單電子轉移(single electron transfer,SET)還原,是活化有機分子最基本的策略之一。長久以來,這類反應的選擇性都由分子的氧化還原電位決定,即兩種反應物同時存在時,比較容易被還原的那一個,會優先接受電子。這個規律同時源自熱力學與動力學,當兩種分子的電位每相差0.059伏特,電子轉移的平衡就會相差一個數量級(十倍),而根據馬庫斯理論(Marcus theory),電子轉移的速率也和電位高低有直接相關。然而,這樣的定律,卻讓一大類有價值的反應窒礙難行:環丙基酮與烯烴的[3+2]環化加成反應。該反應必須先把酮還原成酮基自由基(ketyl radical),才能引發環丙烷開環並生成產物;但只要烯烴比酮更容易被還原,電子就會被烯烴搶走,反應便無從發生。這正是為什麼過去只能選用容易被還原的芳香族酮,而難以還原的脂肪族酮則始終難以派上用場。脂肪族酮、醇類、有機氟化物,這些化合物都很難被還原,科學家若想活化它們,就得動用極強的還原劑;但這麼強的還原劑,反而會搶先還原那些較易被還原的反應夥伴,使兩者無法順利偶聯。
近日,美國威斯康辛大學麥迪遜分校等機構的研究團隊,成功提出一套擺脫氧化還原電位的新策略。他們發現,電子轉移得靠兩個分子在溶液中相撞才能發生,速率再快也快不過分子彼此靠近的擴散速率;當還原劑強到幾乎一撞就還原時,速率便達到這個上限。由於大小相近的分子擴散速率也相近,超強光還原劑(super-potent photoreductant)就會「不分對象」,把所有反應物一起還原。既然還原不再挑對象,選擇性就改由「還原後誰的下一步更快」決定。他們先以電還原的方式,把苝(perylene)轉為自由基陰離子,再用藍光激發、作為超強光還原劑,然後用它來進行苯乙烯和環丙基酮的環加成反應。在反應中,苯乙烯雖易被還原,卻來不及質子化就先把電子還給苝(逆電子轉移,back electron transfer,BET);被還原的酮則能趕在逆電子轉移之前完成開環與偶聯,生成產物。因此,即使脂肪族酮比烯烴難還原將近900毫伏特,反應仍能選擇性地生成產物。