【JACS】印韩4所高校合作：无催化剂光/电合成实现超越100%法拉第效率-上海善施科技

近日，印度古鲁那纳克戴夫大学Arun Sharma，韩国延世大学Woojae Kim，韩国汉阳大学Hyungjun Kim和韩国浦项科技大学Hyunwoo Kim共同提出了一种无需催化剂，光/电协同活化便可成功实现惰性分子的独特转化的新策略。在温和条件下，光激发产生的中间体经电化学氧化后形成高亲电活性物种，与弱亲核试剂反应后可以高效构建多种杂环化合物。相关成果发表于J. Am. Chem. Soc.

研究背景：近几十年来，光化学与电化学技术在有机合成领域取得重大突破。其中，光电催化技术将光/电化学过程整合于单一催化体系，通过单电子转移（SET）机制实现了特殊反应活性与选择性的精准调控。光电催化主要通过两种模式运行：其一，替代传统光氧化还原催化中具有化学干扰性的氧化剂/还原剂来解决特定挑战；其二，对单一催化剂进行电化学与光化学的串联激活，获得极强的氧化或还原电位，从而在温和条件下实现惰性化学键的活化（Figure 1a）。其中，选择最优的光/电催化剂来实现特定功能至关重要。为突破光电催化的现有边界，作者开发了一种无需光催化剂的新型氧化还原策略：通过底物的直接光活化引发化学反应，随后对光生中间体进行电化学氧化，从而解锁独特反应活性。基于此，作者重新审视了可产生易氧化中间体的经典光化学反应，尤其关注高活性对醌甲基化物（QM）中间体（3）。这类中间体经电化学氧化后，能形成更具亲电性的自由基阳离子中间体4。在无催化剂的光激发电合成策略中，通过p-QM中间体的氧化反应，成功实现了表观法拉第效率（FE）超过100%的转化。

（Figure 1，图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

反应设计与开发：为验证初始假设，循环伏安法（CV）研究了醌类化合物1与苯乙炔5在蓝光照射前后的氧化还原行为（Figure 2A）。蓝光照射2分钟1与5混合物后，1.30 V处出现不可逆氧化峰，且延长光照时间会导致该峰电流增强。这说明光引发的Paternò–Büchi[2+2]环加成/开环过程生成了对醌甲基化物中间体6，进一步氧化形成自由基阳离子4。为证实4的亲电特性，作者设计了以乙腈为亲核试剂的Ritter型反应。在分隔电解池中，以碳毡为阳极、铂片为阴极，LiPF₆为电解质，使1与5在乙腈溶液中反应（Figure 2B）。经过系统优化，在5.0 V恒电压和蓝光照射条件下反应15小时，噁唑产物7的产率达到68%（Figure 2B，entry 1）。在恒电流条件下，表观FE高达120%（entry 2），这一现象暗示该反应存在独特的链式反应机制。

为探究高FE值的机理本质，作者以原位生成的p-QM（6）为底物进行批量电解实验（Figure 2C）。光照条件下产物7的表观FE达157%，显著高于暗态反应的64%。暗反应可能通过6醛基C-H键的氢原子转移（HAT）路径进行，而光照大幅提升的FE值则指向氧化还原链式机制。这些结果不仅证实p-QM是关键中间体，更揭示光照具有双重功能：既促进中间体生成，又通过链式传递使每个电子输入驱动多轮反应。

（Figure 2，图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

机理研究：基于实验观察，作者提出以下反应机制（Figure 3A）：光激发苯醌与炔烃发生环加成生成对醌甲基化物中间体6，再经电化学氧化形成高亲电性自由基阳离子4，随后经历Ritter型亲核进攻、环化、1,2-芳基迁移及消除等步骤，最终还原得到噁唑产物7。为解释表观FE值超100%的现象（路径A），作者推测存在6与10间的单电子转移（SET，路径B）构成氧化还原链式循环。DFT计算显示基态6与10的SET能垒过高，而激发态6*的SET能垒显著降低。飞秒瞬态吸收（fs-TA）实验证实，400 nm光激发使6先跃迁至S₃(π-π*)态（480-730 nm宽吸收），经0.4 ps内转换（τ₁）至S₁(n-π*)态（520 nm特征峰），随后通过29 ps系间窜越（ISC）到T₃态并快速弛豫至T₁态。纳秒瞬态吸收显示T₁态寿命为12.0 ns。这些结果共同揭示了光解作用的三重功能：引发关键中间体生成、通过三重态促进SET、驱动氧化还原链式循环，从而显著提升整体转化效率。

（Figure 3，图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

底物适用范围：在确立最优反应条件与机理后，作者系统考察了噁唑类产物的底物普适性（Table 1）。炔烃适用范围有芳基炔烃（11-17），烷基炔烃（18-23）。反应可在液态腈类（如乙腈、苄腈）溶剂下顺利进行（24-25）。醌类底物拓展到2-甲基苯醌及2-卤代苯醌等衍生物（32-35）。另外，该方法还成功应用于非甾体抗炎药类药物（36-37）与非诺贝特（38-39）等药效团的噁唑官能化修饰，突显该方法在生物活性分子结构改造中的实用价值。

（Table 1，图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

萘酚类亲核试剂的普适性研究：为验证该光激发电合成平台的通用性，作者进一步考察了2-萘酚作为替代亲核试剂的应用（Table 2）。通过调整优化条件，采用化学计量萘酚替代溶剂级腈类，在2.0 V槽电压和TBA•ClO₄电解质条件下，成功构建了萘并呋喃衍生物。不同电子特性的芳基炔烃（41-46）及1-己炔等烷基炔烃（47）均能顺利反应。萘酚环（48-49）或醌（50）的修饰也可实现。非对称取代酚类能够合成功能化苯并呋喃（51-54）。这些成果说明了该平台作为非经典合成策略的强大潜力。通过精确调控光-电协同活化，实现了对多元杂环骨架的高效构建。

（Table 2，图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

总结：

作者开发了一种光激发电合成新范式，通过光/电化学活化的协同作用，实现了惰性分子的高效转化。光诱导产生的对醌甲基化物中间体不仅可通过电化学氧化，还能经三重态介导的氧化还原链式机制被激活，显著提升法拉第效率。这项研究通过融合光驱动反应性与电合成技术，不仅拓展了电化学合成的设计维度，更为惰性分子活化提供了创新解决方案。

论文信息：

Photon-Primed Organic Electrosynthesis Enabled by Oxidation of Photon-Induced Intermediates

Ahhyeon Choi, Doyeon Kim, Daniel Yim, Jungjin Park, Arun Sharma*, Woojae Kim*, Hyungjun Kim*, Hyunwoo Kim*

J. Am. Chem. Soc. 2025

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