期刊：Nature Communications (2024)通讯作者：程旭（南京大学）第一作者：Mengfan Li标题：Aggregation-induced C–C bond formation on an electrode driven by the surface tension of waterDOI：10.1038/s41467-024-52042-w

1. 研究背景与挑战

电化学有机合成凭借其以电子作为清洁氧化还原剂的特性，被视为实现绿色化工的重要途径。然而，绝大多数有机电合成反应必须在有机溶剂（如乙腈、DMF）中进行。这是因为：

• 溶解性与传质需求：有机底物多为疏水性，需均相溶液以保证电极表面的有效传质。
• 避免副反应：均相体系中自由基浓度可控，可减少二聚、过度氧化等副反应。

水作为溶剂虽然绿色、安全、廉价，但有机底物在水中的溶解性极差，往往需要加入大量有机共溶剂或表面活性剂。若刻意回避这些添加剂，疏水底物会在水相中自发聚集，传统观念认为这会加剧传质不均、引发不可控的副反应，因而常被视作一种需要克服的负面现象。

本工作反其道而行之，首次提出：能否利用疏水底物在电极界面的“聚集效应”来创造独特的反应微环境，从而驱动高选择性的自由基偶联？ 这是一个极具颠覆性的思路。

2. 核心策略与设计思想

作者构建了一个 “推-拉”协同体系：

• 推力：水的表面张力。水分子间强大的氢键网络对疏水有机物产生排斥，迫使其向疏水界面迁移。
• 拉力：亲脂性电极。选用石墨毡（Graphite Felt, GF）这类高比表面积、疏水性强的碳基电极，对有机底物有强的亲和力。

在这两种力作用下，疏水底物（如芳香醛）会在电极表面自发形成一层微米至纳米级的富集有机相。该聚集层相当于一个天然的“无溶剂微反应器”，带来三大优势：

1. 局部浓度极高：电极表面底物浓度远高于本体溶液，极大促进了电子转移。
2. 自由基限域效应：产生的自由基中间体被束缚在聚集层内，有效抑制其向本体溶液扩散和双分子二聚副反应。
3. 自发产物分离：产物因引入极性基团（如羟基）而水溶性增加，生成后自动脱离电极表面进入水相，实现“反应-分离”一体化。

3. 关键实验证据解析

作者通过一系列精巧的实验，确凿证实了聚集层的存在及其决定性的作用。

3.1 聚集行为的直接与间接证据

• 质量分布定量：在纯水-石墨毡体系中，约 90% 的芳香醛底物被检测到聚集在电极表面，而非均匀溶解在水中。作为对比，在乙腈均相体系中，底物均匀分布在溶液中。
• 循环伏安特性：水相中芳香醛的还原峰电位较有机溶剂中明显正移，表明聚集态底物更容易得到电子，电子转移动力学更有利。同时，峰电流并未因高局部浓度而线性增加，反而受限，说明聚集层内的传质模式改变，自由基扩散被抑制。
• 自由基捕获实验：使用自由基捕获剂DMPO，结合高分辨质谱(HRMS)和电子顺磁共振(EPR)，仅从电极表面提取到自由基加合物信号，证实反应活性位点严格限定在界面。
• 决定性对照实验：
• 添加表面活性剂SDBS破坏聚集 → 反应被完全抑制。
• 加入20%乙腈作为共溶剂削弱聚集 → 产率从90%骤降至55%。
• 在乙腈:水(4:1)均相体系中反应 → 产率仅10%。
• 仅使用底物的饱和水溶液（无聚集）→ 几乎无产物生成。

这一系列对比无可辩驳地证明：聚集态是反应活性的唯一来源，均相溶解的底物不参与反应。

3.2 反应条件的精准优化

• 电极材料筛选：石墨毡(GF) > 碳毡 > 碳纸 > 金属电极(Pt, Ni, Cu等)。GF的高比表面积和强疏水性是形成稳定聚集层的关键。
• 溶剂与电解质：纯水 + 廉价无机碱（如K₂CO₃）为最优条件，既环保又经济。
• 产物收率：在最优条件下，模型反应产率高达 **90%**，化学选择性接近 定量 (>99%)。

4. 反应机理

该电化学偶联涉及阴极的交叉还原偶联和阳极的绿色氧化。

4.1 阴极反应路径

提出了两种可能的电子转移路径：

• 路径A（协同双电子还原）：吸附在电极表面的醛与丙烯腈同时得到两个电子和两个质子，生成的双阴离子/自由基前体在聚集层内快速偶联形成C–C键。
• 路径B（分步单电子还原）：醛先得到一个电子变为自由基阴离子，随后与丙烯腈发生自由基加成，再经第二次电子还原和质子化得到产物。

无论哪种路径，聚集层创造的限域环境都确保了两个活性中间体在纳微尺度内快速相遇偶联，避免了自由基逃逸导致的链转移和副反应。

4.2 阳极对反应：析氧反应（OER）

阳极不添加任何牺牲剂，直接利用水的碱性析氧反应（4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻），为阴极提供平衡的质子和电子。整个反应的表观原子经济性超过 **82%**，唯一副产物是氧气和水。

5. 底物适用性与合成潜力

该方法展示了极好的普适性：

• 醛类组分：苯环上带吸电子基(F, Cl, CN)、给电子基(OMe)的芳香醛，杂环醛（吡啶、呋喃、噻吩），以及大位阻的二茂铁甲醛等，均能以中等到优秀的产率（最高90%）得到目标γ-羟基腈。
• 酮类组分：环己酮、苯乙酮等也能顺利反应，构建含有季碳中心的γ-叔醇腈。
• 烯烃组分：除了丙烯腈，α-甲基丙烯腈、叔丁基丙烯酸酯等缺电子烯烃均可兼容。
• 药物相关分子合成：
• 替格瑞洛关键中间体（一种P2Y₁₂受体拮抗剂）的合成，仅一步反应即以66%收率获得，而传统方法需要多步。
• 构建了内皮素拮抗剂的重要前体，展现了在复杂分子后期修饰中的价值。

6. 实际应用与绿色工艺评价

6.1 工艺放大与水相循环

• 克级放大：将反应规模放大10倍，产物收率仍可保持 **70%**，证明方法具有可扩展性。
• 极简分离与溶剂套用：反应结束后，仅通过冷却和过滤即可收集固体产物，无需任何有机溶剂萃取。滤液（水相）直接用于下一轮反应，循环 3次 后，收率依然稳定在 **88%**。

6.2 水相串联反应

通过调控水相pH，作者实现了“阳极氧化—阴极还原”的串联过程，表明水相聚集电合成具有良好的调控灵活性，可与其他反应模块整合。

7. 重大意义与展望

科学意义

1. 观念革新：从根本上扭转了“水相有机电合成必须依赖共溶剂/表面活性剂”的固有认知，化“聚集之弊”为“效率之利”。
2. 机制创新：揭示了“界面物理聚集效应”对自由基反应路径的精准调控机制，为多相电化学界面工程提供了新原理。
3. 方法学贡献：开辟了利用水表面张力与电极表面性质协同控制反应微环境的新策略，可推广至其他界面限域合成。

环境与合成应用前景

• 极致的绿色化学：以纯水为唯一溶剂，产物自动分离，水可循环，几乎不产生有机废液，完美契合可持续发展原则。
• 污染物的界面聚合启发：该机制的深层启示在于，环境水体中疏水有机污染物（如多环芳烃、微塑料相关物质）可能在天然疏水界面（如沉积物、生物膜表面）发生类似的聚集驱动的自由基耦合，从而聚合成更复杂的持久性有机污染物。这为理解环境中污染物的非生物转化提供了全新视角。
• 规模化潜力：结合连续流电合成技术，有望实现一系列高值化学品的绿色、低能耗生产。

8. 总结

程旭团队这项工作不仅建立了一种高效、清洁的电化学C–C键偶联方法，更重要的是，它提供了一个利用界面物理化学效应来掌控反应命运的经典案例。从“讨厌的聚集”到“有用的聚集”，这一转变充满了巧思。文章论证严密，层层递进，从理论设想到实验确证再到应用展示，逻辑堪称典范。它为未来设计无需有机溶剂的电合成工艺，甚至为环境化学中污染物迁移转化模型的完善，都将产生深远影响。