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含氟無機物在自然界中屢見不鮮，但含氟的天然有機化合物卻極為罕見，大多數含氟有機物是通過合成方式獲得的。其中，含有三氟甲基的有機化合物比重較大，這主要是因為三氟甲基的引入可以顯著改善化合物的親脂性和代謝穩定性。因此，三氟甲基化合物在醫藥與農藥等領域大放異彩，如治療精神抑郁的藥物Prozac、抗病毒藥物Letermovir、治療高血脂的藥物Lomitapide等均含有這一特殊集團。

在目標分子上修飾三氟甲基深受新藥研發領域的歡迎，三氟甲基化是生產高附加值產品的重要方法。如何安全、高效且低成本地將三氟甲基引入目標分子是有機氟化學最受關注的課題之一。盡管以三氟甲基化試劑作為前體直接在有機分子上引入三氟甲基被視為是生產高附加值產品的有效策略，但其成本過高，大部分在每克幾百甚至幾千元，導致這類方法僅適用于研發，很難直接應用于實際生產。

研究團隊與所開發的反應裝置圖。（從右到左：莫一鳴、陳一新、何宇晨、宣軍、高勇）

從原子經濟、生產成本、易操作性等方面來看，三氟乙酸是非常理想的三氟甲基來源，相比其他試劑，其價格極其低廉（每公斤約300元）。但三氟乙酸的高氧化電位制約了其直接應用，需要強氧化劑等非常劇烈的條件才能使三氟乙酸轉化為可直接與有機分子反應的三氟甲基自由基。這會導致許多對氧化劑敏感的有機分子如含氨基或醛基的分子無法應用在該類體系中，而這類基團廣泛存在于一些藥物或農藥中，極大限制了三氟乙酸的應用范圍。因此，如何在溫和條件下實現對三氟乙酸的直接利用來生產高附加值的三氟甲基化產品極具挑戰。

研究背景與實驗設計

為了克服這一難題，近日浙江大學化學工程與生物工程學院百人計劃研究員莫一鳴團隊提出了陰離子屏蔽抑制傳質的方法，逆轉了熱力學上的優先氧化順序，采用光電催化技術實現了對三氟乙酸根的優先氧化并獲得具有高附加價值的三氟甲基化產品。這一創新方法不僅可以將部分極易被氧化的分子轉化為三氟甲基化產品，還可實現高附加值三氟甲基化產物的百克級合成。

這一成果于北京時間5月10日刊登在國際頂級期刊《科學》上。

三氟乙酸的直接利用的最大難點在于其氧化電位過高（＞2.24 V vs. SCE），如果采用強氧化劑活化三氟乙酸，根據熱力學的氧化順序，往往會導致同一體系中存在的其他有機分子被優先氧化。

為了解決這一難題最直接的方案就是阻止有機分子于氧化劑“直接接觸”。為此，莫一鳴團隊選擇光電催化作為技術手段。在光電催化中，光陽極在光照下產生的光生空穴就是“氧化劑”，而陰離子層就像一層屏障一樣，阻止有機分子與光陽極直接接觸，從而避免了有機分子的優先氧化。經過大量的實驗驗證，該團隊提出了“陰離子層限制傳質從而限制氧化”的選擇性氧化機制，并建立了光電催化三氟甲基化的新型方法。

放大合成DNA堿基類似物的三氟甲基化產品，反應化學式以及放大反應裝置

該方法可兼容多種極易被氧化的有機分子，而且，光電催化體系可穩定運行超過300小時。此外，利用模塊化、可放大的光電流微反應裝置實現了高附加值三氟甲基化產物的百克級合成。

該項研究不僅為三氟甲基化這一極具實際生產價值的合成方法提供了新思路，而且為傳質調控選擇性電子轉移這一化學工程的重要研究領域開辟了新的道路。

論文第一作者為化學工程與生物工程學院博士后陳一新，通訊作者為莫一鳴與宣軍。

（文 柯溢能/圖片 由課題組提供）