在有机合成化学领域，开发绿色、高效且具有高选择性的合成方法一直是科研工作者不懈追求的目标。氯醇和邻二氯化物作为重要的化工原料和有机合成中间体，在医药、农药、材料等众多领域有着广泛的应用。然而，传统的工业制备方法依赖于具有腐蚀性和毒性的 Cl₂气体，不仅对环境造成严重危害，还存在诸多安全隐患。因此，探索一种温和、可持续的替代合成方法成为了该领域的研究热点。天津大学张兵 / 高莹团队在这一领域取得了突破性进展，他们通过巧妙地调控界面氢键网络，成功实现了烯烃的选择性氯化，为电催化有机合成开辟了新的道路。
一、研究背景
（一）传统氯醇和邻二氯化物合成方法的弊端
传统的氯醇和邻二氯化物的合成主要依赖于使用 Cl₂气体的反应。在这些传统方法中，Cl₂与烯烃发生加成反应，生成相应的氯醇或邻二氯化物。然而，Cl₂气体具有强腐蚀性和毒性，在储存、运输和使用过程中都存在着极大的安全风险。同时，这些反应往往需要在苛刻的条件下进行，例如高温、高压或者使用大量的催化剂，这不仅增加了生产成本，还会产生大量的副产物，对环境造成严重的污染。此外，传统方法在反应选择性方面也存在一定的局限性，难以精确控制产物的结构和纯度。
氯醇和邻二氯化物的工业应用、选择性氯化反应和析氧竞争反应途径、 氯醇/邻二氯电合成的示意图
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
（二）电合成方法的优势与面临的挑战
电化学合成作为一种绿色、可持续的合成方法，近年来受到了广泛的关注。在电合成过程中，通过电极反应提供电子，实现化学反应的进行，避免了传统化学合成中使用大量化学试剂的问题。对于烯烃的氯化反应，电合成可以利用含 Cl⁻的水溶液作为氯源，在电场的作用下，Cl⁻在阳极被氧化生成・Cl 自由基，・Cl 自由基与烯烃发生反应，生成氯醇或邻二氯化物。这种方法不仅避免了使用 Cl₂气体，还具有反应条件温和、易于控制等优点。
然而，电合成方法在实现烯烃选择性氯化方面仍然面临着诸多挑战。在含 Cl⁻的水溶液中，Cl⁻和 H₂O 都可以在阳极发生氧化反应。Cl⁻氧化生成・Cl 自由基，而 H₂O 氧化则生成・OH 自由基。・Cl 自由基和・OH 自由基都具有很高的反应活性，它们与烯烃反应时会导致不同的产物生成。由于・Cl 和・OH 自由基的反应活性相近，很难精确控制它们与烯烃的反应选择性，从而导致产物的选择性难以控制。此外，大量的・OH 自由基还会被进一步氧化生成氧气，这不仅降低了反应的法拉第效率，还会对反应体系产生不利影响。因此，如何有效地调节・OH 自由基的生成，成为了实现烯烃选择性电合成的关键。
二、研究内容
面氢键网络调控水解离实现烯烃的选择性氯化
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
（一）混合电解液的设计与表征
为了解决电合成中烯烃选择性氯化的难题，张兵 / 高莹团队受水盐电解质的启发，设计了一种以 LiCl 为氯源，碳酸二甲酯（DMC）为有机组分，LiTFSI 为添加剂的混合电解质。这种混合电解质的设计巧妙地利用了各组分之间的协同作用，实现了对界面氢键网络的有效调控。
LiTFSI 在混合电解质中发挥了重要作用。其阳离子 Li⁺具有较强的水合能力，而阴离子 TFSI⁻具有疏水性。这种独特的离子特性使得 LiTFSI 能够破坏水分子之间的氢键网络，降低自由水分子的含量。通过 ¹H NMR、FTIR 和 Raman 光谱等表征手段发现，LiTFSI 的加入使 H₂O 的 ¹H NMR 化学位移向高场移动，表明 H₂O 分子间的氢键强度减弱。同时，Raman 光谱峰拟合结果显示，LiTFSI 的加入减少了强氢键水的比例，增加了自由水的比例。
DMC 作为有机组分，与水分子之间具有良好的相互作用。它能够通过与水分子形成氢键，进一步减少自由水分子的数量。FTIR 和 Raman 光谱分析表明，DMC 的加入进一步削弱了 H₂O 的氢键网络，其羰基化学位移向低场移动，说明 DMC 与水分子之间形成了新的氢键。此外，DMC 还具有亲核性，能够在阳极界面周围富集，与水分子重构氢键网络，减少自由水分子与阳极的直接接触。
有机/水性混合电解质表征
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
（二）电化学性能测试与反应选择性优化
在不同 H₂O/DMC 比例的混合电解质中，团队对烯烃的电催化氯化反应进行了系统的研究。通过循环伏安法（CV）和电位依赖性实验，考察了混合电解质对・Cl 和・OH 自由基生成的影响。结果表明，在高 DMC 含量的电解质中，・Cl 比・OH 更易生成；而在低 DMC 含量的电解质中，虽然・OH 的生成受到一定抑制，但仍存在一定的副反应。
通过优化混合电解质的组成和反应电位，团队成功实现了高选择性的烯烃氯化反应。在 H₂O/DMC 比例为 2.5 的电解液中，氯醇的选择性可达 80%；当 H₂O/DMC 比例为 0.4 时，邻二氯化物的选择性可达 76%。此外，该方法对其他含各种官能团的芳基烯烃和环己烯的选择性氯化反应也表现出良好的适用性，相应产物的分离收率可达 60 - 74%。
（三）反应机制的深入探究
为了深入理解混合电解质调控烯烃选择性氯化的内在机制，团队结合了多种研究手段，包括原位拉曼光谱分析、分子动力学模拟（AIMD）和自由基捕获实验等。
原位拉曼光谱分析揭示了界面处水分子氢键网络的变化。随着 DMC 含量的增加，H₂O 的氢键强度逐渐减弱，带电界面进一步放大了这种削弱作用。AIMD 模拟结果表明，在电场的作用下，DMC 和 TFSI⁻会迁移到阳极表面，形成一层动态屏蔽层，将水分子推离阳极表面，减少水分子与阳极的直接接触，从而抑制・OH 自由基的生成。同时，DMC 还能够与自由水分子重构氢键网络，进一步限制・OH 自由基的产生。
反应法拉第效率、¹H NMR谱图、循环伏安曲线、电解质中电位相关的选择性
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
自由基捕获实验和自由基时钟实验证实了两种氯化反应的路径。在氯醇的合成过程中，・Cl 自由基首先与烯烃发生加成反应，生成氯代烷基自由基，然后氯代烷基自由基与 H₂O 反应生成氯醇。而在邻二氯化物的合成过程中，・Cl 自由基与烯烃发生加成反应后，生成的氯代烷基自由基再与・Cl 自由基反应，生成邻二氯化物。
分子动力学模拟、Cl⁻和H₂O的密度分布曲线、界面水的原位拉曼光谱、O-H伸缩振动拉曼区域的峰拟合、拉曼光谱，计算强氢键、弱氢键和非氢键拟合面积的比例
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
三、研究意义与展望
（一）研究意义
张兵 / 高莹团队的研究成果在有机合成领域具有重要的意义。从方法学的角度来看，他们通过设计水 / DMC 混合电解质，成功实现了烯烃的选择性氯化，为电催化有机合成提供了一种新的策略。这种方法不仅避免了使用有毒、腐蚀性的 Cl₂气体，还通过调控界面氢键网络，有效地提高了反应的选择性和法拉第效率。
在应用方面，该研究成果为氯醇和邻二氯化物的绿色合成提供了可行的方案。氯醇和邻二氯化物作为重要的化工原料，广泛应用于医药、农药、材料等领域。传统的合成方法存在诸多弊端，而该团队的研究成果为这些领域的可持续发展提供了新的技术支持。此外，该方法还具有良好的通用性，对其他含各种官能团的烯烃也能实现高选择性的氯化反应，为有机合成化学家提供了一种强大的工具。
（二）研究展望
展望未来，这一研究成果为进一步的研究提供了广阔的空间。一方面，可以进一步优化混合电解质的组成和反应条件，提高反应的效率和选择性，拓展底物的范围。例如，可以研究不同的有机组分和添加剂对界面氢键网络的调控作用，以实现更高效的烯烃选择性氯化。另一方面，可以将该方法与其他电催化反应相结合，构建更加复杂的有机分子。此外，深入研究界面氢键网络与电催化反应之间的内在联系，也将为电催化有机合成的发展提供更坚实的理论基础。
天津大学张兵 / 高莹团队通过调控界面氢键网络实现烯烃选择性氯化的研究成果，为有机合成化学领域带来了新的突破。相信在未来的研究中，基于这一成果的进一步探索将不断推动电催化有机合成的发展，为相关领域的创新提供更多的可能。
四、文献信息
文献标题：Interfacial Hydrogen-Bond Network Regulation Tuned Water Dissociation Enables Selective Chlorination of Alkenes
作者：Junwei Yao, Chuanqi Cheng, Yongmeng Wu, Cuibo Liu, Shuoshuo Guo, Ying Gao, Bin Zhang
发表期刊：Journal of the American Chemical Society
DOI：10.1021/jacs.5c00818
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5c00818
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