原子利用率理论可达100%，南科大团队提出去消旋化反应新策略，克服氧化还原电势兼容性问题

“‘梁园虽好，不是久恋之家’，我也曾收到美国一所州立大学的助理教授 offer，但我觉得在中国能够更大程度地发挥自己的价值。

而在教书育人上，假如能将一个问题以简单新颖的形式让学生听明白时，我也会非常开心。同时，更好地陪伴家人也是我回国的一个重要动力。”南方科技大学王健纯教授表示。

图 | 王健纯（来源：王健纯）

早年，王健纯本科和博士分别毕业于北京大学和美国芝加哥大学，博后期间的合作导师是美国加州理工学院教授、诺贝尔化学奖得主罗伯特·格拉布斯（Robert Howard Grubbs）。

2021 年，他正式加入南方科技大学任职，目前主要研究有机电合成与过渡金属催化。

前不久，他和团队提出一种名为“电化学循环去消旋化”的新方法，借此成功实现了醇去消旋化，让氧化还原电势不兼容的问题得以解决。

并且，本次方法还能和已有的光催化方法形成互补，被审稿人称为是一个“重大的关键进步”。

需要说明的是，本次课题是一个偏向基础研究的成果，目前仅仅实现了概念性的证明。

但是，假如“电化学循环去消旋化”这一方法能够发展得更加普适、更加可靠，那么它或许会在药物化学中找到应用场景。

具体来说：在药物分子的合成过程中，人们很容易获得互为镜像的消旋分子，但是很难获得单一构型的手性分子。

而利用“电化学循环去消旋化”策略，可以迅速从那些容易得到的消旋分子中，获得单一构型的高附加值药物分子，从而有望大大加速药物发现的进程。

例如：借助本次方法王健纯等人将一个手性分子的合成路线从六步精简为两步，并且完全无需使用昂贵的当量手性试剂。

与其他方法相比，本次方法还能将催化剂固定在电极上，仅需通电、而不需其他化学试剂，原子利用率理论上可以达到 100%。

同时，本次方法具有简单、绿色、易提纯等优点，很有希望加速药物开发的进程。

（来源：课题组）

一直以来，埃隆·马斯克（Elon Musk）的一句名言一直激励着王健纯，那句话是：“最难找到的是简单的解决方案，复杂的解决方案相对容易寻找。”

王健纯对这句话的理解是：越是简单（未被发现或未受重视）的策略，越有可能和其他策略组合，从而能够解决之前难以解决的问题。

因此对于本次成果他感到非常欣慰，因为“电化学循环去消旋化”正是一个简单且有效的策略。

从“左手无法与右手重合”说起

而要想理解本次策略，就得从手性说起。手性——是自然界的一种基本属性。就像左手无法与右手重合，手性分子也不能与其镜像重合。

借鉴于左右手的称呼，人们将它们称为 R 和 S 构型。事实上，许多药物分子都具有手性。通常一个构型是有效的，而另一个构型则可能是无效的甚至含有毒性。

拆分，是药物的常用合成方法之一。如果需要 R 构型，就必须丢弃一半的 S 构型分子，因此效率最高只能达到 50%。

那么，该如何提高这一效率？假设能将 S 构型转化为 R 构型，那么效率就能提升至 100%。而这正是近年来的一个研究热点——“去消旋化反应”。

微观可逆性，是研究去消旋化的最大难点。它指的是：如果 R 构型能够变成 S 构型，那么在相同的催化条件之下，S 构型也能变成 R 构型。

最近有研究发现：利用光催化的激发态化学，可以打破这种微观可逆性。

这背后的基本原理是：正反应通过激发态实现，而逆反应则通过基态实现。两者互相正交，从而可以打破微观可逆性。

然而，如果按照这种逻辑来推理，光化学——似乎是打破微观可逆性的唯一一个例外。

那么，能否不通过激发态？电催化能否打破微观可逆性？这个问题正是王健纯开展本次研究的初始动力。

值得一提的是，2023 年清华大学罗三中教授在一篇综述论文中曾展望道：“电催化和磁场催化，有潜力拓展去消旋化的边界。”

（来源：课题组）

“仿佛找到拼图中的最后一块拼板”

事实上，还在美国做博士后研究的时候，王健纯就一直在思考：如何将博士期间的有机方法学研究背景和博后期间的电催化研究背景结合起来。

在芝加哥大学读博期间，他对催化剂设计和构效关系有了深入理解；在加州理工学院做博士后期间，他又对电化学的表面化学有了一些理解。

因此，在选择有机电催化这一方向时，他特别关注电极的表面过程。

也正因此，让他注意到了“化学修饰电极”这一领域。而这一领域恰恰也是此前有机化学家们相对不太关注的领域。

回国独立建组之后，王健纯希望能通过自己的研究，展示“化学修饰电极”在有机合成中的独特优势，于是选择“逆热力学反应”作为团队的研究方向之一。

事实上，地球上最重要的化学反应——光合作用，正是通过消耗光能来将低能量的二氧化碳和水，合成高能量的葡萄糖。

由此可见，所谓的逆热力学反应，并没有违反热力学原理，而是通过巧妙利用其他能量实现的。

而本次课题之所以聚焦在去消旋化反应，是因为“熵的减少”也是他所关注的“逆热力学反应”之一。

有趣的是，此前人们仅能通过光能实现去消旋化反应，并未通过电能实现这一反应。

对此，研究者们通常解释称：光催化可以实现激发态过程，从而与基态过程互不干扰。

但是，王健纯所想的是：是否真的像此前文献所讲的那样，一定需要激发态才能实现这种互不干扰？

由于他一直对化学修饰电极十分感兴趣，因此他开始设想：能否利用化学修饰电极来解决这个问题？

原因在于：阴阳两极是天然分离的状态，而通过修饰电极就能实现互不干扰的完美状态。

对于这一想法，王健纯用“直觉性”一词来形容。而在实际研究中，他和团队则从物理化学的原理角度出发，通过补全逻辑链条来完整地阐述上述问题。

通过理论分析，他们发现解决这一问题的关键在于：要同时兼顾负氢性和还原电势这两个物理量的兼容性。

调研前人文献之后，他们发现这两个量之间存在线性关联，故能从理论上解释它们无法同时兼容的原因。

“值得一提的是，当我们找到这篇平时很少有人关注的理论论文时，仿佛找到了拼图中最后一块拼板，给我们带来了莫大的喜悦。”王健纯说。

（来源：课题组）

接下来，则要验证每个步骤的可行性。由于本次研究涉及到阴极反应和阳极反应这两个截然不同的反应，因此他们开始针对两者进行平行探索。

然后，则要验证关键想法的正确性。期间，他们将之前单独验证的结果串联起来，将阴阳极的反应结果融合，借此证明了本次策略的可行性。

进而将这一策略用于各种二级醇分子的合成，包括用于备受关注的生物活性分子的合成之中。

通过此，王健纯发现本次策略可以极大地拓展反应的适用范围，并通过实验证明这一策略具有材料催化剂用量低、可回收等优势。

最终，相关论文以《通过化学修饰电极实现电催化循环去消旋化》（Electrocatalytic cyclic deracemization enabled by a chemically modified electrode）为题发在 Nature Catalysis（IF 42.8）。

祝呈捷是第一作者，王健纯担任通讯作者 [1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Catalysis）

王健纯补充称，去消旋化反应本身是一个极具趣味性的反应。如能拓展本次策略的应用范围，或许会有更多令人兴奋的应用场景。

同时，由于化学修饰电极可以通过物理手段实现分离，因此利用这一特点将能实现其他逆热力学过程。

最后，他希望能够深入探究化学修饰电极在机理上的其他优势，从而实现更多有趣的化学过程。