特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨彤心未泯（米測 技術中心）
編輯丨風云
水是生物化學轉化的通用溶劑，在疏水特性的驅動下，有利于酶內底物結合、膜和囊泡的形成以及藥物與受體的結合。研究表明，水可以加速各種有機反應，其速度遠遠超出經典有機溶劑中觀察到的速度。目前，光化學已成為推進有機合成的關鍵方法。
然而，純水中光化學轉化仍存在以下問題：
1、迄今為止，使用純水作為光化學轉化溶劑受到的關注還很有限
盡管水介質中光誘導轉化的一些應用已經開始出現，但與常用的有機溶劑相比，這些反應并沒有充分發掘水在加速有機轉化方面的潛力。其局限性可歸因于涉及過渡金屬的復雜反應條件、共溶劑的使用、各種催化劑的存在等因素。
2、電子供體-受體(EDA)光化學領域仍處于新生階段
EDA光化學不依賴于外源光敏劑的存在，關注于具有不同電子親和力的分子之間的聚集，該策略提供了簡單的反應條件，并利用水的潛力來促進有機轉化，但該領域仍處于新生階段，為探索和突破提供了大量機會。
有鑒于此，雷根斯堡大學Burkhard K?nig等人結合固體混合物的熔點降低和疏水增強的基底聚集，導致在水面上形成油膜。這些良好鋪展的薄有機液膜的條件加速了水界面的光化學反應。報道了在水相介質中，具有不同電子親和性的芳烴、雜芳烴、烯胺或酯之間形成聚集體，通過底物熔點降低形成油水相邊界。反應物中的活性氫原子與水形成氫鍵，從而加速光化學反應。
技術方案：
1、闡明了合成反應的底物研究范圍和大規模應用
作者闡明了模型底物的反應合成過程，證實了反應方案對C(sp2)-N、C-F、C(sp2 )–O、C(sp3)–H、C(sp3 )–C(sp2 )等多種有機結構的適用性，并展示了在水界面光化學中使用流動條件進行大規模合成的潛力。
2、解析了水加速光誘導反應機制
作者基于實驗研究提出了水加速光誘導反應的機制，表明反應物中的活性氫原子與水形成氫鍵，從而加速光化學反應。
技術優勢：
1、利用熔點降低實現了油水界面光化學反應加速
作者通過結合固體混合物的熔點降低和疏水增強的基底聚集，在水面上形成油膜，加速了水界面的光化學反應。
2、展示了“水上”光化學方法的應用潛力，可實現克級反應
作者展示了“水上”光化學方法在交叉和自偶聯反應、[2+2]環加成和藥物分子修飾中的潛力，在流動合成中使用“水上”光化學可以實現克級反應。
技術細節
合成
作者以吲哚(a1)和異喹啉-1-甲腈(b1)作為模型底物開始研究。在 25°C 365 nm 光照射下，水促進N-H芳基化產物c1的形成，產率高達92%。在評估各種溶劑后，觀察到與有機溶劑相比，水在促進反應方面更優越，表明水含量和產率之間呈正相關。該反應系統中不存在任何添加劑意味著反應物之間EDA復合物的形成對于實現光誘導交叉偶聯反應至關重要。進一步地，作者研究了C(sp2)-N鍵形成的范圍，方案成功擴展以激活C-F 鍵，隨后驗證了該系統與帶有不同離去基團的底物的兼容性。接下來驗證了一系列酚類化合物的反應性，并觀察到各種 C(sp2 )–O 鍵的成功形成。給電子和吸電子酚類化合物都能夠有效地生成所需的產物。此外，該系統表現出與多種雜芳基底物的相容性。接下來探索了用于交叉偶聯反應的苯基硒醇化合物，并將反應方法擴展到C(sp3)–H 鍵的芳基化，從而能夠直接構建 C(sp3 )–C(sp2 ) 鍵。兩步連續反應合成的成功實施進一步增強了該策略的實用性。與有機溶劑相比，水不僅改善了各種光化學交叉偶聯反應，而且在一系列不同的光反應中表現出顯著的加速作用，有望在自偶聯反應和[2+2]環加成反應中得到廣泛應用。此外，作者還展示了在水界面光化學中使用流動條件進行大規模合成的潛力。
圖 水加速光化學反應
圖 標準反應的溶劑篩選和不同條件下總產率的監測
圖 底物范圍評估
圖 底物范圍評估
機理
當白色固體a1和b1在水存在下混合時，出現黃色油滴。熔點測量表明，化合物a1和b1的化學計量混合物形成低共熔混合物，在室溫下熔化，產生淡黃色油。水的存在可能會加速這種油性物質在表面上的擴散。該混合物的UV-vis 光譜分析表明，最長波吸收紅移到光譜的可見光區域，表明a1和b1之間形成了EDA復合物(EDA-1)。NMR和GC-MS表明，水中微分散的油滴對于偶聯反應的成功至關重要。接下來，研究了 EDA-1 與水分子的相互作用，結果表明兩相之間的底物交換極快，并證實了EDA-1復合物直接存在于液滴-水界面處。a1和b1在水界面處形成了EDA絡合物，其中EDA絡合物的N-H基團通過H鍵與水相互作用，并且在光照射下發生偶聯反應。氘同位素效應表明水界面有機反應中的氫鍵合。基于實驗研究，作者提出了水加速光誘導反應的機制。最初，混合反應物時熔點降低，水的疏水作用迫使兩種反應物在水面上形成EDA絡合物，形成油水界面，反應物中的反應性H原子與水形成H鍵。該過程加速了光照射下的單電子轉移，導致自由基離子對的形成，隨后自由基離子對產生自由基并最終產生偶聯產物，同時消除陰離子和質子。
圖 大規模合成和機理研究
總之，作者開發了一種新的光化學反應模式，涉及混合具有不同電子親和力的水不溶性反應物，包括固體化合物。當這些反應物相互作用時，它們形成 EDA 絡合物，由此產生的熔點降低與水一起形成氫鍵連接的共晶油水界面。在光照射下，發生一系列加速的交叉偶聯反應。此外，作者還利用了水對光誘導自偶聯反應和[2+2]環加成反應的加速作用。實驗表明，水界面的光化學反應為增強化學合成提供了機會。該方法非常適合連續反應和流動條件下的藥物分子修飾，從而實現分子功能化的多樣化并促進其有效的大規模合成。
參考文獻：
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
