在過去十年中，可見光下的氧化還原催化反應是有機合成化學的代表性進展之一。其基本原理是光催化劑在光的照射下形成激發態。該激發態可將電子轉移給受體分子，受體分子經過一系列反應歷程后，轉化為給體分子，并向被氧化的光催化劑提供一個電子后繼續轉化形成產物，而光催化劑本身在此過程中得以再生，完成催化循環（繞暈了的讀者可以結合圖1A參悟）。由此我們可以看出，利用光催化劑產生電子和空穴來參與氧化還原反應是光反應的核心。
另一方面，自1887年Ostwald引入力化學一詞以來，力化學合成在材料、高分子和無機合成領域得到了廣泛的應用。其中球磨法作為力化學的“施力”手段之一（劃重點：mechanochemistry不僅僅是球磨的同義詞），在有機合成和高分子合成中的應用也逐漸增多（更多內容可見延伸閱讀）。球磨法所具備的無溶劑、反應快和耗能低的特點可以簡化實驗操作，且在合成難溶于常見有機溶劑的化合物方面具有獨特的優勢。
類比光氧化還原反應的原理，日本北海道大學的Hajime Ito教授課題組通過球磨壓電材料代替光激發催化劑，實現了有機小分子在機械力作用下的氧化還原反應，相應研究成果于近期發表于12月20日發表在《Science》上。同期四川大學夏和生和西北工業大學王振華在《Science》上發表題目為《Piezoelectricity drives organic synthesis》的評論文章，對機械力化學、壓電材料驅動催化進行點評。
在該研究中，力代替了光作為能量刺激的來源。壓電材料在球磨下產生的高極化粒子同樣能充當強還原劑，將電子轉移到小的有機分子中，然后將給體分子氧化猝滅，從而以類似于光氧化還原催化的方式誘導化學鍵的選擇性形成。光氧化還原方法除了昂貴的光催化劑以外，通常需要復雜的反應裝置、干燥和脫氣有機溶劑以及惰性氣體保護。相比之下，球磨法的簡單操作優勢則尤為凸顯。
作為概念驗證研究，作者選擇了廉價商品化的BaTiO3納米顆粒作為壓電材料，以芳基重氮鹽的芳基化或硼化的作為探究系統。通過對比發現，在不添加BaTiO3的情況下，芳基化反應不能進行，這表明球磨提供的機械能必須通過BaTiO3進行傳遞。當使用非壓電材料時，反應同樣不會進行，這表明壓電材料對于這種芳基化反應至關重要。而以較高的球磨頻率（30Hz）進行反應可顯著提高收率（81％）。
圖1.有機合成中，小分子力氧化還原活化的假設。（A）常用的光氧化還原催化劑和一般的光氧化還原氧化循環；（B）使用球磨機和壓電材料的催化原理；（C）使用BaTiO3和球磨進行力芳基化和硼化的推測機理。
為了證明球磨法氧化還原的實用性，作者還研究了在該條件下克級制備芳雜環化合物以及BaTiO3的回收。克級制備的產率為71％，且從反應混合物中分離并洗滌的BaTiO3可以在相同的反應條件下至少重復使用三遍。之后，他們對于溶解度差的多環芳烴類化合物的芳基化反應也進行了反應嘗試。結果表明，該條件較光氧化還原反應，操作簡單溫和，且具備高收率和高區域選擇性特點。
圖2.使用機械力進行力芳基化和硼化。（A）機械力芳基化和硼化反應的條件優化；（B）在球磨機中研磨后芳基化的反應混合物。
圖3. 使用芳基重氮鹽的力芳基化和硼化反應的底物范圍。（A）芳基化的底物范圍；（B）硼化的底物范圍。
圖4.克級制備、壓電催化劑的回收和多環芳烴化合物芳基化的探索。（A）使用25mL球磨罐，以克為單位的芳基化；（B）BaTiO3的回收實驗；（C）多環芳烴的力芳基化。
而TEMPO捕獲的自由基實驗表明BaTiO3參與的力氧化還原是通過自由基途徑進行的。將BaTiO3顆粒在30Hz下球磨1小時后，通過SEM分析可以清楚地看出顆粒形狀的明顯改變以及尺寸的減小，這表明由球磨提供的機械力被有效地傳遞到BaTiO3顆粒上，從而在BaTiO3顆粒的表面上產生可用于芳基重氮鹽活化的局部電化學勢。
為了研究球磨中的摩擦是否產生熱效應，作者在打開球磨罐后立即使用熱像儀測量力氧化芳基化過程中的內部溫度。結果表明，在球磨機中芳基化后的溫度為約30°C，這在一定程度上排除了熱效應對反應的影響。
圖5.反應機理研究。（A）自由基捕獲實驗；（B）BaTiO3顆粒（i）球磨之前（ii）和球磨之后（ii）的SEM圖像；（C）底物2a和1a的力芳基化后研磨罐的熱像圖。
為了證明還反應策略的“簡單粗暴”，作者甚至還使用錘子在空氣中進行了硼化。在錘子敲擊200多次后，核磁積分表明硼化產物的收率仍有43％。
總之，該力氧化還原反應可以以克為單位進行，且無需使用有機溶劑和惰性氣體氛圍，操作簡單，是一種實用且環境友好的反應方法，可以作為現有的光氧化還原重要補充。
