特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨彤心未泯（米测 技术中心）

编辑丨风云

水是生物化学转化的通用溶剂，在疏水特性的驱动下，有利于酶内底物结合、膜和囊泡的形成以及药物与受体的结合。研究表明，水可以加速各种有机反应，其速度远远超出经典有机溶剂中观察到的速度。目前，光化学已成为推进有机合成的关键方法。

然而，纯水中光化学转化仍存在以下问题：

1、迄今为止，使用纯水作为光化学转化溶剂受到的关注还很有限

尽管水介质中光诱导转化的一些应用已经开始出现，但与常用的有机溶剂相比，这些反应并没有充分发掘水在加速有机转化方面的潜力。其局限性可归因于涉及过渡金属的复杂反应条件、共溶剂的使用、各种催化剂的存在等因素。

2、电子供体-受体(EDA)光化学领域仍处于新生阶段

EDA光化学不依赖于外源光敏剂的存在，关注于具有不同电子亲和力的分子之间的聚集，该策略提供了简单的反应条件，并利用水的潜力来促进有机转化，但该领域仍处于新生阶段，为探索和突破提供了大量机会。    

有鉴于此，雷根斯堡大学Burkhard König等人结合固体混合物的熔点降低和疏水增强的基底聚集，导致在水面上形成油膜。这些良好铺展的薄有机液膜的条件加速了水界面的光化学反应。报道了在水相介质中，具有不同电子亲和性的芳烃、杂芳烃、烯胺或酯之间形成聚集体，通过底物熔点降低形成油水相边界。反应物中的活性氢原子与水形成氢键，从而加速光化学反应。

技术方案：

1、阐明了合成反应的底物研究范围和大规模应用

作者阐明了模型底物的反应合成过程，证实了反应方案对C(sp²)-N、C-F、C(sp² )–O、C(sp³)–H、C(sp³ )–C(sp² )等多种有机结构的适用性，并展示了在水界面光化学中使用流动条件进行大规模合成的潜力。

2、解析了水加速光诱导反应机制

作者基于实验研究提出了水加速光诱导反应的机制，表明反应物中的活性氢原子与水形成氢键，从而加速光化学反应。

技术优势：    

1、利用熔点降低实现了油水界面光化学反应加速

作者通过结合固体混合物的熔点降低和疏水增强的基底聚集，在水面上形成油膜，加速了水界面的光化学反应。

2、展示了“水上”光化学方法的应用潜力，可实现克级反应

作者展示了“水上”光化学方法在交叉和自偶联反应、[2+2]环加成和药物分子修饰中的潜力，在流动合成中使用“水上”光化学可以实现克级反应。

技术细节

合成

作者以吲哚(a1)和异喹啉-1-甲腈(b1)作为模型底物开始研究。在 25°C 365 nm 光照射下，水促进N-H芳基化产物c1的形成，产率高达92%。在评估各种溶剂后，观察到与有机溶剂相比，水在促进反应方面更优越，表明水含量和产率之间呈正相关。该反应系统中不存在任何添加剂意味着反应物之间EDA复合物的形成对于实现光诱导交叉偶联反应至关重要。进一步地，作者研究了C(sp²)-N键形成的范围，方案成功扩展以激活C-F 键，随后验证了该系统与带有不同离去基团的底物的兼容性。接下来验证了一系列酚类化合物的反应性，并观察到各种 C(sp² )–O 键的成功形成。给电子和吸电子酚类化合物都能够有效地生成所需的产物。此外，该系统表现出与多种杂芳基底物的相容性。接下来探索了用于交叉偶联反应的苯基硒醇化合物，并将反应方法扩展到C(sp³)–H 键的芳基化，从而能够直接构建 C(sp³ )–C(sp² ) 键。两步连续反应合成的成功实施进一步增强了该策略的实用性。与有机溶剂相比，水不仅改善了各种光化学交叉偶联反应，而且在一系列不同的光反应中表现出显着的加速作用，有望在自偶联反应和[2+2]环加成反应中得到广泛应用。此外，作者还展示了在水界面光化学中使用流动条件进行大规模合成的潜力。    

图  水加速光化学反应

图  标准反应的溶剂筛选和不同条件下总产率的监测

图  底物范围评估 

图  底物范围评估

机理

当白色固体a1和b1在水存在下混合时，出现黄色油滴。熔点测量表明，化合物a1和b1的化学计量混合物形成低共熔混合物，在室温下熔化，产生淡黄色油。水的存在可能会加速这种油性物质在表面上的扩散。该混合物的UV-vis 光谱分析表明，最长波吸收红移到光谱的可见光区域，表明a1和b1之间形成了EDA复合物(EDA-1)。NMR和GC-MS表明，水中微分散的油滴对于偶联反应的成功至关重要。接下来，研究了 EDA-1 与水分子的相互作用，结果表明两相之间的底物交换极快，并证实了EDA-1复合物直接存在于液滴-水界面处。a1和b1在水界面处形成了EDA络合物，其中EDA络合物的N-H基团通过H键与水相互作用，并且在光照射下发生偶联反应。氘同位素效应表明水界面有机反应中的氢键合。基于实验研究，作者提出了水加速光诱导反应的机制。最初，混合反应物时熔点降低，水的疏水作用迫使两种反应物在水面上形成EDA络合物，形成油水界面，反应物中的反应性H原子与水形成H键。该过程加速了光照射下的单电子转移，导致自由基离子对的形成，随后自由基离子对产生自由基并最终产生偶联产物，同时消除阴离子和质子。    

图  大规模合成和机理研究

总之，作者开发了一种新的光化学反应模式，涉及混合具有不同电子亲和力的水不溶性反应物，包括固体化合物。当这些反应物相互作用时，它们形成 EDA 络合物，由此产生的熔点降低与水一起形成氢键连接的共晶油水界面。在光照射下，发生一系列加速的交叉偶联反应。此外，作者还利用了水对光诱导自偶联反应和[2+2]环加成反应的加速作用。实验表明，水界面的光化学反应为增强化学合成提供了机会。该方法非常适合连续反应和流动条件下的药物分子修饰，从而实现分子功能化的多样化并促进其有效的大规模合成。 

参考文献：

Tian Yaming, et al. Accelerated photochemical reactions at oil-water interface exploiting melting point depression. Science, 2024, 383(6684):750-756.

DOI: 10.1126/science.adl3092

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl3092