熊宇杰/张宁/蔡乐娟Angew: 基于氨活化介导路径的电化学C−N偶联高效合成酰胺

第一作者：刘振中

通讯作者：熊宇杰教授、张宁教授、蔡乐娟副研究员

通讯单位：中国科学技术大学、中国科学技术大学苏州高等研究院、安徽师范大学、松山湖材料实验室

论文DOI：10.1002/anie.202518108

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传统热合成甲酰胺的方法严重依赖化石燃料，不仅加剧了碳预算压力，更对环境完整性构成威胁。因此，利用迅速发展的可再生能源技术，在室温下电合成甲酰胺，成为一种富有前景的可持续替代方案。目前，如何精准调控活性中间体，进而高效地构建C−N键是当前面临的关键挑战。基于对基础催化机理的深入理解，中国科学技术大学熊宇杰/张宁教授团队报道了一种由氨（NH₃）活化介导的途径，电化学构建C−N偶联。该途径以甲醇和NH₃为原料，在NiCuRu衍生的（氧）氢氧化物催化剂上实现了甲酰胺的高效、高选择性电合成。综合原位光谱分析与理论模拟，阐明了NH₃在晶格氧（O_L）介导的氢原子转移（HAT）过程中，优先通过初始脱氢生成关键活性中间体*NH₂的反应路径。该路径不仅展现出更快的反应动力学，更重要的是，它绕过了醛类中间体的生成，从而有效抑制了不利的过氧化反应。此外，该途径可进一步将底物拓展至生物质与塑料衍生的多元醇及糖类化合物，其通过同步的C-C裂解实现了甲酰胺电合成，并获得了32%-60%的法拉第效率。最后，一项细致的技术经济分析证实，这种基于可再生电力的甲酰胺电合成方法具备盈利潜力，并彰显了其在绿色化学制造中的可持续优势。

背景介绍

在现代化学工业中，酰胺是一类至关重要的有机氮商品，是制造精细化学品（包括药物、农用化学品和聚合物结构单元）的关键原料。以最简单的甲酰胺为例，其在有机化学合成中的广泛应用，使其全球市场规模达到约15亿美元，并预计将以超过5%的年复合增长率持续增长。传统的热催化甲酰胺合成方法不可避免地引发了关于化石能源消耗、碳预算和环境可持续性的担忧。因此，开发高效且可持续的创新合成方法显得尤为迫切。随着可再生能源利用的不断发展，电化学合成在常温条件下提供了一个极具吸引力的替代方案。

在甲酰胺电合成中，决定性的基元步骤是高效构建C–N键，这从根本上受活性反应中间体控制。目前一个可行的反应路径被提出，涉及醇氧化生成醛中间体，以及随后NH₃对羰基碳中心的亲核攻击。然而，醛中间体在热力学上容易在较高电位下发生过度氧化，导致产生不必要的羧酸副产物，从而损害甲酰胺的选择性并降低整体原子经济性。这自然向研究界提出了一个问题：能否找到一条替代路径来解决不利的过度氧化问题？通过对亲核醇电氧化反应机理的研究发现，活性*OH物种在脱氢和氧化生成偕二醇中间体的过程中起着关键作用。考虑到活性*NH₂物种具有类似的电子亲和行为，可以设想，热力学上比H₂O更有利的NH₃的活化，同样能够影响醇的氧化演化过程，并且可能通过直接的C–N耦合来抑制醛的形成。

本文亮点

1）催化剂的制备与表征：通过电沉积方法合成了Ni、NiCu和NiCuRu等催化剂，并利用XPS、XAS、原位拉曼、理论计算等技术对催化剂的结构和电子状态进行了表征。结果表明Cu促进（氧）氢氧化物活性相形成所需的重构，而Ru促进（氧）氢氧化物表面活性相脱氢，引导原子间电子转移，降低电子密度，影响了催化剂的活性。

2）电化学性能测试：在典型的三电极H池中进行电化学测试，结果显示NiCuRu衍生的（氧）氢氧化物催化剂在甲醇和氨存在下表现出更高的电流响应，表明其对C-N偶联反应具有更高的活性。在2.4 V vs. RHE的电位下，NiCuRu催化剂的甲酰胺产率达到557.2 μmol cm⁻² h⁻¹，法拉第效率（FE）达到50.1%，碳选择性达到87.6%。

3）反应路径的实验验证：通过控制实验、EPR测试、DEMS测试和ATR-SEIRAS光谱等手段，验证了氨的氧化是反应的起始步骤，并且*NH₂物种与醇衍生的物种直接偶联形成C-N键，避免了醛中间体的形成。

4）理论计算：通过构建NiCu和NiCuRu基的氧氢氧化物模型，计算了各基元反应的自由能变化，结果表明NiCuRu模型在*NH₃脱氢氧化步骤中的自由能更低，表明其具有更高的活性。

5）实际应用的扩展：本文还探索了使用生物质和塑料衍生的多醇和糖类作为碳源进行甲酰胺电合成的可能性，结果显示这些原料也能实现较高的法拉第效率（32%-60%）和产率（330-640 μmol cm⁻² h⁻¹）。此外，通过连续流电池电解槽进行的连续电化学测试表明，该过程可以连续进行，具有实际应用的潜力。一项细致的技术经济分析证实，这种基于可再生电力的甲酰胺电合成方法具备盈利潜力，并彰显了其在绿色化学制造中的可持续优势。

图文解析

图1. 不同甲酰胺合成方法的比较。a）使用气态一氧化碳（CO）和氨（NH₃）作为原料的传统热催化方法，以及b）使用液体甲醇（CH₃OH）和氨水作为原料的可持续电合成方法。

图2. 催化剂重构表征。a）电化学氧化处理前（上）和处理后（下）NiCuRu催化剂的HRTEM图像。b）NiCuRu催化剂在1.4 ~ 2.0 V vs. RHE条件下的电化学原位拉曼光谱。c）不同催化剂NiOOH相δ_Ni−O拉曼信号对应的强度演化。电化学氧化处理过程中不同催化剂 d）Ni 2p和 e）O 1s核能级谱的非原位XPS测量。f）计算得到NiCu和NiCuRu氢氧根脱质子的自由能图。g）电化学合金重建为（氧）氢氧化物的示意图，显示了不同金属组分的作用。

图3. 甲酰胺电合成的性能评估。a）通过氧化C-N偶联进行甲酰胺电合成的示意图。b）在存在CH₃OH和NH₃的情况下，不同催化剂的线性扫描伏安（LSV）曲线，未进行iR补偿。c）¹³C和¹⁵N同位素标记实验中收集的甲酰胺产物的质谱（MS）图谱。d）在不同操作电位下，甲酰胺产物的产率、e）法拉第效率（FE）和f）碳选择性。g）在2.0 V vs. RHE下对NiCuRu催化剂进行的循环测试。h）NiCuRu催化剂与其他最近报道催化剂的活性比较。

图4. 反应途径的光谱研究。a）在不同反应原料存在下，NiCuRu催化剂的LSV曲线。b）DMPO作为自由基捕获剂的电化学原位电子顺磁共振（EPR）光谱。c）在2.0 V vs. RHE下记录的NiCuRu催化剂上甲酰胺电合成过程中各种反应中间体的差分电化学质谱（DEMS）信号。d）不同催化剂上中间体DEMS信号的相对强度变化。e）分别使用H₂O和D₂O进行的同位素标记实验中收集的甲酰胺产物的质谱（MS）图谱。f）使用不同氮源的酰胺产物的法拉第效率（FE）。g）在不同操作电位下，使用NiRuCu催化剂进行甲酰胺形成过程中的电化学原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS）光谱。h）提出的NH₃激活介导的反应路径，合理解释了高效氧化C-N偶联的甲酰胺电合成过程。

图5. 机制理解的理论模拟。a）NiCuRu-OOH slab上形成甲酰胺的各种中间体的模拟结构构型。b）NiCu–OOH和NiCuRu–OOH slab上形成甲酰胺的自由能图。c）Ni 3d和O 2p轨道PDOS图。d）吸附的*NH₃中N-H键的COHP图。e）晶格氧配体介导的*NH₃脱氢至*NH₂的自由能图。f）在NiCuRu–OOH slab上，HOCH₂NH₂中间体脱水至*H₂C═NH和脱氢至*OCH₂NH₂物种的自由能差。

图6. 潜在的实际应用和评估。a）生物质或塑料废弃物衍生的多元醇和糖类原料的示意图。b）使用不同碳源在2.0 V vs. RHE下对NiCuRu催化剂进行甲酰胺电合成的活性评估。c）使用流动电池电解槽进行连续甲酰胺电合成。d）电合成路线获得的甲酰胺的成本，由技术经济分析（TEA）确定。e）通过累积瀑布分析降低生产成本的路线图。

总结与展望

本研究成功展示了使用低成本醇和氨作为原料，可持续且高效电合成甲酰胺的新路径。通过调控C-N偶联反应路径，可以显著提高该过程的效率。采用NiCuRu合金基电催化剂，其表面经历动态重构，形成具有高活性的（羟基）氢氧化物作为活性位点。以CH₃OH作为碳源时，在2.4 V vs. RHE下实现了557.2 µmol cm^-2 h^-1的甲酰胺产率，并同步实现了50.1%的法拉第效率和87.6%的碳选择性。甲酰胺电合成过程可以在流动电解槽中连续运行。结合电化学原位光谱与理论模拟，研究揭示了一条经由NH₃优先氧化的替代反应路径：晶格氧介导的氢原子转移过程促进了*NH₂物种的形成，该活性中间体主导反应进程，直接与甲醇衍生物种偶联构建C–N键。由于NH₃优先于甲醇被氧化，醛中间体的生成受到显著抑制，从而有效避免了过度氧化副反应。得益于*NH₂物种的通用反应性，该策略同样适用于生物质/塑料衍生碳源，实现了32–60%的法拉第效率。技术经济分析表明，通过提升反应效率与优化电力管理，该工艺具备潜在经济可行性。本工作凸显了电合成技术在推动绿色与可持续发展方面的显著优势。

作者介绍

熊宇杰，中国科学技术大学讲席教授、博士生导师，安徽师范大学党委副书记、校长。1996年进入中国科学技术大学少年班系学习，2000年获化学物理学士学位，2004年获无机化学博士学位，师从谢毅院士。2004至2011年先后在美国三所大学工作，2011年辞去首席研究员职位回到中国科学技术大学任教授，建立独立研究团队。曾入选教育部长江学者特聘教授（2018年）、国家杰出青年科学基金获得者（2017年）、国家高层次人才计划科技创新领军人才（2018年），当选欧洲科学院、东盟工程与技术科学院、新加坡国家化学会、英国皇家化学会的Fellow。现任ACS Materials Letters副主编，Chemical Society Reviews、Chemistry of Materials等期刊顾问委员或编委。主要从事仿生催化系统的智能定制研究，已发表300余篇通讯作者论文，其中100余篇发表在Nature/Science子刊以及化学与材料科学顶刊（J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.），40余篇入选ESI高被引论文。论文总引用52,000余次（H指数116），入选科睿唯安全球高被引科学家榜单和全球前0.05%顶尖学者终身榜单。曾获3项国家自然科学奖和省部级自然科学奖、4次中国科学院优秀导师奖、英国皇家化学会Chem Soc Rev开拓研究者讲座奖、中美化学与化学生物学教授协会杰出教授奖。

张宁，中国科学技术大学特任教授、博士生导师。2013年和2018年分别在中国科学技术大学取得学士和博士学位（导师：熊宇杰 教授），随后在香港理工大学从事博士后研究（合作导师：Yang Chai 教授），2022年8月回到中国科学技术大学任教。截至目前，已在国际高水平期刊发表论文40余篇，申请发明专利3项，其中以第一/通讯作者在Nat. Commun.、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Inte. Ed.、Chem. Soc. Rev.、JACS Au、Energy & Environ. Sci.等期刊发表论文30余篇，总被引超过9000次， H指数为28。入选国家级海外高层次人才引进计划青年项目（2023年）、中科院百人计划B类择优支持（2023年）、安徽省海外人才引进计划项目（2023年）、姑苏创新创业领军人才项目（2024年）。获评RSC Nanoscale新锐科学家。目前担任eScience、Nano-Micro Letters、Nano Research Energy、EcoEnergy期刊青年编委。

蔡乐娟，松山湖材料实验室副研究员，东莞市特色人才（C类）。近年来主要从事水系能源催化与储能器件研究，在新型催化材料设计、电极-电解质表界面动力学过程、关键中间体演化路径调控等方面取得了系列创新研究成果。截至目前，已在高水平期刊发表论文52篇，申请/授权中国发明专利7项。其中，以第一/通讯作者（含共同）在Nature Communications、Science Advances、Angewandte Chemie International Edition（3）、Advanced Energy Materials（2）等期刊发表论文22篇，总引用4700余次，h 因子28（谷歌学术）。近年来，主持国家自然科学基金–青年科学基金项目（C类）、粤莞联合基金–地区培育项目和松湖青年学者项目。先后担任Materials Futures期刊青年编委和编委，担任Nature Communications、Angewandte Chemie International Edition等期刊独立审稿人。

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