大家好！大自然中，植物通过光合作用把太阳能变成化学能，这过程神奇又美妙。如今，受此启发的人工光合作用研究正开展得如火如荼。今天，咱们就一起来了解一篇相关研究——《Artificial photosynthesis directed toward organic synthesis》发表于《nature communications》。它聚焦人工光合作用用于有机合成领域，成功实现了碳碳双键的碳羟基化反应，还能产生氢气。这一成果或许会颠覆传统有机合成，快来看看科学家们是如何做到的吧！

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景

在大自然中，植物通过水氧化将太阳能转化为化学能，这一自然光合作用在地球能量流动里起着关键作用。受此启发，人工光合作用作为一种利用水作为电子供体和原料，由太阳能驱动的非自然、热力学上吸能（ΔG∘>0）的反应，在可持续发展和绿色科技领域越来越受关注。像水分解、二氧化碳转化为燃料这些通过水氧化进行的无机合成反应，已经吸引了大量目光。

不过，利用人工光合作用合成高价值的功能化有机化合物，也就是我们所说的“面向有机合成的人工光合作用（APOS）”，仍然是一个巨大的挑战。今天，就带大家了解一项在APOS领域具有开创性意义的研究。

二、研究关键概念

先来讲两个重要概念，一个是自然光合作用，它是植物里一系列复杂的级联反应。在光反应阶段，水被氧化；到了暗反应阶段（卡尔文循环），二氧化碳被还原固定，进而产生富含能量的葡萄糖。整个过程从可再生的太阳能获取化学能，吉布斯自由能变化（ΔG∘）为+2880kJmol−1。

另一个就是人工光合作用，它被定义为利用水作为电子供体和原料，由太阳能驱动的非自然、热力学上吸能（ΔG∘>0）的反应。而我们这项研究聚焦的APOS，是一种符合人工光合作用所有标准、对有机合成有用的有机-有机转化反应。

三、碳羟基化反应的研究现状与挑战

碳碳双键的碳羟基化反应是构建高功能化醇的重要方法。在传统的自由基-阳离子交叉级联反应机制里，虽然有过渡金属催化、电化学和光催化等方法可以实现苯乙烯衍生物的碳羟基化反应，但这些方法存在不少问题。

比如使用带有离去基团（LG≠H）的自由基前体，会不可避免地生成大量热力学稳定的废弃物（ΔG∘<0），而且有些离去基团还会和具有亲核性的水发生不良取代反应。从原子经济性的角度看，理想的副产物是氢气（H2），它分子量小，燃烧时无污染，还能释放大量热能或电能，是很有吸引力的能源载体。然而，之前报道的通过碳氢键活化进行的碳羟基化反应，使用了过量的X（杂原子中心自由基），最终产生的是能量较低的废弃物（XH），而不是能量丰富的氢气。并且，这些传统过程是热力学上的放能反应（ΔG∘<0），能量利用效率不高。还有，一些光催化系统虽然能实现独特的脱氢转化，但还没有利用太阳光，水作为电子供体的作用以及这类反应在有机合成中的潜在可扩展性也有待明确。

四、研究成果展示

1、反应优化

研究团队一开始探索了各种半导体光催化剂的组合，用于α-甲基苯乙烯（1a）、乙腈（2a）和水的三组分偶联反应，生成醇3aa和氢气（H2）。

实验发现，单独使用Ag/TiO2时，会生成1a和2a的二组分加合物4；SrTiO3:Al与Ag/TiO2组合时，同样会生成4；而RhCr/SrTiO3:Al能选择性地生成三组分偶联产物3aa并产生氢气；RhCrCo/SrTiO3:Al更是大幅提高了3aa和氢气的产率，不过会伴随少量5（可能是苄基自由基中间体二聚产生的）。如果用Pt/TiO2代替RhCrCo/SrTiO3:Al，虽然能促进氢气产生，但5会成为主要产物，3aa的产率很低。

这一系列实验表明，RhCrCo/SrTiO3:Al不仅在氢气产生过程中起关键作用，还对苄基自由基向苄基阳离子的氧化自由基-阳离子交叉过程至关重要；而Ag/TiO2对于高效活化碳氢键必不可少。此外，研究还优化了Ag在TiO2上的负载量、Ag/TiO2与RhCrCo/SrTiO3:Al的比例、碱添加剂LiOH的浓度和用量等反应条件。

2、底物范围：

确定标准反应条件后，研究团队对底物范围进行了探索。结果显示，多种功能化的苯乙烯衍生物都能适应该反应条件。富电子的甲基苯乙烯1b比缺电子的衍生物1c-1f反应更顺利；卤原子（F、Cl、Br）都能很好地兼容；α,β-未取代的苯乙烯衍生物产率相对较低，而1,1-二芳基乙烯是更合适的底物，甚至可以进行1 mmol规模的反应。乙烯基吡啶、乙烯基噻吩衍生物以及β-甲基化的苯乙烯衍生物也能以中等产率得到产物。从药物分子合成的结构复杂的苯乙烯衍生物，也能转化为更具功能性的产物。

同时，研究还发现，与水混溶的有机溶剂适用于该转化反应，比如丙酮、乙醛的碳氢键能顺利进行功能化反应，还能引入多种官能团；而极性较小的溶剂则无法得到二组分和三组分偶联产物1。

3. APOS的验证：

为了进一步展示该方法的合成潜力，研究团队进行了特非那定（一种重要的抗组胺药物）的合成。以市售的4-叔丁基苯乙烯（1g）为原料，经过三组分偶联、还原、还原胺化等步骤，成功合成了特非那定。

此外，带有亲核羟基的1,1-二芳基乙烯1s通过分子内的环化反应，生成了1,3-二氢异苯并呋喃衍生物13，这种环化反应对生物活性分子的合成很有帮助。

通过DFT计算、太阳能模拟器照射实验以及使用18OH2的标记实验，证实了该反应是吸热反应（ΔG∘>0），符合人工光合作用的标准，水是醇产物中氧原子的主要来源。

五、反应机理探讨

基于研究结果和之前对Ag/TiO2碳氢键功能化、RhCrCo/SrTiO3:Al水分解的研究，团队提出了一个合理的反应机理。

当光激发时，TiO2和SrTiO3:Al产生激发态的电子-空穴对。SrTiO3:Al的激发态电子和空穴分别被表面的RhCr粒子和Co粒子捕获；TiO2的激发态电子转移到Ag粒子上，空穴则被吸附在TiO2表面的水分子捕获。界面水被TiO2的空穴氧化成羟基自由基（・OH），与水混溶的有机分子（2，R-H）通过氢原子转移（HAT）将氢原子转移给・OH，生成碳中心自由基（R'）。R'加成到苯乙烯衍生物1的碳碳双键上，生成的苄基自由基被SrTiO3:Al表面Co粒子上的空穴氧化成苄基阳离子中间体，然后水对碳正离子进行亲核进攻，得到三组分偶联产物3。

同时，水在SrTiO3:Al表面Co粒子的空穴作用下被氧化成氧气（O2），但在标准反应条件下，O2会在TiO2表面Ag粒子处与激发态电子结合，重新生成水，所以O2相当于两个半导体之间的氧化还原介质（电子穿梭体）。最后，SrTiO3:Al的一对激发态电子和一对质子在RhCr粒子上积累并结合，生成氢气。

六、研究总结与展望

研究团队开发了一种基于Ag/TiO2和RhCrCo/SrTiO3:Al双半导体功能的光催化系统，实现了以水为原料的APOS反应。该系统通过碳氢键活化，实现了苯乙烯衍生物的碳羟基化反应并产生氢气，这是一个由模拟太阳光诱导的吸热反应，水在反应中扮演了羟基自由基源、电子供体和氧原子源的三重角色。这种化学选择性的三组分偶联反应涉及多个氧化还原/氢原子转移过程，能够快速、绿色地合成有价值且结构复杂的有机化合物，为半导体光催化剂促进的绿色可持续有机合成方法开辟了新道路。未来，有望基于此研究进一步拓展APOS的应用范围，开发更多高效、绿色的有机合成方法。

七、一起来做做题吧

1、关于自然光合作用与人工光合作用，下列说法正确的是？

A. 自然光合作用是放热反应

B. 人工光合作用的所有反应都已广泛应用

C. 自然光合作用暗反应阶段进行水的氧化

D. 人工光合作用利用水作为电子供体和原料

2、在苯乙烯衍生物的碳羟基化反应研究中，传统方法存在的问题不包括？

A. 产生大量废弃物

B. 离去基团与水发生不良取代

C. 原子经济性高

D. 反应为放能反应，能量利用效率低

3、在反应优化实验中，以下哪种光催化剂组合对生成三组分偶联产物 3aa 和 H₂效果最佳？

A. Ag/TiO₂

B. SrTiO₃:Al 与 Ag/TiO₂

C. RhCrCo/SrTiO₃:Al

D. Pt/TiO₂

参考文献：

Mori, S., et al. Artificial photosynthesis directed toward organic synthesis. Nat Commun 16, 1797 (2025).