在药物化学的领域中，三氟甲基因具有高脂溶性、良好的代谢稳定性以及高电负性等特点，被广泛应用于药物分子中，如治疗精神抑郁的药物Prozac、抗病毒药物Letermovir、治疗高血脂的药物Lomitapide等等。然而，三氟甲基的引入通常必须使用昂贵的三氟甲基化试剂，大部分在每克几百甚至几千元，因此限制了该类方法在实际生产中的应用和发展。
近日，我院分子智造研究所莫一鸣研究员、宣军研究员团队研发了一种阴离子屏蔽抑制传质的策略，采用光电催化技术实现了高附加值三氟甲基化产物的百克级合成。相关文章以“Scalable decarboxylative trifluoromethylation by ion-shielding heterogeneous photoelectrocatalysis”为题发表在国际顶级期刊Science上。
全新路径，低成本制备三氟甲基
一直以来，三氟乙酸因其低廉的价格（每公斤约300元），是三氟甲基的理想来源。但三氟乙酸的高氧化电位制约了其直接应用，需要强氧化剂等非常剧烈的条件才能使三氟乙酸转化为可直接与有机分子反应的三氟甲基自由基。这导致了广泛存在于一些药物或农药中对氧化剂敏感的有机分子无法应用在该类体系中，极大限制了三氟乙酸的应用范围。因此，如何在温和条件下实现对三氟乙酸的直接利用来生产高附加值的三氟甲基化产品极具挑战。
莫一鸣团队提出了阴离子屏蔽抑制传质的方法，逆转了热力学上的优先氧化顺序，采用光电催化技术实现了对三氟乙酸根的优先氧化继而获得具有高附加价值的三氟甲基化产品。莫一鸣介绍道，在光电催化中，光阳极在光照下产生的光生空穴就是“氧化剂”，而阴离子层就像一层屏障一样，阻止有机分子与光阳极直接接触，从而避免了有机分子的优先氧化。该方法可兼容多种极易被氧化的有机分子，而且，光电催化体系可稳定运行超过300小时。此外，利用模块化、可放大的光电流微反应装置实现了高附加值三氟甲基化产物的百克级合成。
团队作战，攻关电化学领域
本项成果的主要完成人莫一鸣研究员和宣军研究员都来自科创中心生物与分子智造研究院分子智造研究所，因为坚持化学工程领域的原创性研究，他们的科研之路逐渐走到了一起。
事实上，本项研究成果来源于两年多前团队申报重点研发项目时提出的一个“假设”，而研究开展的过程也涉及到大量交叉领域技术，包括化工、光电化学、材料、微反应装备、制药等，莫一鸣研究员与宣军研究员发挥各自在化学工程与化学方面的积累，为研究的顺利开展奠定了坚实的基础。
莫一鸣表示，研究院自主研发的iChemFoundry平台是本项研究的“得力助手”。“我们基于iChemFoundry平台对构建微液滴高通量光电筛选系统的深入探索，构成了光电化学领域的系统性工作。”莫一鸣介绍道，在iChemFoundry平台的研究中，团队主要致力于研发微液滴高通量光电筛选系统，并基于该系统进行光电催化反应条件的深度探索与优化，而本次研究不仅延续了光电催化反应条件的探索，还着重于反应规模的放大和实际应用潜力的拓展，以实现更广泛和更高效率的光电化学转化过程，因此反应规模相对较大。这两项工作相辅相成，共同推动了团队光电化学方向的发展。
而这也源于我院以化学工程为基础的交叉学科布局，让更多科学发现在前沿交叉的过程中释放无限生命力。“在遇到一些前沿的、尚未探索的‘无人区’，闭门造车难以想到问题的解决方案，只有通过不同学科的深入交流与碰撞，才有望获得新的灵感。”莫一鸣说。
