在生物體內，鎳被發現於參與酶催化的氧化過程中並且常以鎳-雙氧模式參與酶催化的氧化過程中，例如櫟皮酮2,4-加雙氧酶含有鎳-雙氧結構（圖1a）。近些年來，鎳參與的金屬催化偶聯研究較多，但是鎳催化的氧化過程研究較少，鎳-雙氧複合物在文獻中報道的就少之又少。該類研究較少的原因主要是二價鎳對於氧氣是惰性的，因為Ni3+/Ni2+的氧化電位較高，難以得到鎳-雙氧中間體。在早些時期，Riordan和Driess等人報道過鎳和超氧複合物氧化過程，但是該類氧化效率較低，同時需要過量的氧氣（圖1b）。Otsuka 等人也報道了相似的現象，他們發現鎳催化的迴圈中會導致配體被氧化的現象（圖1c）。

要實現底物的氧化，體系內必須發生電荷轉移，作者考慮到電化學能夠實現該過程的轉化。底物氧化也需要氧的參與，傳統的方法需要使用當量的氧化劑或者高純的氧氣，而作者認為水在電解作用下可以原位產生氧氣來代替氧氣的使用，從而使這個過程的綠色環保。參考前人的經驗，Badalyan 和 Stahl等人使用(bpy)Cu(OTf)2作為電催化劑氧化醇羥基；Baran實驗室報道以鎳Ni(Mebpy)nBr2為電催化劑催化構建C-N鍵，該過程是透過產生的一價鎳Ni(I)物種到二價鎳完成氧化過程來構建C-N鍵，氧化反應如果需要用Ni來實現的話，必須透過Ni(I)到Ni(II)，同時二價鎳形成Ni-雙氧複合物；在這些基礎上，北京大學藥學院焦寧課題組報道了以鎳為電催化劑氧化底物，本質上反應是透過形成Ni-雙氧複合物氧化底物，其中水作為氧供體，無需外加氧化劑，電在反應中既電解水解產生了氧氣，又活化了二價鎳催化劑，起到“一石二鳥”的作用，相關成果發表在Nat. Catal.。（圖2）

在實驗的起始階段，作者使用Ni(OTf)2、雙吡啶配體L1和30倍當量的水反應就能得到60%的單氧化的二苯亞碸產物。篩選了鎳催化劑發現二氯化鎳最為有效，作者推測氯離子在電解過程中會形成氯化氫離子，其可以作為氧轉移試劑，同時配體仍為雙吡啶配體L1最優，最終能夠以97%的收率得到單氧化的二苯亞碸產物，同時伴有少量的碸類產物（圖3）。當反應置於無水無氧的乙腈中，該反應不能進行，證明了氧氣在該反應中是必須存在的。

得到了最優條件後，作者測試了一系列硫化物，透過控制電解的時間，避免過度氧化，都能夠以較好的收率得到單一氧化的亞碸產物，同時實驗對比了不用鎳催化劑的情況下反應得到亞碸產物的收率。該反應的相容性良好，底物中如果含有三元環時，三元環不會發生開環現象（2h），同時底物中含有醛基（2d）或者酮羰基（2j）時，這些基團不受影響；當底物是含氮雜原子時，反應中不會觀測到N-O化物（2n），同時該方法也可以氧化膦化物。在較低的Ni(OTf)2載量下，該反應還可以實現克級規模製備（2d）（圖4）。

為了弄清楚整個氧化過程的機制問題，作者做了一系列控制實驗。起初，該過程的氧是否來自水的電解？當在反應電解體系中加入5 mmol的H218O時，GCMS可以檢測相應量的18O2氣體和氫氣（圖5a），在反應體系中則會使得底物帶上18O，這些證實了水是反應體系中的氧供體（圖5b和圖5c）。

在反應過程中是否會有關鍵的Ni(I)和Ni(II)-雙氧化物形成呢？將反應體系進行高分辨質譜測試能夠找到相應的Ni(I)複合物和Ni(II)-雙氧化物，作者推測該過程會產生氧根負離子自由基O2•−，這是形成Ni(II)-雙氧化物的關鍵，但實驗也證實氧根負離子自由基O2•−並不參與反應（圖6）。

根據這些控制實驗，作者提出如下機理：首先，二價鎳在陰極被還原成一價鎳D後，活化氧氣形成Ni(II)-雙氧化物自由基中間體A，該中間體得一個電子後形成Ni(II)-雙氧化物B，氧化底物後形成零價鎳E，在陽極被氧化後再生二價鎳C（圖7）。

總結

因為鎳-雙氧複合物較難形成，該類研究較少。北京大學焦寧課題組透過電化學誘導了鎳-雙氧複合物的生成，以水作為供氧體，綠色高效的完成硫醚類底物的選擇性氧化，具有廣泛的底物適用性和耐受性，同時該過程是透過形成Ni(II)-雙氧化物中間體完成底物的氧化，打破了50多年來氧氣被認為是不能氧化二價鎳的猜想。

撰稿人：Caesar