北理工团队在冰水界面诱导高立体选择性加成反应方面取得进展

近日，北京理工大学材料学院贺志远教授团队和中国科学院理化技术研究所王健君研究员团队合作在《Journal of the American Chemical Society》发表研究成果，题为“Inhibiting Isomerization via Confinement in Ice-Water Enhances Stereoselectivity in [2+2] Cycloaddition”。其中，中科院化学所博士生万世鹏、北京理工大学王丹老师和博士生武佳慧为论文共同第一作者。该研究开发了一种基于冰水界面的新型光化学合成策略，成功实现了环丁烷类化合物的高效、高立体选择性合成，无需使用任何化学辅助剂，为绿色合成提供了新思路。

环丁烷结构广泛存在于天然产物、药物分子及功能材料中，但其合成尤其是热力学不利的syn型（顺式）环丁烷的制备，一直面临反应选择性低、副反应多等诸多挑战。传统方法往往依赖复杂的模板分子或固态晶体工程，操作繁琐、适用性有限。本研究创新性地利用冰水界面通过物理限域效应和界面导向作用，实现了高效、高选择性的[2+2]光环加成反应。

图1. 烯烃在不同介质中的反应情况以及对不同底物的立体选择性加成。

研究团队系统比较了多种二芳基乙烯衍生物在液态水与冰冻条件下的光反应行为。实验结果表明，在冰冻条件下，不仅反应转化率显著提高，而且syn型产物选择性超过95%，远高于液态溶液中的反应效果。此外，团队通过调控冰晶界面面积与反应物浓度，进一步揭示了界面在促进分子预排列、抑制异构化方面的关键作用。

图2. 不同反应介质和条件下，环加成反应的转化率和立体选择性。

图3. 冰面与反应动力学间的相关性。

机制研究表明，在冰冻过程中，溶质分子被排至冰晶边界并吸附于冰面，通过π–π堆叠作用形成syn型分子对。该构型不仅提高了光异构化能垒，还显著促进了[2+2]环加成反应的发生。理论模拟与实验验证共同表明，冰面提供的氢键和范德华力在稳定分子对和引导立体选择性的过程中起到了至关重要的作用。

图4. 反应机制的实验和理论模拟探究

该研究不仅为环丁烷类化合物的高效合成提供了一条环境友好、操作简便的新路径，也拓展了冰界面化学在光反应和立体控制中的应用前景。未来，这一策略有望应用于更多类型的有机反应和功能分子合成中，推动绿色化学和可持续发展理念在合成领域的实践。