研究成果以“Visible-Light-Driven Methanol-to-Ethanol Conversion via Carbene Pathway by Frustrated Lewis Pairs”为题，于3月12日发表在Journal of the American Chemical Society上。

文章链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c17227