把易得的α-烯烃和廉价的水直接加成变成一级脂肪醇，看似简单，却被称为“十大催化难题之一”。未活化 α-烯烃是工业制备长链脂肪醇的基础原料，一级脂肪醇年产量超过百万吨，广泛用于增塑剂、表面活性剂、润滑剂与化妆品等大宗化学品。与当前依赖昂贵均相金属催化剂、在高温高压下运行的 oxo 工艺相比，若能在温和条件下用廉价的水分子将 α-烯烃直接转化为端醇，将同时具备更绿色、更安全的制造优势潜力。

       近期，深圳格拉布斯研究院王健纯课题组提出一种配对电解策略：在分隔电解池中把电解水过程产生的OER和HER中间体分别“截获”，从而实现未活化α-烯烃的形式反马氏加水，高区域选择性得到一级醇，并兼具优异官能团耐受性与可调的化学选择性。

       过去十余年里，学界已经发展出多条漂亮策略。Grubbs教授的三重接力与Arnold教授的酶催化证明了可以通过“正交的氧化还原”把反马氏选择性做出来，但底物多集中在苯乙烯类且需要化学计量的氧化剂与还原剂。雷爱文教授和Ritter教授的光催化的单电子氧化路径则把底物范围往前推了重要的一步。但要氧化工业上感兴趣的未活化α-烯烃常需要很高的氧化电位（>2.5 V vs SCE），目前尚未实现。

       反马氏水合的难点来自方面：第一层是动力学上区域选择性，高中课本就学过“氢上加氢”，也就是经典酸催化水合天然偏马氏选择性。第二层则是热力学问题，反马氏加水本身是热力学不利的过程，标准自由能为正（ΔG° = +4.14 kJ/mol），这意味着反应需要额外能量输入才能推进。

       与此同时，另一条“形式水合”的两步法是先环氧化再还原开环。该方法能拓展底物范围，但氧原子通常来自过氧化物（mCPBA），氢原子来自H2，本质上并没有做到“水既供氧也供氢”。因此，进一步的目标是：能否让水分子真正同时提供氧与氢，并用电化学提供能量，实现这一过程？

       设想阳极与阴极各自生成一种“电解水中的关键中间体”，并分别被有机底物截获。更具体地说，析氧反应（OER）常涉及高价金属氧（M=O），析氢反应（HER）常涉及金属氢（M–H）。作者在阳极用金属氧去做烯烃环氧化，再环氧异构化成醛之后，在阴极用金属氢去做醛的选择性氢化，二者串起来就等价于总体的反马氏加水。这里最关键的一点是能量来源只有外加电压，电压驱动水分解成高价金属氧（M=O）和低价金属氢（M–H），这样的氧化还原“当量”被截获并用于合成，从而为热力学上坡的反马氏水合提供驱动力。

       通过筛选，作者选择了铁催化与锰催化：阳极侧由铁催化剂从水生成高价Fe=O并环氧化烯烃，阴极侧由锰催化剂生成Mn–H，并在路易斯酸促进下通过Meinwald重排把环氧化物转为醛，再被Mn–H选择性还原为端醇。两个反应都具有比较优秀的官能团兼容性：体系可同时容忍炔烃、腈基、芳基碘、烷基溴等，避免了传统氢化或硼氢化条件下常见的副反应。这一精确化学选择性在ketoprofenol的简洁合成中得到体现：含“环氧 + 二芳基酮”的中间体可以被选择性氢化，凸显了方法在生物活性分子合成中的潜力。

       接下来，作者在膜分隔H-cell中把两个半反应装进同一个装置，实现以水为氧源与氢源的形式反马水合反应。该体系覆盖多类烯烃，既包括烷基与芳基取代烯烃，也包含以往较难反应的未活化α-烯烃，并表现出高区域选择性、良好官能团耐受性。

       为了证明“水确实被用进了产物”，作者进行了同位素标记实验。H₂¹⁸O与D₂O实验显示产物醇中的氧与氢均来自水，同时结果也支持两室之间存在通过Nafion膜的质子传输耦合。同时，作者也通过CV等实验验证了反应机理。

       该策略整体氧化还原中性，以水同时提供氧与氢，以外加电压提供驱动力，在温和条件下实现广底物范围与很好的化学选择性。更重要的是，它首次使未活化 α-烯烃这一与现有方法不相容的底物类别进入“形式反马氏水合”的版图，展示了用成对电解实现热力学上坡转化的设计范式。也为最终利用课题组发展的化学修饰电极克服氧化还原兼容性，最终实现无隔膜的未活化烯烃的反马水合打下坚实的基础。

       南方科技大学为论文第一单位，王健纯研究员为通讯作者。南科大博士后黄源琼、硕士生宋雪为论文共同第一作者。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-68126-0