電催化缺陷化學(xué)「領(lǐng)軍人」！他，35歲獲「國(guó)家杰青」，曾獲首屆杰青延續(xù)資助，再發(fā)Nature Synthesis！

來(lái)源：微算云平臺(tái)

可再生生物質(zhì)的還原胺化是生產(chǎn)高價(jià)值含氮化學(xué)品的關(guān)鍵途徑。以廢棄乙腈為氮源，對(duì)生物質(zhì)衍生的糠醛進(jìn)行還原胺化合成乙基-2-呋喃甲胺是一種有前景的資源化利用方法。與熱催化相比，電催化為合成乙基-2-呋喃甲胺提供了一種更綠色的方法。然而，由于糠醛的反應(yīng)活性高于乙腈，實(shí)現(xiàn)高效的C?N電化學(xué)偶聯(lián)頗具挑戰(zhàn)性。

成果簡(jiǎn)介

在此，湖南大學(xué)王雙印教授和鄒雨芹教授等人報(bào)道了一種在Fe?CuOx催化劑上電催化合成乙基-2-呋喃甲胺的方法，通過(guò)穩(wěn)定Cu2+來(lái)逆轉(zhuǎn)糠醛和乙腈的還原順序，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)98%的產(chǎn)率。Cu2+增強(qiáng)了乙腈的吸附并促進(jìn)其還原，同時(shí)抑制了糠醛的電化學(xué)還原副反應(yīng)。通過(guò)Fe3+/Fe2+氧化還原對(duì)的循環(huán)摻雜Fe3+，維持活性Cu2+物種的持續(xù)活性，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的乙基-2-呋喃甲胺生產(chǎn)，該策略可推廣應(yīng)用于從其他醛和腈合成仲胺。這項(xiàng)工作提出了一種通過(guò)電化學(xué)C?N偶聯(lián)合成仲胺的通用策略，為生物質(zhì)衍生分子的進(jìn)一步應(yīng)用提供了啟示。

相關(guān)文章以“Reversing the reduction sequence of aldehydes and nitriles for electrochemical C–N coupling”為題發(fā)表在Nature synthesis上！

圖文導(dǎo)讀

生物質(zhì)作為一種可再生且儲(chǔ)量豐富的碳源，可通過(guò)轉(zhuǎn)化為高價(jià)值化學(xué)品來(lái)替代傳統(tǒng)化石資源，糠醛便是其中一種關(guān)鍵的生物質(zhì)衍生平臺(tái)分子。它不僅是合成糠醇、2-甲基呋喃等多種高價(jià)值化合物的前體，更重要的是，通過(guò)還原胺化反應(yīng)將糠醛轉(zhuǎn)化為胺類衍生物，為生產(chǎn)醫(yī)藥中間體、農(nóng)用化學(xué)品和表面活性劑提供了極具前景的綠色途徑。

在熱催化領(lǐng)域，糠醛的還原胺化雖已有廣泛研究，例如在Ru基催化劑上成功合成了糠胺，但針對(duì)以廢棄乙腈為氮源合成乙基-2-呋喃甲胺的路線仍面臨重大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有熱催化方法產(chǎn)率較低（僅30%），且通常需要高溫高壓氫氣、使用昂貴貴金屬催化劑及有毒試劑，條件苛刻。同時(shí)，乙腈作為丙烯腈工業(yè)的大量副產(chǎn)物，常被直接燃燒，造成資源浪費(fèi)和有毒NOx氣體排放。因此，利用廢棄乙腈作為氮源進(jìn)行電催化轉(zhuǎn)化，既能減少污染，又能實(shí)現(xiàn)糠醛的高值化利用。

電化學(xué)方法因其綠色、安全、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，在含氮化學(xué)品合成領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，通過(guò)電催化乙腈和糠醛交叉偶聯(lián)合成乙基-2-呋喃甲胺此前尚未見(jiàn)報(bào)道，其核心難點(diǎn)在于糠醛的理論還原電位更正，導(dǎo)致其電化學(xué)還原成為強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)性副反應(yīng)。若糠醛優(yōu)先發(fā)生電加氫或自偶聯(lián)，將無(wú)法與乙腈的還原產(chǎn)物有效偶聯(lián)生成目標(biāo)仲胺。因此，實(shí)現(xiàn)高效電化學(xué)C?N偶聯(lián)的關(guān)鍵，在于設(shè)計(jì)合適的催化體系以逆轉(zhuǎn)二者的還原順序，即優(yōu)先促進(jìn)乙腈的還原，同時(shí)有效抑制糠醛的還原副反應(yīng)，從而為高效合成乙基-2-呋喃甲胺奠定基礎(chǔ)。

圖1：EFYA合成示意圖

催化劑制備與性能評(píng)估

基于以上討論，本文通過(guò)共沉淀煅燒法制備了高價(jià)態(tài)銅基催化劑Fe-CuOx和CuO，并以還原得到的零價(jià)Cu為對(duì)比，用于電催化乙腈與糠醛交叉偶聯(lián)合成乙基-2-呋喃甲胺。性能評(píng)估顯示，在最佳電位-0.50 下，F(xiàn)e-CuOx上EFYA選擇性高達(dá)98%，CuO為72%，遠(yuǎn)優(yōu)于Cu的9%。同時(shí)，Cu上主要產(chǎn)物為糠醛自偶聯(lián)的氫化呋喃烯（82%），表明反應(yīng)路徑截然不同。機(jī)理研究表明，CuO和Fe-CuOx優(yōu)先促進(jìn)乙腈還原生成乙胺中間體，其對(duì)乙腈的吸附能更低（Fe-CuOx為-1.01 eV）、表面覆蓋度更高，同時(shí)抑制糠醛還原，從而逆轉(zhuǎn)了反應(yīng)順序。此外，穩(wěn)定性測(cè)試中，F(xiàn)e3+摻雜有效維持了Cu2+活性物種，使Fe-CuOx在循環(huán)電解和50小時(shí)流動(dòng)池測(cè)試中保持性能穩(wěn)定，解決了CuO活性位點(diǎn)易衰減的問(wèn)題。

圖2：Cu、CuO和Fe–CuO電催化劑活性評(píng)估

通過(guò)原位紅外光譜和電化學(xué)阻抗譜，揭示了Cu價(jià)態(tài)調(diào)控逆轉(zhuǎn)FF與MeCN還原順序的機(jī)制。在CuO上，反應(yīng)遵循“電化學(xué)-化學(xué)-電化學(xué)”串聯(lián)路徑，MeCN優(yōu)先電還原生成乙胺，乙胺與FF發(fā)生C-N偶聯(lián)生成亞胺中間體，亞胺進(jìn)一步電還原生成目標(biāo)產(chǎn)物EFYA。紅外光譜中C=N峰先增后穩(wěn)、C-N峰持續(xù)增強(qiáng)證實(shí)了這一過(guò)程。EIS顯示CuO上CCR動(dòng)力學(xué)與MeCN還原相似，表明MeCN還原優(yōu)先。而在Cu上，F(xiàn)F還原優(yōu)先發(fā)生：C=O峰快速衰減、C-OH峰持續(xù)增強(qiáng)，主產(chǎn)物為FF自偶聯(lián)的HFN（選擇性82%），EIS也證實(shí)Cu上CCR行為與FF還原一致。因此，通過(guò)將Cu價(jià)態(tài)從零價(jià)調(diào)控為二價(jià)（CuO），可逆轉(zhuǎn)FF和MeCN的還原順序，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)路徑從自偶聯(lián)向高效交叉偶聯(lián)的靈活轉(zhuǎn)變。

圖3：基于銅基電催化劑上偶聯(lián)反應(yīng)路徑的鑒定與驗(yàn)證

Cu2+活性位點(diǎn)的穩(wěn)定化

通過(guò)系列表征證實(shí)Fe3+摻雜可有效穩(wěn)定Cu2+活性位點(diǎn)。毒化實(shí)驗(yàn)顯示，加入SCN-后反應(yīng)活性迅速喪失，證明Cu2+是CCR的活性中心。原位拉曼光譜表明，純CuO中Cu2+在電解過(guò)程中逐漸被還原為Cu+/Cu0，而Fe–CuOx中Cu2+始終保持不變。XPS和XRD進(jìn)一步驗(yàn)證，反應(yīng)后CuO表面出現(xiàn)Cu+/Cu0特征峰及金屬相，而Fe–CuOx僅存Cu2+。XAS分析揭示，F(xiàn)e3+成功摻雜入CuO晶格形成Cu–O–Fe結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致Cu配位數(shù)減少、Cu–O鍵長(zhǎng)縮短、鍵能增強(qiáng)。小波變換也證實(shí)了Cu–O–Fe新配位鍵的形成。因此，F(xiàn)e3+通過(guò)增強(qiáng)Cu–O鍵強(qiáng)度，有效抑制了Cu2+在反應(yīng)過(guò)程中的電化學(xué)還原，從而維持了CCR的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖4：銅基電催化劑活性位點(diǎn)的鑒定及CCR反應(yīng)穩(wěn)定性機(jī)制研究

CCR反應(yīng)機(jī)制的理論分析

通過(guò)DFT計(jì)算揭示了Cu和CuO上CCR機(jī)制的差異。熱力學(xué)分析表明，無(wú)外加偏壓時(shí)MeCN在CuO吸附更強(qiáng)（-0.48 eV vs Cu的-0.19 eV）。施加-0.50 V后，所有步驟自由能均顯著為負(fù)，說(shuō)明性能差異源于動(dòng)力學(xué)。CuO上CH3C≡N* → CH3CH=N*的能壘（0.52 eV）遠(yuǎn)低于Cu（1.09 eV），解釋了CuO更優(yōu)的MeCN還原活性。CuO上EFYI*加氫能壘（0.81 eV）高于MeCN加氫，證實(shí)EFYI還原為決速步驟。同時(shí)，對(duì)競(jìng)爭(zhēng)的自偶聯(lián)路徑，Cu上F-CHO*加氫自由能變化（-0.08 eV）低于CuO（0.05 eV），且-0.50 V下Cu上生成HFN更有利，解釋了Cu優(yōu)先發(fā)生FF自偶聯(lián)。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合，證實(shí)Cu2+是逆轉(zhuǎn)還原順序、實(shí)現(xiàn)高效C-N偶聯(lián)的關(guān)鍵。

圖5：Cu與氧化銅上偶聯(lián)反應(yīng)機(jī)理的驗(yàn)證

最后，分別對(duì)熱催化和電催化合成乙基-2-呋喃甲胺的方法進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，以評(píng)估其生產(chǎn)成本。電催化的總成本約為熱催化的37%，表明電催化方法更適合生產(chǎn)乙基-2-呋喃甲胺。同時(shí)，使用各種相應(yīng)的醛和腈驗(yàn)證了這種逆轉(zhuǎn)策略對(duì)于合成仲胺的普適性。多種腈類底物（環(huán)丙基腈、丙腈）和醛類底物（呋喃甲醛、苯甲醛、吡啶甲醛、烷基醛）均能以高產(chǎn)率（約66–88%）轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的胺。因此，這種還原順序逆轉(zhuǎn)策略對(duì)于通過(guò)醛和腈的電化學(xué)C?N交叉偶聯(lián)合成高附加值仲胺具有普適性。

圖6：電催化在醛與腈交叉偶聯(lián)合成仲胺中的應(yīng)用

結(jié)論展望

綜上所述，本文提出了一種通過(guò)穩(wěn)定Cu2+來(lái)逆轉(zhuǎn)糠醛與乙腈還原順序的電合成策略，實(shí)現(xiàn)了高效C?N偶聯(lián)合成乙基-2-呋喃甲胺。優(yōu)化的Fe–CuOx催化劑在交叉偶聯(lián)反應(yīng)中達(dá)到了98%的產(chǎn)率。機(jī)理研究表明，Cu2+是催化活性中心，反應(yīng)遵循“電化學(xué)-化學(xué)-電化學(xué)”串聯(lián)路徑，其中乙腈優(yōu)先還原是關(guān)鍵。同時(shí)，DFT計(jì)算和電化學(xué)石英晶體微天平測(cè)試揭示，Cu2+位點(diǎn)優(yōu)先吸附活化乙腈并抑制糠醛還原。Fe3+摻雜通過(guò)三種機(jī)制穩(wěn)定Cu2+，分別為增強(qiáng)Cu–O鍵、形成缺電子微環(huán)境以及動(dòng)態(tài)乙腈配位保護(hù)。該策略成功拓展至多種醛和腈底物，實(shí)現(xiàn)了多種仲胺的高產(chǎn)率合成，為在溫和條件下可持續(xù)合成生物基胺類化合物開(kāi)辟了新途徑。

文獻(xiàn)信息

Yuping Pan, Yu Jing, Tianze Xu, Tianyang Liu, Rong Miao, Chongyang Ma, Qizheng An, Ta Thi Thuy Nga, Yunhui Yan, Zhenyi Xiao, Yun Fan, Zhongcheng Xia, Yutong Huang, Dianke Xie, Chung-Li Dong, Qinghua Liu, Yuqin Zou, Shuangyin Wang,Reversing the reduction sequence of aldehydes and nitriles for electrochemical C–N coupling,Nature synthesis, https://doi.org/10.1038/s44160-026-01036-1

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