第一作者：陈威，吴彦栋，姜一民，杨光星
通讯作者：邹雨芹
通讯单位：湖南大学
论文DOI：10.1021/jacs.3c14687
电催化偶联反应使复杂有机化合物的绿色合成成为可能，并将成为合成化学的重要工具。缺乏筛选合适催化剂的方法是其发展的主要障碍。在本研究中，我们提出了一个重要的电化学还原偶联反应——从NOx和醛直接电合成肟。通过实验结合理论方法，我们筛选出最佳催化剂，即金属铁催化剂。铁催化剂有利于关键反应中间体的富集和C-N偶联，因此在铁上直接电合成肟具有高产率（例如苯甲醛肟的约99%产率）。使用流动电解槽，我们实现了22.8 g·h-1·gcat-1的高苯甲醛肟产量，分离产率约为94%。这不仅为电合成肟的工业化大规模生产铺平了道路，也为其他电化学偶联反应的催化剂选择提供了指导。
电化学技术为合成有机化合物提供了一种替代方法，具有节能、环保、反应条件温和和许多其他优点。然而，大多数提出的有机电催化反应在有机合成领域没有竞争力，例如有机化合物的简单电还原/电氧化。近年来，研究人员提出通过含碳化合物和含氮化合物的电化学共还原来构建C-N键是可行的。
尽管对含氮有机化合物的电还原进行了许多研究，但关于从无机氮源直接电合成含氮有机化合物的研究很少。有机化合物的电化学转化十分依赖电催化剂。同时，电化学偶联反应的复杂性对催化剂的选择也提出了严格的要求，这意味着合适催化剂的选择相对有限。然而，对电化学偶联反应的催化剂功能的认识落后于其他电催化应用，导致该领域选择催化剂的经验主义盛行。缺乏筛选合适催化剂的方法仍然是发展电化学偶联反应的重大阻碍。
作为潜在的C-N偶联产物之一，肟是有机氮化合物（如胺、腈、酰胺、硝基化合物、氮杂杂环等）合成的关键中间体。肟的传统合成方法包括两个过程：（1）在贵金属催化剂上氮氧化物（NOx）氢化为羟胺（NH2OH）；（2）通过NH2OH与碳的亲核加成——消除反应合成肟（如醛类）。这种两步法的缺点是制造过程复杂、能耗高、副产物多、设备腐蚀和生成酸性废水，并且NH2OH的大规模生产和使用具有爆炸的潜在危险。由NOx和羰基化合物直接合成肟可以简化反应步骤，减少污染释放，并且避免NH2OH的直接使用可以显著提高生产安全性。
本工作旨在以NOx和醛/酮等羰基化合物为原料直接电催化合成肟，发展一种开创性的水系电解液的电化学还原C-N偶联反应。电化学NOx还原反应（NOxRR）和电化学醛还原反应（ARR）都得到了广泛的研究，为直接电合成肟提供了研究基础。NOx电还原为氨（NH3）的关键反应中间体是*NH2OH。对于ARR，吸附产生*RCHO被电化学还原为醇。鉴于两者的自发亲核加成——消除反应，通过*NH2OH和*R-CHO的C-N偶联直接电合成肟是可行的。因此，在电化学共还原过程中，直接电合成肟的理想催化剂必须满足三个必要条件（1）富集关键反应中间体，即*NH2OH和*R-CHO；（2）*NH2OH和*R-CHO之间的C-N偶联优先级高；（3）减缓关键反应中间体或肟产物的过度电还原。
1. 本工作报道了一种开创性的电化学还原偶联反应——从NOx和醛直接电合成肟。以硝酸根和苯甲醛作底物，通过对电解液筛选、催化剂筛选、理论计算结合实验的方法，实现Fe催化剂在0.5M K2CO3中得到99%的苯甲醛肟产率。通过反应器将苯甲醛肟产量提高到22.8 g·h-1·gcat-1，分离产率约为94%。
2. 本工作通过对广泛研究的电化学NOx还原反应（NOxRR）路径和电化学醛还原反应（ARR）路径进行详细分析，指出NOxRR中的关键反应中间体是电吸附的NH2OH（*NH2OH）。而ARR中被吸附产生电极吸附的醛（*RCHO）是偶联反应的关键中间体，应避免其电化学还原为醇。因此，提出直接电合成肟的理想催化剂必须满足三个必要的先决条件：（1）富集关键反应中间体，即*NH2OH和*R-CHO；（2）*NH2OH和*R-CHO之间的C-N偶联优先级高；（3）抑制关键反应中间体或肟产物的过度电还原。
3. 本文通过结合多种原位/非原位表征技术和密度泛函理论（DFT）计算，筛选了各种金属催化剂（例如Pd、Ag、Cu、Ni、Co、Fe），只有铁（Fe）催化剂满足上述三个先决条件。在铁催化剂上肟的直接电合成具有宽的底物范围和宽的官能团耐受性。这不仅为通过电合成法工业化大规模生产肟铺平了道路，而且为电化学偶联反应的催化剂选择提供了指导，以廉价的原料绿色合成复杂的有机化合物。
以铜纳米颗粒作为模型催化剂，探索从NOx和R-CHO直接电合成肟。当务之急是决定合适的电解液体系，本文研究了酸性（pH=3）、中性（pH=7）和碱性（pH=12）电解质（0.5 M H2SO4和0.5 M K2CO3的混合溶液）对NOx和R-CHO在铜上电化学共还原的影响。在初步筛选实验中，苯甲醛（Ph-CHO）和硝酸根离子（NO3-）分别用作R-CHO和NOx的模型化合物。图1a显示偶联产物的选择性随着电解质pH值的增加而显著增加，苯甲醛肟在酸性、中性和碱性电解质中的选择性分别为0.3%、11%和24%，碱性电解质似乎有利于由NOx和R-CHO直接电合成肟。图1b通过 DFT计算证明由于缓慢的水解离过程，在中性/碱性电解质中，*H产生相对于Cu（111）的自由能变化明显高于酸性电解质。图1c表示NOx和R-CHO的电化学共还原涉及电化学步骤和非电化学偶联过程。*H中间体能显著促进电化学步骤，包括加氢和加氢脱氧过程。图2d显示随着电解质pH值的增加，*H的产生变得越来越困难，从而通过抑制电化学氢化/加氢脱氧步骤促进了反应中间体之间的非电化学偶联。
图2a表示NOxRR通常可以分为两个过程，即（1）将NOx电还原为*NO；（2）将*NO电还原为NH3。NORR有十种可能的反应中间体，其中，*NH2OH和*NH是NOxRR过程中的关键中间体。图2b通过原位差分电化学质谱（DEMS）在Pd/C、Ag、Cu和Ni催化剂NO3RRs的20 mA cm-2的两个循环中，检测到*NO和NH3，而没有检测到*NH2OH。而图2c通过DEMS检测到了*NO、*NH2OH和NH3，表明Co或Fe上的实际NOxRR主要遵循涉及*NH2OH的途径。图2d表明Fe电极在-0.4至-0.6V vs. RHE下的NO3RR通过同步辐射傅立叶变换红外光谱（SR-FTIR）得到了2855和2926 cm-1处的两个特征峰，这两个特征峰归因于*NH2OH中两个N-H键的伸缩振动。
图3a表示ARR途径包括两个过程，即（1）R-CHO的吸附，和（2）*R-CHO电还原成醇。图3c通过甲醛程序升温解吸（TPD）测量评估了Co和Fe对R-CHO的吸附强度。Co和Fe催化剂的甲醛解吸峰分别位于159°C和182°C，表明Fe催化剂比Co催化剂对R-CHO的吸附更强。
图4 由*NH2OH和*Ph-CHO直接电合成Ph-C=N-OH
图4a通过DFT计算得出在Fe（110）上由*NH2OH和*Ph-CHO合成Ph-CH=NOH的过程中，速率决定步骤是C-N偶联过程（即*NH2OH与*Ph-CHO的亲核加成），其能垒为ΔG：0.32 eV，表明由*NH2OH和*R-CHO合成肟应该是一个自发的非电化学过程。图4a显示*NH2OH和*Ph-CHO之间的C-N偶联的活化能垒显著低于*NH2OH的加氢（ΔG：0.68 eV）和*Ph-CHO的加氢（ΔG：1.35 eV），表明在Fe（110）催化剂上，肟的直接电合成优先于R-CHO电还原为醇和NOx电还原为NH3。图4b通过对铁电极在-0.4 V vs. RHE的DEMS测量，证明NO3-和Ph-CHO的电化学共还原中*NH2OH的m/z 33信号强度远低于NO3RR中*NH2OH的信号强度。图4c通过气相色谱-质谱（GCMS）测定得到Ph-C=N-OH的产率约为99%，远高于其他模型金属催化剂，包括Pd/C、Ag、Cu、Ni和Co。
图5a拓宽了直接电合成肟的底物范围。图5b、5c通过流动电解槽实现Ph-C=N-OH直接电合成的大规模持续生产。使用喷涂在5 cm-2碳纸上的Fe纳米颗粒（1mg cm-2）作为阴极电极，将含有1 M KNO3和50 mM Ph-CHO（1.06 g）的0.5 M K2CO3溶液（200 mL）泵过阴极室，并使用泡沫镍作为阳极电极，用于析氧反应。图5d显示通过恒电流为1 A（200 mA·cm-2）、槽压约为2.1 V（60°C）的分流反应器，Ph-C=N-OH的生产率高达22.8 g·h-1·gcat-1（1.14 g），分离产率约为94%，法拉第效率为1.52%。
我们报道了一种开创性的电化学还原偶联反应，该反应提供了一种从NOx和R-CHO直接电催化合成肟的途径。此外，本文还提出了筛选电化学C-N偶联反应催化剂的普适性策略，其出发点和最终目的是促进关键反应中间体的富集和偶联。例如，用于肟直接电合成的理想催化剂应该有利于NOx和R-CHO的电化学共还原两种关键反应中间体的富集和C-N偶联，即*NH2OH和*R-CHO。在此基础上，通过理论与实验相结合的方法筛选出了最佳的金属催化剂Fe。对于NOx和R-CHO的电化学共还原，Fe催化剂能够高产率合成肟（例如，PhCH=N-OH的约99%产率），这远远超过了其他金属催化剂。在铁电极上由NOx和R-CHO直接电合成肟具有很好的官能团耐受性。此外，通过流动电解槽，我们将Ph-CH=N-OH的产量提高到22.8 g·h-1·gcat-1，分离产率约为94%。这不仅为电合成肟的工业化大规模生产铺平了道路，而且为电化学偶联反应的催化剂选择提供了指导，以廉价的原料绿色合成复杂的有机化合物。
Chen W, Wu Y, Jiang Y, et al. Catalyst Selection over an Electrochemical Reductive Coupling Reaction toward Direct Electrosynthesis of Oxime from NOx and Aldehyde[J]. Journal of the American Chemical Society, 2024. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c14687
陈威，博士毕业于湖南大学，现为湖南大学助理教授（weichen1@hnu.edu.cn）。近年来以第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Chem、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Nat. Sci. Rev.等期刊发表学术论文多篇。目前从事有机分子电催化定向转化及其器件应用的研究。
邹雨芹，湖南大学教授，博士生导师，是国家优秀青年基金、湖南省优秀青年基金，湖南省“湖湘青年英才”，湖南大学“岳麓学者”等项目获得者。至今，以通讯作者发表SCI论文多篇，包括Nature Catal.，J. Am. Chem. Soc. ，Angew. Chem.，Adv. Mater. ，Chem，Natl. Sci. Rev.，Energy Environ. Sci.，Adv. Energy Mater.，ESI高被引论文26篇，热点论文3篇。兼任《Chinese Journal of Catalysis》、《Chinese Chemical Letters》、《Chinese Journal of Structural Chemistry》青年编委等学术职务。
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