《Nature Communications》：“On-water” photosensitization enables redox neutral acylation and alkylation of quinones
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本研究针对醌类化合物在传统光催化C-H官能团化反应中面临的高还原电位与光敏剂能量不匹配的难题，创新性地提出了在“水-油”界面上进行光化学转化。研究人员系统开展了“On-water”界面光敏化策略研究，实现了醌类化合物在可见光照射下的氧化还原中性酰基化与烷基化。结果表明，水界面独特的氢键网络可同时稳定醌的光激发态并提升光敏剂激发能，从而高效驱动氢原子转移（HAT）与自由基重组，成功合成了一系列2-位官能团化的氢醌类产物。该工作为醌类衍生物的绿色合成提供了新范式，并展示了在药物分子修饰中的应用潜力。
在合成化学的广袤天地中，如何高效、精准且环境友好地构建碳-碳（C?C）键，始终是化学家们孜孜以求的核心目标。醌类化合物，作为一类重要的有机结构单元，广泛存在于天然产物、药物分子及功能材料中。对其特定位置进行官能团化，是获得具有新颖生物活性或物理化学性质分子的关键。传统上，实现醌的C-H键直接酰基化或烷基化通常依赖于过渡金属催化或苛刻的氧化还原条件，这些方法往往步骤繁琐、原子经济性差，且可能产生环境不友好的副产物。近年来，可见光催化凭借其温和、清洁和可持续的特性，为有机合成带来了革命性的变化。然而，将这一强大工具应用于醌的修饰时，却遇到了一个显著的“能量鸿沟”：许多醌类底物的光激发态能量较高，而常见有机光敏剂（如Eosin Y）的激发态能量相对较低，两者难以发生有效的能量转移，导致光催化循环无法启动。那么，有没有一种巧妙的策略，能够架起桥梁，跨越这道能量鸿沟，让可见光温和地照亮醌类化合物的转化之路呢？
近期发表于《Nature Communications》的一项研究给出了一个别出心裁的答案：将反应场所从均相溶液转移到“水-油”界面。研究人员受到自然界中许多生物化学反应在界面高效进行的启发，设想水与有机溶剂形成的微观界面可能具备独特的物理化学性质，能够改变反应物与光敏剂的激发态行为。他们的核心研究问题是：能否利用水-油界面的特殊环境，实现醌类化合物在可见光照射下的氧化还原中性（即反应过程中净氧化态不变）Friedel-Crafts酰基化和烷基化反应？
为了回答这一问题，研究团队主要采用了以下关键技术方法：利用核磁共振氢谱（1H NMR）、理论计算（如密度泛函理论DFT）和荧光光谱等手段，从实验和理论层面深入探究了水界面对醌和光敏剂Eosin Y激发态能量的调控机制；通过设计一系列条件实验和自由基捕获实验，并结合动力学同位素效应（KIE）研究，系统阐明了反应经由氢原子转移（HAT）途径的详细机理；该方法的普适性通过使用包括药物分子衍生物在内的多种芳香/脂肪醛、醚、硫醚、烷烃、硅烷和胺作为酰基化或烷基化试剂进行验证；此外，还成功进行了克级规模放大实验，并对产物进行了后续衍生化，以展示其合成应用潜力。
研究结果揭示了水界面在光化学转化中的关键作用：
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界面氢键网络稳定醌激发态：光谱学证据和计算研究表明，水表面存在一个高内聚能密度和扩展的氢键网络。醌分子在界面上与水分子形成广泛的氢键相互作用，这显著稳定了其光激发态，从而降低了激发态能量。
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提升光敏剂激发能：与此同时，相同的界面环境对光敏剂Eosin Y产生了相反的影响，略微提高了其激发态能量。这一“一降一升”的组合效应，成功缩小了醌与光敏剂之间的激发态能量差，使得在可见光照射下，从Eosin Y到醌的能量转移（即光敏化过程）得以高效进行。
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阐明氧化还原中性HAT机理：机理研究表明，C?C键的形成并非通过传统的电子转移-质子转移（PCET）路径，而是经历了氢原子转移过程。反应中，醛或烷基反应物向光激发的醌直接转移一个氢原子（H），随后产生的自由基对进行快速重组，整个历程保持氧化还原中性，高效地生成了2-位官能团化的氢醌产物。
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展示广泛的底物适用性：该方法展现出优异的普适性。不仅适用于多种芳香醛和脂肪醛（包括源自天然产物和合成药物的醛），还能以醚、硫醚、直链烷烃、硅烷甚至胺类作为烷基化试剂，实现了醌的多样化官能团化。
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验证合成实用性与衍生潜力：反应可顺利放大至克级规模，证明了其实际制备价值。此外，获得的酰基化氢醌产物能够进一步转化为其他有价值的结构，如酯、醚等，凸显了该方法在复杂分子合成中的实用价值。
结论与讨论：本研究成功开发了一种在“水-油”界面进行的、可见光驱动的醌类化合物氧化还原中性酰基化与烷基化新方法。该工作的核心创新在于巧妙利用了水界面的物理化学特性，通过形成超分子氢键网络，同时调节醌底物与光敏剂的激发态能量，解决了传统均相光催化中能量不匹配的关键瓶颈，从而实现了之前难以进行的转化。所阐明的经由氢原子转移的氧化还原中性机理，为理解界面光化学反应提供了新的视角。该方法条件温和（可见光、室温、无需外加氧化还原剂）、底物范围宽广、官能团兼容性好，并且具有良好的可放大性，为醌类衍生物、特别是药物相关分子的绿色合成与后期修饰提供了一种强有力的工具。这项研究不仅推进了醌化学和光催化领域的发展，也生动展示了如何通过改变反应微环境（如利用界面）来调控光物理与光化学过程，从而突破反应限制，这为设计新型的“绿色”合成策略提供了重要的思路启发。
