打破光催化“距离魔咒”！首创“接力式能量传递”，让不对称光化学反应实现质变
在现代有机合成中，光催化被视为打开“高能反应世界”的钥匙。相比传统热反应，光化学可以借助光激发分子电子态，让许多过去难以实现的化学转化成为可能。其中，基于“三重态能量转移”（EnT）的不对称光催化，被认为是构建复杂手性分子的前沿方向之一。然而，这一领域长期存在一个隐藏却致命的问题：为了实现手性控制，研究者必须引入手性催化剂，但催化剂的加入会把底物与光敏剂“隔开”，导致能量无法高效传递。按照经典Dexter能量转移理论，只要分子间距离稍微拉大，能量转移效率就会急剧下降。这种“距离障碍”严重限制了反应效率，甚至让很多理论可行的反应根本无法发生。
今日，南方科技大学谭斌教授团队提出一种全新的“接力式能量转移（relay EnT）”催化模式。他们设计出一类全新的手性能量转移酸催化剂（CETA），让催化剂不再只是“手性控制者”，而成为连接光敏剂与底物之间的“能量桥梁”。借助这一策略，团队成功实现了喹啉与烯烃之间高选择性的光催化[4+2]去芳构化环化反应，不仅突破了传统体系对大量酸促进剂的依赖，还同时实现了优异的区域选择性、非对映选择性和对映选择性，为不对称光催化提供了全新的设计范式。相关成果以“A relay energy transfer paradigm for asymmetric photocatalyzed [4+2] cycloadditions”为题发表在《Science》上，Yong-Bin Wang为第一作者。
研究团队首先回顾了不对称能量转移光催化的发展逻辑（图1A）。传统EnT光催化主要依赖光敏剂吸收光能后，将三重态能量传递给底物，从而激发反应。但一旦引入手性催化剂，问题就出现了：催化剂会与底物形成复合物，而光敏剂却往往位于外围区域，导致两者空间分离（图1B）。由于Dexter能量转移极度依赖轨道重叠，距离一旦超过5–10 Å，能量转移速率便会指数级下降。这意味着，很多手性催化体系其实天然存在一个“能量传递屏障”。为了解决这一问题，过去研究者曾尝试把“光敏单元”和“手性催化单元”直接融合，构建双功能光催化剂（图1C）。这种方式虽然能部分缩短距离，但也带来了新的问题：催化剂结构复杂、可调节性差、适用范围有限。于是，作者提出了一个更加巧妙的思路——既然距离是障碍，那就让催化剂本身成为能量传递中继站（图1D）。在他们设计的新体系中，能量首先从光敏剂传递给催化剂，再由催化剂传递到底物，形成“接力式”能量转移。这样既能保持手性环境，又能保证能量高效流动。为了实现这一构想，团队设计了一类名为CETA的全新手性酸催化剂。其核心结构来源于类似芴的高三重态能量骨架，同时引入N-三氟甲磺酰基膦酰胺酸位点，以及可调节的手性膦中心。研究人员特别强调，相比传统轴手性Brønsted酸，CETA的催化位点更加接近手性中心，因此有望实现更强的立体控制能力（图1D）。
图1：介绍传统不对称能量转移光催化中的距离障碍，并提出“接力式能量转移”新概念以及CETA催化剂设计思路。
接下来，研究团队选择喹啉与烯烃的[4+2]去芳构化环化反应作为模型体系（图2A）。。作者首先测试了传统Brønsted酸催化剂在该反应中的表现（图2B）。结果发现，普通磷酸或膦酰胺虽然能促进反应，但产率低、选择性差；而一旦加入体积更大的手性骨架后，反应活性反而明显下降。研究人员推测，这是因为催化剂侧臂阻碍了光敏剂接近底物，从而加剧了能量转移障碍。更有意思的是，部分传统BINOL型催化剂甚至会完全抑制反应。这一结果直接证明：催化剂介导的空间隔离，确实是影响EnT光催化效率的核心问题。而新设计的CETA催化剂则展现出完全不同的表现。最初的非手性CETA-1已经能够显著提高产率与区域选择性；随后，通过不断调节侧臂结构，研究人员逐步优化手性环境，使对映选择性持续提升。从CETA-2到CETA-7，体系最终实现了94%的产率、90%的ee值、99:1的区域选择性以及86:14的非对映选择性。尤其值得注意的是，即便催化剂结构越来越庞大，其活性却并未像传统体系那样下降，这从侧面说明：CETA确实绕开了传统EnT体系中的“距离障碍”。
图2：展示CETA催化剂在喹啉-烯烃[4+2]去芳构化环化中的优化过程，以及相比传统手性酸催化剂的明显优势。
为了证明这一机制，团队进行了大量机理研究（图3A）。首先，通过核磁滴定与单晶衍射，他们确认CETA会与喹啉形成稳定氢键复合物。随后，研究人员发现，传统催化剂体系会显著削弱光敏剂与底物之间的淬灭效率，而CETA体系则能够保持较强的能量传递能力（图3C）。更关键的证据来自理论计算与瞬态光谱实验。DFT计算显示，CETA的前线轨道部分分布在靠近底物的位置（图3B），为轨道重叠提供了条件，也就意味着它具备作为“能量中继”的潜力。磷光能级分析进一步证明，光敏剂→CETA→喹啉这一能量接力在热力学上完全可行（图3D）。随后，团队利用纳秒瞬态吸收光谱捕捉到了真正的“能量接力过程”（图3F）。实验显示，光敏剂首先把能量传递给CETA，随后CETA再把能量传递给喹啉。更令人惊讶的是，CETA不仅帮助完成能量转移，还显著延长了激发态喹啉的寿命。原本只有2.73 ns寿命的激发态，在CETA存在下被延长到80.5 ns。换句话说，催化剂不仅是“桥”，还是“稳压器”，让高能中间体能够活得更久，从而有更充足时间完成反应。
图3：通过晶体结构、DFT计算、瞬态吸收光谱等实验，证明CETA能够作为能量中继，实现光敏剂到喹啉之间的接力式能量转移。
在确认机制后，研究人员提出了完整反应路径（图4A）。首先，CETA与喹啉形成氢键复合物；随后，光敏剂把能量转交给CETA，再由CETA传递给被活化的喹啉。得到长寿命三重态后的喹啉，会以特定空间取向与烯烃发生自由基加成，并最终形成具有多个手性中心的环化产物。整个过程中，CETA不仅决定能量流向，还控制底物进攻方向，因此能够同时调节区域选择性、非对映选择性和对映选择性。接下来，团队系统考察了底物普适性（图4B）。结果显示，不同位置取代的喹啉都能够顺利参与反应。尤其有趣的是，CETA甚至改变了部分底物原本的区域选择性。例如，6位取代喹啉在传统酸条件下通常得到另一种区域异构体，但在CETA体系中却优先生成全新的产物。这说明，催化剂不仅改变了反应效率，还重新塑造了反应轨迹。
图4：提出完整反应机理，并展示不同喹啉底物在该体系中的高效不对称环化结果。
随后，研究人员进一步拓展烯烃范围（图5A）。从简单线性末端烯烃，到支链烯烃、含酯基、氰基、羟基、羧基等功能化烯烃，都能顺利反应，并保持高收率和高ee值。甚至电子丰富的乙烯醚、乙烯酯，以及复杂药物分子中的烯烃片段，也都能成功实现后期修饰。这意味着，该体系不仅具有理论价值，也具备很强的实际应用潜力。研究团队还对所得手性产物进行了后续转化（图5B）。例如，他们通过简单甲基化反应得到吡啶鎓盐，并利用其与手性联萘二醇形成主客体复合物，实现手性识别与拆分。这表明，这些光催化产物不仅是“终点分子”，还可以进一步发展为手性材料或超分子化学工具。
图5：展示体系对多种烯烃及复杂药物分子的广泛兼容性，以及所得手性产物的后续转化与应用潜力。
小结
总体来看，这项工作真正重要的地方，并不仅仅是开发了一种新催化剂，而是首次明确指出：在不对称能量转移光催化中，“催化剂造成的空间隔离”本身就是一个根本性瓶颈。作者提出的“接力式能量转移”概念，相当于为整个领域重新设计了能量流动方式。未来，这种“能量桥梁”思路有望推广到更多光催化体系，包括不对称环加成、自由基反应乃至光驱动材料化学中。对于长期受限于Dexter距离约束的EnT光催化而言，这项成果或许意味着一个全新时代的开始。
金控配资提示：文章来自网络，不代表本站观点。
