近年來，蘇黎世聯邦理工學院的Bill Morandi教授報道了許多“穿梭”反應，先利用鎳催化實現了氰基轉移的氫氰化反應（Science, 2016, 351, 832-836, 點選閱讀詳細），避免了有毒物質氫氰酸的使用；又發展了鈀催化醯氯轉移的氫醯氯化反應（Nat. Chem., 2017, 9, 1105–1109, 點選閱讀詳細），無需有毒CO和腐蝕性HCl的參與。近日，Bill Morandi教授和美因茲大學的Siegfried R. Waldvogel教授合作，從價格低廉且安全友好的雙滷代物出發，發展了電化學輔助的“穿梭”反應，實現了烯烴的雙鹵化反應（圖1C）。該反應裝置簡單、可規模化生產，且具有廣泛的底物普適性。具體反應設計如下：鄰二滷代物在電解槽的陰極上先進行單電子還原，釋放出X-並生成自由基中間體1，後者繼續發生單電子還原得到碳負離子，接著失去另一個X-，生成了烯烴。因為X-相比H-是更好的離去基團，所以在電化學體系中β-H消除受到抑制。隨後，X-在電解槽的陽極上發生兩電子氧化，得到的X+與烯烴反應生成了滷鎓離子，後者接受X-的進攻，便得到目標產物（圖1D）。相關結果發表在Science 上。

起初，作者在不隔開的電解槽（電極材料是石墨）中於室溫和恆定電流下探究了烯烴的轉移雙溴化反應（圖2）。鑑於1,2-二溴乙烷（DBE）廉價（按每摩爾的價格算，DBE的價格比Br2低）且能穩定存在（與易揮發和腐蝕性極強的液溴相比），所以它是合適的Br2替代物。而且DBE在給出Br-的同時，會釋放乙烯氣體，從而為該“穿梭”反應提供驅動力，推動新的鄰二滷代物生成。在此基礎上，作者確立了該反應的最佳條件：5當量DBE作為Br2給體，百分之一體積比的六氟異丙醇（HFIP）作為關鍵的新增劑，2當量Et4NBF4作為乙腈中的電解質，在3F電量下進行反應，能以84%的NMR收率得到目標產物1,2-二溴代物2。迴圈伏安法（CV）研究表明HFIP促進了DBE的還原，並抑制了陰極上烯烴的多聚反應（圖2A）。此外，電解質可以很容易地從體系中結晶出來以便再迴圈。該反應具有廣泛的底物普適性（圖2B）。很多非活化末端烯烴（2-11）都能以中等到良好的收率轉化成相應的二溴化物，並且可以相容各種不同的官能團，如醯胺（3）、酯（4）、遊離的羧酸（5）、伯醇（6）、碸（7）和溴原子（8）。僅觀察到少量的醇被氧化成醛，從側面說明了該反應條件的溫和性。活化的烯烴如苯乙烯（12-15）、乙烯基矽烷（16、17）也是可行的底物，儘管由於烯烴的多聚而收率略低。值得一提的是，1,5-己二烯會發生兩次1,2-雙溴化反應，以35%的收率生成四溴代物（18），而其它非共軛二烯烴則發生一次1,2-雙溴化反應（19、20）。(E)-4-辛烯也能順利地發生反應，得到單一的meso-二溴代物21。為了進一步證明該“電子穿梭”過程的實用性，作者將反應槽的體積從10毫升放大到250毫升，發現反應仍能順利進行，1-十二烯能以80%的收率轉化成6.57 g產物2（圖2C）。

由於硫醚中的-SR基團和X-一樣也能發生消除反應，所以RS-也能成為可逆的“穿梭”基團。基於此，作者發展了烯烴的轉移溴硫醚化反應，製備了一系列1,2-溴硫醚衍生物（圖2D）。值得一提的是，這類產物是有價值的合成中間體，而先前的合成方法需要用高活性的RSBr試劑。反應條件不變，只需將原料從DBE替換成2-溴乙基苯硫醚，就能將數個末端烯烴成功地轉化為1,2-溴硫醚產物（22-25）。產率不高是由於存在競爭反應（如烯烴的雙硫化、硫醚直接二聚或烯烴多聚）。當使用4-戊烯-1-醇和4-戊烯酸作為底物時，分子內親核進攻會中斷Br-的“穿梭”，從而生成相應的環醚（24）和內酯（25）。

接下來，作者研究了轉移雙氯化反應（圖3）。因為DCE價位不高且大量存在，所以選擇它為雙氯給體，並在雙溴化反應條件的基礎上加入了5 mol %的四水合氯化錳，以40%的產率得到鄰二氯代物28。當使用約125當量DCE作為溶劑時，收率進一步提升到70%。儘管該反應適用於一些末端烯烴（28-34），但是對於1,1,2-三取代烯烴（26）卻不適用。這主要是由於產物27容易脫氯分解以及烯烴會在陰極聚合。作者認為透過選擇合適的雙氯給體可以有效解決這兩個問題。基於對一些簡單氯代物還原電勢的瞭解，作者猜想更容易還原的多氯取代乙烷或許會有好的結果。正如預期的那樣（圖3A），當使用1,1,1,2-四氯乙烷時，以90%的NMR收率得到產物27。在此條件下，一系列單取代、雙取代、三取代烯烴都能很好地參與到反應中（圖3B），並且能相容遊離的醇（29、35、37）、酯（30）、醯亞胺（32）、磷酸酯（33）、碸（34）以及Ts-和Boc-保護的胺（38、39）。分子內炔烴（37）部分能被相容，少部分會發生副反應。苯乙烯類的衍生物同樣可以順利發生相應的1,2-雙氯化反應 (42-52)，且Br、Cl、CN、CF3、CHO、COOH都不受影響。茚在該反應條件下會以非對映選擇性專一地轉化成反式雙氯化物50。(E)-和(Z)-1-苯丙烯都會以相似的非對映選擇性轉化成相應的trans-1,2-雙氯化物51（d.r.＞19:1）。α-甲基苯乙烯也能以良好的收率完成轉化，即使相應產物52的苄位含有高活性的三級C-Cl鍵。其他活性烯烴也是可行的反應底物，矽基（53、54）、酯基（55、56）都能被相容。有趣的是，當使用10當量2-氯乙基苯硫醚作為供體時，1,2-氯硫酯化反應也會順利發生（圖3C）

總結

Bill Morandi教授和Siegfried R. Waldvogel教授發展了電化學輔助的“穿梭”反應，避免了高活性、強腐蝕性試劑的使用，既實現了一些有實用價值的鄰二滷代物的合成，又完成了對高毒性難降解物質六氯代環己烷的降解。氫原子從飽和化合物轉移到不飽和化合物中是相當正常的反應，但是兩個重原子來回穿梭是相當困難的。這篇文章報道了一種電化學路徑，實現了一對鄰近的氯（溴）原子從烷基化合物到烯烴的轉移。該方法可用於修復受有機氯農藥殘留汙染的土壤，同時還能生產有價值的化學品。希望“穿梭”反應能得到更大的發展，不僅和過渡金屬、電化學交融發展，還能和其他方法學相得益彰，為工業生產、藥物研究提供研究的基石。