2009 年，当 19 岁的田雅明离开河北衡水老家到山西大学化学系报道时，他可能也没想到自己将在化学课堂上学习 15 年之久。

本科毕业之后，他先后在上海大学和德国维尔茨堡大学拿到硕士学位和博士学位。目前，田雅明在德国雷根斯堡大学从事博士后研究。

而在迎来 34 岁生日之前，他收获了一个超赞的生日礼物——发表一篇 Science 一作论文。

目前，他正准备联系国内的工作单位。尽管已经发表了顶刊论文，但他却显得有些谦虚：“如果能符合国内相关科研工作单位的要求，我很高兴能够回国工作。”

图 | 田雅明（来源：田雅明）

那么，田雅明的这篇 Science 论文介绍了一个怎样的成果？据介绍，在本次研究之中，他和目前所在团队提出了一种合成复杂分子的新方法。

该方法的工作原理在于：当等待发生反应的分子，被施加到水的表面，会在水面上生成一层薄膜，从而形成“油-水”界面。

在光的照射之下，会触发反应物在界面之处发生反应。对于这种反应模式来说，它利用了水不溶性固体有机分子能在水面上通过熔点降低形成薄膜的现象（就像水面上的油膜），从而能为高效光化学转化创造理想的反应平台。

对于反应物中的活泼氢来说，它和水能在油水相界面之处生成氢键，从而进一步加速光化学反应的进行。

研究显示，这项技术具有较好的应用广泛性，并已在 160 多个示例中得到了证明，药物分子修饰便是其中一个示例。并且，这一反应体系能够实现流动相条件下的大量合成。

现如今，在水界面上的光反应，已经可以在无需使用有机溶剂或其他反应添加剂的情况下进行化学合成。这让化学产品的生产变得更加高效、更加环保。

而本次策略则为水不溶性有机分子在水界面处的有机合成提供了新思路，让水在有机合成中的应用得到拓展，并将对光化学和水性介质中的有机合成带来巨大影响。

预计本次成果将实现以下应用：

其一，用于大规模流式合成，利用熔点降低形成油相的方法，可以加速有机合成的反应，特别是加速在水性介质中进行的光化学反应。

其二，用于绿色合成和工业生产，降低化学品制备过程中的环境影响。

其三，用于药物研发和药物生产的合成路线设计，即通过在水油界面加速光化学反应，提高药物改性的效率和选择性。

详细来说，可以利用这种方法改善药物的溶解度和药效，从而提高药物的治疗效果和药物输送的效率。

其四，用于功能材料的设计和合成，通过在水油界面控制光化学反应的速率和选择性，可以制备具有特定结构和性能的材料，比如光敏材料、催化剂、纳米颗粒等。

而这些材料在能源、环境、电子器件等领域都具有潜在的应用价值。

（来源：Science）

少有人走的路：将纯水作为光化学反应溶剂

据介绍，一直以来有机化学家都会避免使用水作为反应介质。原因主要有两个：第一是反应物的溶解度有限，第二是反应物对水存在水解敏感。

然而，自 1980 年美国化学家罗纳德·布雷斯洛（Ronald Breslow）和团队揭示水可以显著加速涉及非极性化合物的 Diels-Alder 反应以来，“有机反应需要有机溶剂来溶解反应物”的这一假定就遭到了挑战。

此后的研究表明，对于一些有机转化来说，水性环境能够比有机溶剂带来更快的反应速率、以及更好的选择性。

2005 年，美国化学家、诺贝尔奖得主卡尔·巴里·夏普莱斯（Karl Barry Sharpless）团队报道了一系列有机转化成果。

他们发现当纯水被用作唯一的反应介质时，反应速率就会开始加快，甚至超过非极性有机溶剂和极性有机溶剂的性能。

随后，夏普莱斯课题组的实验研究和理论研究证实：在加速有机反应中，水具有独特的性质。这些性质包括疏水效应、传统的氢键作用、反式氢键作用等。

同时，这些性质在“in water”和“on water”的不同反应条件下，会对反应进程产生差异性影响。

然而，尽管水对于有机转化的加速性质已经得到广泛认可，但是将纯水作为光化学反应溶剂，却是一个鲜少有人涉及的科研空白地带。

另外，通过在原子之间形成化学键，就能利用合成化学方法来制备药物、农药、以及制备高性能材料所需的复杂分子。

而这些合成反应通常需要有机溶剂、金属催化剂、以及酸或碱等试剂。但是，并非所有的辅助材料和溶剂都能被循环利用，因此会导致大量废弃物的产生。

基于上述挑战，田雅明和所在团队提出了这种合成复杂分子的方法。

灵感源自表面和界面独特的相变现象

田雅明表示：“我们的灵感来源于表面和界面独特的相变现象，这在物质的内部是不会出现的。其中一个最著名的例子是英国科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）在 1842 年首次预测的现象，即冰表面上形成了一层薄薄的液态水。”

这种液态水是由于界面处的熔点降低而产生的，从而让冰变得滑腻。针对当前水溶液中的有机光化学转化进行调查和分析后，他和同事开始思考：是否可以将这种界面处相变（熔化）行为的现象应用到有机合成化学中？

要知道，两个不同的固体化合物形成混合物之后，混合物的熔点更低，从而能够形成共熔体系的过程，并会受到化合物之间的相互作用的显著影响（比如氢键作用）。

基于此，他们立即联想到电子受体-供体（EDA，Electron Donor-Acceptor Interaction）复合物。

当两种化合物形成 EDA 复合物时，它们之间的相互作用可能会导致新的分子结构的形成，从而可能改变混合物的物理性质比如熔点。

这是因为 EDA 复合物的形成，通常涉及到电荷转移或分子间相互作用，而这可能会影响混合物的内聚性质，导致化合物的晶格结构被破坏，使混合物中的分子排列更为杂乱、更松散，从而促使物质从固态转变为液态。

确定研究方向之后，课题组选择具有不同电子亲和力的底物开展实验设计。他们惊喜地发现，固体有机分子在进行一定比例的混合之后，的确能够形成共融体系，在水的存在之下会形成“油-水”两相。

由于疏水作用的存在，油相在水表面上进一步展开，从而会形成更大的水油界面，进而增加反应物的吸收截面。

通过一系列的实验优化，在无需任何添加剂的情况下，他们在油-水界面之处，成功进行了光化学偶联反应。

随后，其又在 160 多种反应底物之中，验证了这一反应体系中的应用能力。为了强化这一反应模式的应用价值，该团队搭建了流动相光化学合成设备，实现了更大规模的反应体系合成。

接下来，课题组将重点放在确定油水界面处反应的机理上。通过使用多种实验手段，尤其是在核磁共振的帮助之下，他们获取了反应在界面处发生的关键证据，至此本次研究终于画上句号。

最终，相关论文以《利用熔点降低促进油水界面光化学反应》（）为题发在 Science[1]。

田雅明是第一作者，德国雷根斯堡大学伯克哈德·孔尼格（）担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Science）

下一步，他们将继续深入研究油水界面处光化学反应的机理，探索更多有关界面相互作用和反应动力学的细节。另外，也会探索更多不同类型的有机反应在油水界面的适用性。

并对这些反应进行改进，例如开发新型的光催化反应体系，从而用于合成化学和药物化学等领域。

参考资料：

1.Tian, Y. M., Silva, W., Gschwind, R. M., & König, B. (2024). Accelerated photochemical reactions at oil-water interface exploiting melting point depression. Science, 383(6684), 750-756.

运营/排版：何晨龙

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