通讯作者：仇友爱研究员
通讯作者单位：南开大学
文献DOI: 10.1038/s41467-025-57567-2
导读
图1. 光电催化氯介导的烷烃C(sp³)-H氨甲基化反应
光阳极的界面光电化学在太阳能转换方面已得到广泛研究，但在有机化学中用于生产高附加值化合物的应用仍面临挑战。 近日，南开大学仇友爱研究员报道了利用自行开发且可重复使用的BiVO₄光阳极，实现光电催化氯介导的烷烃C(sp³)-H氨甲基化反应。苯胺与醛的快速缩合，以及BiVO₄光阳极中光生空穴降低了苯胺的得电子量，两者共同作用防止了苯胺的过度氧化，从而使目标产物获得高产率。机理实验表明，氯离子作为关键的媒介，会被光阳极中的空穴吸引并氧化形成Cl₂。随后，Cl₂在光促进下均裂，生成的氯自由基能有效地从烃类中夺取氢原子。这项工作为界面光电化学有机合成开辟了一条途径，展示了一种将太阳能优化转化为燃料的潜在方法。
图文概述
图2. 氯介导的碳氢化合物C(sp3)-H氨基甲基化
界面光电化学在太阳能转化方面研究广泛，但在有机合成中应用较少，存在反应多样性有限、效率不高、光阳极材料易失活等问题。 传统的C(sp³)–H氨甲基化反应存在底物范围窄、难以进行克级反应、需要活化基团等缺点。开发稳定的光阳极材料，并将其应用于复杂多组分体系构建高附加值产品，实现温和条件下、高效且选择性的C(sp³)–H氨甲基化反应。
图3. BiVO4光阳极的制备
图4. BiVO4光阳极的表征
采用水热法结合二次煅烧制备BiVO₄光阳极，通过PXRD、UV/vis DRS、VB-XPS、PL、TPC、EIS、TGA和SEM等多种表征手段对其晶体结构、光学性能、电荷转移能力、稳定性和表面形貌进行分析 。结果表明，制备的BiVO₄-200光阳极具有最佳的电荷分离效率和光电流响应，其较粗糙的表面和孔状结构可能有利于催化活性的提高。
图5. 反应条件筛选
以苯胺、环己烷甲醛和环己烷的多组分反应为模型，对反应条件进行优化。确定标准条件为：以BiVO₄-200为阳极、Ni板为阴极，Me4NCl为电解质和氯源、TfOH为添加剂、CH3CN为溶剂，400 nm LED光照，3 mA恒流电解10 h，在此条件下目标产物的分离产率可达83%。对以甲醇为自由基前体的反应进行条件优化，确定标准条件II，目标产物可达到78%的分离产率 。
图6. 光电催化Cl介导烷烃氨基甲基化的底物范围
图7. 光电催化Cl介导的醇等的氨基甲基化底物范围
多种芳香胺、脂肪醛、芳香醛、含不同官能团的醛以及烃类化合物都能顺利参与反应，得到相应的氨甲基化产物。该方法还可用于制备β-羟基-α-胺，多种芳胺、醛和醇在标准条件下反应良好。此外，该反应可用于多种生物相关化合物的后期修饰，展现了其在药物研发中的潜在应用价值。
图8. 药物分子和天然产物的后期修饰
图9. 合成应用
通过克级制备和产物衍生化展示了该方法的实用性。对产物进行多种衍生化反应，如与羧酸或酰氯的缩合反应、亲核取代反应、氧化反应等，均可得到相应的产物。BiVO₄光阳极在连续五次循环使用后性能无明显下降，表明其具有良好的稳定性。
图10. 机理研究
通过一系列控制实验、自由基捕获实验、EPR 实验、KIE实验、分池实验和CV实验等对反应机理进行研究。结果表明，反应通过自由基途径进行，光激发BiVO₄光阳极产生电子-空穴对，空穴氧化Cl⁻生成Cl₂，Cl₂在光照下均裂产生Cl自由基，Cl自由基与烃类发生氢原子转移（HAT）生成烷基自由基，烷基自由基与胺和醛原位缩合生成的亚胺正离子反应，经过一系列转化得到最终产物 。
图11. 反应机理
文献信息
Photoelectrocatalytic Cl-mediated C(sp3)–H aminomethylation of hydrocarbons by BiVO4 photoanodes, Anzai Shi, Pengfei Xie, Yanwei Wang and Youai Qiu*, Nature Communications, 10.1038/s41467-025-57567-2.
