摘要：差向异构化（epimerization）能在不破坏分子骨架的前提下仅翻转一个立体中心，是分子后期修饰的重要手段。近年，陈弓、Wendlandt、MacMillan 等团队已通过光催化与自由基途径，实现了三级碳中心的可控构型翻转。然而，将这一过程拓展至电化学体系
差向异构化（epimerization）能在不破坏分子骨架的前提下仅翻转一个立体中心，是分子后期修饰的重要手段。近年，陈弓、Wendlandt、MacMillan 等团队已通过光催化与自由基途径，实现了三级碳中心的可控构型翻转。然而，将这一过程拓展至电化学体系却长期受制于“氧化还原不相容”，即，氧化性与还原性催化剂在同一体系中相互干扰：做氧化的易被还原，做还原的反而被氧化。
南方科技大学王健纯（点击查看介绍）课题组近日在 JACS 报道了一种基于交变电流（AC）的解决方案——“耗尽–再生（deplete–regenerate）”策略。在他们此前 2024 年的工作中（Nat. Catal., 2024, 7, 878，点击阅读详细），该团队利用化学修饰电极（CME）实现了通过“空间分离”克服氧化还原不相容的循环去消旋化。受 Baran、雷爱文等研究者在交流电有机电合成领域成果的启发，他们将这一思路进一步拓展为“时间分离”：利用交变电流，让氧化与还原在时间维度上依次发生，实现了电催化差向异构化。这被他们称为“耗尽–再生”策略：在每个交变周期的阳极半程，硫醇被完全氧化为二硫化物（即“耗尽”），并进一步氧化夺氢媒介以活化底物；紧接着在阴极半程，极性反转，二硫化物又被还原回硫醇（即“再生”），还原自由基中间体。
图1. 通过时间域氧化还原控制实现的电催化差向异构化。
在确立“耗尽–再生”策略后，研究团队对反应条件进行了系统筛选与优化。首先验证的是电流模式。直流电（DC）条件下，体系中仅检测到氧化性副产物。而在交变电流（AC）条件下，反应才开始得到产物。有趣的是无论使用硫醇还是二硫化物，反应均可进行，标准条件使用二硫化物作为供氢媒介，在体系中原位生成硫醇。接下来，作者重点考察了交变频率对反应效率的影响。结果发现，频率过低时，体系过度氧化；而频率过高时，电流切换过快，来不及反应，导致转化率显著下降。只有在0.5 Hz 左右时，氧化与还原的时间窗口恰到好处。此外，更多的控制实验表明，HAA媒介和HAD媒介的选择、水的存在、电极的选择、溶剂的选择都很重要。
图2. 反应发展与对照实验。
为验证“耗尽–再生”的工作原理，研究团队设计了多组实验。（1）氘代实验结果暗示硫醇为供氢媒介。（2）动力学跟踪结果表明，若使用硫醇，反应前 40 min 基本无产物生成，硫醇与二硫化物的浓度达到平衡后才启动主反应，显示体系存在“硫醇与二硫相互转化”的诱导期；使用二硫则会反过来首先部分转化为硫醇。如果在直流条件下，使用硫醇则首先会发生硫醇完全氧化为二硫，紧接着发生过度氧化的副产物；而使用二硫则立刻得到过度氧化的副产物，但都不会得到产物。这些动力学实验说明了硫醇优先被氧化，即氧化还原不兼容。（3）无水条件下产物完全消失，仅生成过度氧化副产物，且无法再生硫醇，说明水对于硫醇再生的重要性。（4）CV + NMR 联合分析暗示两者存在氢键作用，导致硫醇优先被氧化。（5）低频、直流或高频下硫醇都无法再生，证实了频率依赖性。
图3. 机理研究。
这些结果共同证明，交变电流的周期切换就像反应的“节拍器”：阳极阶段耗尽硫醇后再触发夺氢媒介的氧化以便氧化底物；阴极阶段再生硫醇以完成自由基中间体的还氢。这一时间域分工，让氧化与还原互不干扰，化解了“氧化还原不相容”的老问题。
图4. 交变电流频率效应与“耗尽–再生”机理示意。
该团队还展示了方法的适用性：从五元到七元环，从芳香族到脂肪族二醇，以及生物活性分子都能顺利实现顺-反差向异构化。此外，加入硼酸还能稳定顺式构型，实现反-顺转化：一个体系，双向可控。
图5. 二醇“顺到反”差向异构化的底物适用范围。
图6. 二醇“反到顺”差向异构化的底物适用范围。
综上所述，本研究通过交变电流电解策略，实现了二醇的差向异构化。该体系在时间域上实现氧化与还原的分离，克服了电催化异构化反应中普遍存在的氧化还原不相容问题。该“耗尽–再生”机制与此前的化学修饰电极（CME）空间域分离策略形成互补，展示了其在电化学异构化中的独特潜力，也为复杂分子的构型控制提供了新的工具。
南方科技大学为论文唯一通讯单位，王健纯研究员为通讯作者，博士后祁少龙与硕士生殷度人为论文共同第一作者。上述工作得到了国家自然科学基金委员会、科技部国家重点研发计划、广东省自然科学基金委、广东省催化化学重点实验室、深圳市科创委的经费支持。
Alternating Current-Driven Diol Epimerization via a Deplete–Regenerate Strategy
Shaolong Qi, Duren Yin, Changqin Huang, Jingyun Huang, Jianchun Wang*
J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI 10.1021/jacs.5c13881
作者介绍
王健纯博士，研究员（副教授），博导，课题组长。2014年本科毕业于北京大学，导师为马玉国教授。 2019年博士毕业于美国芝加哥大学，导师为董广彬教授。2019年至2021年在美国加州理工学院从事博士后研究，导师为Robert H. Grubbs教授。2021年10月加入南方科技大学，研究领域为有机电合成方向，致力于研制新型电催化材料和开发新型电催化剂来解决有机合成中的难题。课题组主页：https://faculty.sustech.edu.cn/wangjc3/
王健纯博士迄今共发表论文31篇。独立后以通讯作者发表Nat. Catal. （1篇），J. Am. Chem. Soc.（2篇），Angew. Chem. Int. Ed.（1篇）。独立前以通讯或第一作者（含共同）发表论文12篇，包括Nat. Chem.（2篇），J. Am. Chem. Soc.（3篇），Angew. Chem. Int. Ed.（3篇），Chem（1篇），Chem. Rev.（1篇）等。
近期成果
1. Qi, S.#; Yin, D.#; Huang, C.; Huang, J.; Wang, J.* "Alternating Current-Driven Diol Epimerization via a Deplete–Regenerate Strategy." J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI 10.1021/jacs.5c13881.
2. Song, X.#; Huang, Y.-Q.#; Zhao, B.; Wu, H.; Qi, X.*; Wang, J.* "Proton-Modulated Nickel Hydride Electrocatalysis for Hydrogenation of Unsaturated Bonds and Olefin Isomerization." J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 20644-20656.
3. Qi, S.#; Yin, D.#; Hu, L.; Huang, C.; Xie, R.; Lu, G.*; Wang, J.* "Iron-Catalyzed Reductive Allylic C−H Amination of Olefin with Nitroarenes via Intermolecular Nitroso Ene Reaction." Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202504750.
4. Zhu, C.-J., Yang, X., Wang, J.* “Electrocatalytic Cyclic Deracemization Enabled by a Chemically Modified Electrode” Nat. Catal. 2024, 7, 878-888.
来源：X一MOL资讯