摘要：碳-碳（C–C）键的构建是有机化学的核心。近年来，将光氧化还原催化与过渡金属催化相结合的金属光氧化还原催化，为C–C键的形成提供了强大工具。特别是，利用地球上储量丰富的镍作为手性催化剂，在不对称合成领域取得了显著进展（图1A）。然而，直接以来源广泛、结构多样的
碳-碳（C–C）键的构建是有机化学的核心。近年来，将光氧化还原催化与过渡金属催化相结合的金属光氧化还原催化，为C–C键的形成提供了强大工具。特别是，利用地球上储量丰富的镍作为手性催化剂，在不对称合成领域取得了显著进展（图1A）。然而，直接以来源广泛、结构多样的醇作为起始原料，通过C–C键断裂实现高对映选择性的交叉偶联，仍然是一个未得到充分发展的领域。传统方法多依赖贵金属催化剂或需多步预官能团化，限制了其应用。
近日，宁波东方理工大学朱宸研究团队首次将交流电（AC）引入配对光电催化系统（AC-PEC），成功实现了醇类化合物的高对映选择性C(sp3)–C(sp2)交叉偶联反应。该工作融合了电化学、配体-金属电荷转移（LMCT）光催化与不对称镍催化，为手性分子的绿色合成提供了新思路。相关论文发表在Nature Synthesis 期刊，第一作者为刘玮（Wei Liu）博士。
图1. 反应的发展历程以及机理设计。图片来源：Nat. Synth.
此前，左智伟教授课题组发展了一种基于铈催化LMCT过程的策略，实现了醇的脱羟甲基化芳基化反应，展示了利用廉价、可持续金属催化剂进行有机合成的潜力（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 4896）。然而，在将该体系发展为不对称催化版本时，作者遇到了反应效率低和对映选择性控制不佳的问题（图1B）。为应对挑战，他们转而采用直流光电催化（DC-PEC）。结果表明，PEC平台能更有效地促进铈催化循环和镍催化循环，反应在16小时内即可完成，效率远高于纯光催化体系（图1C）。然而，在直流电作用下，带电的过渡金属催化剂（如Ce、Ni配合物）会因静电作用吸附在电极表面的双电层中并不断积累。这种积累不仅阻碍催化效率，还可能导致金属沉积失活，影响体系稳定性。受雷爱文教授等课题组（Science 2024, 385, 216，点击阅读详细; Nat. Synth. 2023, 2, 172）在交流电应用于过渡金属催化交叉偶联方面的开创性工作启发，作者采用了周期性反转电极极性的策略（即使用交流电）。当电流方向交替变化时，锚定过渡金属配合物的静电相互作用被破坏，促使它们从电极表面解吸并返回到本体溶液中（图1D）。这有效防止了金属配合物的长时间积累，降低了过渡金属分解的风险，从而增强了催化反应的长期性能。经过优化，使用频率为0.01 Hz、占空比为50% 的交流电，可将目标产物的产率和ee值分别提高至50% 和99%，经过对配体的筛选优化，最终将产率和ee值分别提高至86%和99%。
图2. 部分底物范围。图片来源：Nat. Synth.
图3. 部分底物范围。图片来源：Nat. Synth.
在最优条件下，作者对底物范围进行了考察。对于α-氨基醇，多种N-苯甲酰基保护的直链和环状α-氨基醇都能顺利参与反应，以良好至优秀的产率和对映选择性得到芳基化产物（3-16）（图2）。对于（烯）芳基溴，芳基溴和烯基溴均可作为偶联配偶体。底物可兼容酯基、酮羰基、氟、三氟甲基、三氟甲氧基、五氟硫烷基（SF5）等多种官能团（17-22）。给电子基团（如甲氧基、苯并呋喃、苯并噻吩）以及敏感的烯烃（25）、醛基（26）、氟原子（19）、硼酸酯（27）等都能很好地耐受（图3）。该光电催化平台还可拓展至不对称三组分烷基-芳基化反应，进一步展示了其合成灵活性（图4）。
图4. 三组分不对称偶联。图片来源：Nat. Synth.
为了进一步探究反应机理，作者进行了电极电势与反应电压监测（图5）：在反应过程中实时监测阴、阳极电势以及整个反应的电压。阴极电位稳定在约-1.5 V（足以还原Ni(II)到Ni(I)），阳极电位约0.25 V（足以氧化Ce(III)到Ce(IV)），证实电化学条件能满足两个催化循环的热力学要求。电压稳定性（AC vs DC）是AC优势的直接体现。使用DC时，电池电压在约8小时后开始持续上升，表明电极表面有副反应（如钝化、催化剂分解）导致电阻增大；而使用0.01 Hz AC时，电压在整个反应期间保持稳定，证明了周期性极性反转有效防止了电极表面的有害积累，维持了系统的高效运行；使用1 Hz AC时电压虽稳定但反应效率低，说明频率过快不利于双电层重建和催化反应的发生。
图5. 电极电位与反应电压监测。图片来源：Nat. Synth.
在模型反应体系中，作者利用DMPO作为自旋捕获剂，探测光照下产生的自由基物种。时间分辨EPR结果（图6）表明，成功检测到了DMPO-OtBu加合物的特征信号。该信号持续存在，证明了在光照下，Ce(IV)-醇盐配合物通过LMCT过程均裂生成叔丁氧自由基的过程持续不断发生。这为LMCT途径提供了直接的光谱证据。
图6. 时间分辨EPR。图片来源：Nat. Synth.
作者随后使用基于密度泛函数理论（DFT）计算阐明了从Ce(III)醇盐配合物氧化至Ce(IV)后，经光激发LMCT过程发生β-断裂，生成关键烷基自由基的详细过程及能垒（图7）。在对LMCT循环的TDDFT计算中，通过优化S2激发态的几何结构得到S2E，结构显示Ce-O键和C1-C2键断裂，同时O=C1键形成双键特征。这清晰地表明，β-断裂是直接发生在激发态，而不是先回到基态再均裂（图7B）。同时作者计算模拟了镍催化循环，发现烷基自由基对Ni(I)中心的捕获和后续的氧化加成步骤共同决定了反应的对映选择性，其中生成R-构型产物的路径在能量上更有利。
图7. DFT计算。图片来源：Nat. Synth.
总结
本研究首次实现了通过不对称镍催化实现游离醇的对映选择性C(sp3)–C(sp2)交叉偶联。更重要的是，它开创性地将交流电引入配对光电催化（AC-PEC），用于不对称氧化还原中性交叉偶联。这种周期性调控电极极性的策略，不仅能维持过渡金属催化剂在溶液中的活性，还优化了电极界面，实现了连续的催化转化。该策略为平衡吸附动力学与催化效率提供了新思路，是增强电催化体系稳健性的关键一步。
该方法使用易得的原料和偶联配偶体，具有广泛的底物适用范围，适用于后期官能团化，并能高效、可放大地合成手性富集的α-（杂）芳基胺类化合物。实验机理研究与理论计算相结合，为理解反应机理和对映选择性起源提供了深刻见解。未来的工作将集中于将AC-PEC策略拓展至对映选择性C(sp3)–C(sp3)键的形成反应。
Applying Alternating Current in Paired Photo-electrocatalysis for Asymmetric Cross-Coupling of Alcohols
Wei Liu, Cai Zhai, Yong Jiang, Li-Pu Wei, Hong-Chen Li, Zongwei Cai & Chen Zhu*
Nat. Synth., 2025, DOI: 10.1038/s44160-025-00875-8
朱宸课题组招聘DFT计算、自动化化学、有机合成博士后
目前，朱宸课题组拟在有机光电合成、DFT计算、机器学习与化学自动化领域招聘博士后数人，或与东方理工陈云天课题组联合培养AI for Chemistry博士后，具体要求如下：
1) 年龄一般不超过35周岁，近3年内已取得或即将取得博士学位；
2) 具有良好的学术背景，较强的科研能力，发表过多篇高水平文章。
3) 具有良好的英语沟通、阅读和写作能力。
4) 具有AI for Chemistry，化学自动化经验者优先考虑。
博士后薪资福利待遇
1) 年薪税前40-60万元（年薪未计算雇主部分五险一金）；同时享有每月额外生活补助，以及过年过节的卡券福利。
2) 缴纳五险一金、带薪年假、节假日福利，可申请入住政府提供的人才公寓（可拎包入住）；
3) 在站期间可向地方政府申请最高不超过20万元的科研经费资助；
4) 对获得中国博士后科学基金资助和省级博士后科研项目资助的，宁波市给予各类项目1:1配套经费支持；
5) 博士后出站留甬工作的，可享受最高不超过60万元的补贴；
诚挚欢迎对该领域有浓厚兴趣的优秀青年人才加入。感兴趣的同学可以直接联系朱宸副教授 (chen.zhu@eitech.edu.cn)。
朱宸简介
朱宸，宁波东方理工大学理学部副教授（研究员、博导），入选2023年国家级海外高层次人才（海外优青）。于2014，2017，2019年分别获德国亚琛工业大学化学系学士、硕士、博士学位。导师为有机化学家Magnus Rueping教授。博士毕业获颁最优等荣誉学位（Summa Cum Laude），获得亚琛工业大学Borchers-Plakette奖章。后任阿卜杜拉国王科技大学博士后、研究科学家。主要研究方向为有机光电合成、过渡金属偶联、DFT计算、机器学习与化学自动化。以第一作者或通讯（含共同）发表论文32篇，包括1篇Nat. Catal.，1篇Nat. Chem.，2篇Nat. Synth.，4篇Nat. Commun.，8篇Angew. Chem. Int. Ed.等。主持国家自然科学基金青年基金、科技部2030 AI for Science重大专项课题负责人等。入选2023，2024，2025年度全球前2%顶尖科学家。
Google Scholar:
https://scholar.google.com/citations?user=qk4aBQkAAAAJ&hl=en
陈云天简介
陈云天，宁波东方理工大学助理教授（副高、博导）。本科毕业于清华大学能源与动力工程系，同时获北京大学经济学双学位，博士提前毕业于北京大学工学院。鹏城实验室博士后，曾任瑞莱智慧联合创始人。发表论文100余篇，主持国家自然科学基金青年科学基金等课题6项。获得Advances in Applied Energy 2021高被引论文奖，甬江人才工程青年创新人才，北京大学优秀毕业生，北京大学创新奖（学术类），北京大学优秀科研奖等荣誉。主要研究方向为科学机器学习，包括知识嵌入与知识发现。
“AI+Chemistry”代表性论文：
1) High-throughput discovery of chemical structure-polarity relationships combining automation and machine-learning techniques, Chem 2022, 8, 3202.
2) Explicit relation between thin film chromatography and column chromatography conditions from statistics and machine learning，Nat. Commun. 2025, 16, 832.
3) Empowering Machines to Think Like Chemists: Unveiling Molecular Structure-Polarity Relationships with Hierarchical Symbolic Regression, arXiv:2401.13904.
刘玮博士（第一作者）简介
刘玮博士在中山大学（Sun Yat-sen University）获得有机化学博士学位（2023.6）。博士研究集中于自由基过程的惰性键断裂转化。2023年12月，他加入东方理工大学朱宸副教授课题组开展博士后研究，其研究主要集中在交流光电催化以及不对称合成。刘玮博士至今在国际知名刊物发表学术论文共10篇，其中以第一作者(含共同)发表论文6篇，包括Nat. Synth., J. Am. Chem. Soc., Org. Lett.等著名期刊。入选2025年“卓越博士后”计划，作为课题骨干参与科技部2030 AI for Science重大专项。刘玮博士的研究将光化学、电化学和不对称化学相结合，旨在解决合成化学领域中的关键挑战，为推动绿色手性合成提供了创新思路。
学校简介
宁波东方理工大学是一所社会力量举办、国家重点支持、省市共同建设的高起点、高水平、国际化的新型研究型大学。由国际知名教育家、中国科学院院士陈十一担任创校校长。学校将以卓越的教育、科研和创新推动社会发展，并以服务社会为使命，注重基础研究、强化工程技术、突出前沿交叉，形成以理学、工学、信息、商科为主，兼备特色人文社科的学科体系。学校坚持“志存高远、求真务实”的培养特色，培养具有“宽厚基础、创新能力、家国情怀、国际视野”的拔尖创新人才。更详细的介绍请见学校主页https://www.eitech.edu.cn/
来源：X一MOL资讯