電催化缺陷化學「領軍人」！他，35歲獲「國家杰青」，曾獲首屆杰青延續資助，再發Nature Synthesis！

來源：微算云平臺

可再生生物質的還原胺化是生產高價值含氮化學品的關鍵途徑。以廢棄乙腈為氮源，對生物質衍生的糠醛進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，由于糠醛的反應活性高于乙腈，實現高效的C?N電化學偶聯頗具挑戰性。

成果簡介

在此，湖南大學王雙印教授和鄒雨芹教授等人報道了一種在Fe?CuOx催化劑上電催化合成乙基-2-呋喃甲胺的方法，通過穩定Cu2+來逆轉糠醛和乙腈的還原順序，實現了高達98%的產率。Cu2+增強了乙腈的吸附并促進其還原，同時抑制了糠醛的電化學還原副反應。通過Fe3+/Fe2+氧化還原對的循環摻雜Fe3+，維持活性Cu2+物種的持續活性，實現了穩定的乙基-2-呋喃甲胺生產，該策略可推廣應用于從其他醛和腈合成仲胺。這項工作提出了一種通過電化學C?N偶聯合成仲胺的通用策略，為生物質衍生分子的進一步應用提供了啟示。

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

圖文導讀

生物質作為一種可再生且儲量豐富的碳源，可通過轉化為高價值化學品來替代傳統化石資源，糠醛便是其中一種關鍵的生物質衍生平臺分子。它不僅是合成糠醇、2-甲基呋喃等多種高價值化合物的前體，更重要的是，通過還原胺化反應將糠醛轉化為胺類衍生物，為生產醫藥中間體、農用化學品和表面活性劑提供了極具前景的綠色途徑。

在熱催化領域，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。現有熱催化方法產率較低（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，乙腈作為丙烯腈工業的大量副產物，常被直接燃燒，造成資源浪費和有毒NOx氣體排放。因此，利用廢棄乙腈作為氮源進行電催化轉化，既能減少污染，又能實現糠醛的高值化利用。

電化學方法因其綠色、安全、經濟的優勢，在含氮化學品合成領域展現出巨大潛力。然而，通過電催化乙腈和糠醛交叉偶聯合成乙基-2-呋喃甲胺此前尚未見報道，其核心難點在于糠醛的理論還原電位更正，導致其電化學還原成為強競爭性副反應。若糠醛優先發生電加氫或自偶聯，將無法與乙腈的還原產物有效偶聯生成目標仲胺。因此，實現高效電化學C?N偶聯的關鍵，在于設計合適的催化體系以逆轉二者的還原順序，即優先促進乙腈的還原，同時有效抑制糠醛的還原副反應，從而為高效合成乙基-2-呋喃甲胺奠定基礎。

圖1：EFYA合成示意圖

催化劑制備與性能評估

基于以上討論，本文通過共沉淀煅燒法制備了高價態銅基催化劑Fe-CuOx和CuO，并以還原得到的零價Cu為對比，用于電催化乙腈與糠醛交叉偶聯合成乙基-2-呋喃甲胺。性能評估顯示，在最佳電位-0.50 下，Fe-CuOx上EFYA選擇性高達98%，CuO為72%，遠優于Cu的9%。同時，Cu上主要產物為糠醛自偶聯的氫化呋喃烯（82%），表明反應路徑截然不同。機理研究表明，CuO和Fe-CuOx優先促進乙腈還原生成乙胺中間體，其對乙腈的吸附能更低（Fe-CuOx為-1.01 eV）、表面覆蓋度更高，同時抑制糠醛還原，從而逆轉了反應順序。此外，穩定性測試中，Fe3+摻雜有效維持了Cu2+活性物種，使Fe-CuOx在循環電解和50小時流動池測試中保持性能穩定，解決了CuO活性位點易衰減的問題。

圖2：Cu、CuO和Fe–CuO電催化劑活性評估

通過原位紅外光譜和電化學阻抗譜，揭示了Cu價態調控逆轉FF與MeCN還原順序的機制。在CuO上，反應遵循“電化學-化學-電化學”串聯路徑，MeCN優先電還原生成乙胺，乙胺與FF發生C-N偶聯生成亞胺中間體，亞胺進一步電還原生成目標產物EFYA。紅外光譜中C=N峰先增后穩、C-N峰持續增強證實了這一過程。EIS顯示CuO上CCR動力學與MeCN還原相似，表明MeCN還原優先。而在Cu上，FF還原優先發生：C=O峰快速衰減、C-OH峰持續增強，主產物為FF自偶聯的HFN（選擇性82%），EIS也證實Cu上CCR行為與FF還原一致。因此，通過將Cu價態從零價調控為二價（CuO），可逆轉FF和MeCN的還原順序，實現反應路徑從自偶聯向高效交叉偶聯的靈活轉變。

圖3：基于銅基電催化劑上偶聯反應路徑的鑒定與驗證

Cu2+活性位點的穩定化

通過系列表征證實Fe3+摻雜可有效穩定Cu2+活性位點。毒化實驗顯示，加入SCN-后反應活性迅速喪失，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進一步驗證，反應后CuO表面出現Cu+/Cu0特征峰及金屬相，而Fe–CuOx僅存Cu2+。XAS分析揭示，Fe3+成功摻雜入CuO晶格形成Cu–O–Fe結構，導致Cu配位數減少、Cu–O鍵長縮短、鍵能增強。小波變換也證實了Cu–O–Fe新配位鍵的形成。因此，Fe3+通過增強Cu–O鍵強度，有效抑制了Cu2+在反應過程中的電化學還原，從而維持了CCR的長期穩定性。

圖4：銅基電催化劑活性位點的鑒定及CCR反應穩定性機制研究

CCR反應機制的理論分析

通過DFT計算揭示了Cu和CuO上CCR機制的差異。熱力學分析表明，無外加偏壓時MeCN在CuO吸附更強（-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，說明性能差異源于動力學。CuO上CH3C≡N* → CH3CH=N*的能壘（0.52 eV）遠低于Cu（1.09 eV），解釋了CuO更優的MeCN還原活性。CuO上EFYI*加氫能壘（0.81 eV）高于MeCN加氫，證實EFYI還原為決速步驟。同時，對競爭的自偶聯路徑，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優先發生FF自偶聯。計算結果與實驗吻合，證實Cu2+是逆轉還原順序、實現高效C-N偶聯的關鍵。

圖5：Cu與氧化銅上偶聯反應機理的驗證

最后，分別對熱催化和電催化合成乙基-2-呋喃甲胺的方法進行了技術經濟分析，以評估其生產成本。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乙基-2-呋喃甲胺。同時，使用各種相應的醛和腈驗證了這種逆轉策略對于合成仲胺的普適性。多種腈類底物（環丙基腈、丙腈）和醛類底物（呋喃甲醛、苯甲醛、吡啶甲醛、烷基醛）均能以高產率（約66–88%）轉化為相應的胺。因此，這種還原順序逆轉策略對于通過醛和腈的電化學C?N交叉偶聯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合成仲胺中的應用

結論展望

綜上所述，本文提出了一種通過穩定Cu2+來逆轉糠醛與乙腈還原順序的電合成策略，實現了高效C?N偶聯合成乙基-2-呋喃甲胺。優化的Fe–CuOx催化劑在交叉偶聯反應中達到了98%的產率。機理研究表明，Cu2+是催化活性中心，反應遵循“電化學-化學-電化學”串聯路徑，其中乙腈優先還原是關鍵。同時，DFT計算和電化學石英晶體微天平測試揭示，Cu2+位點優先吸附活化乙腈并抑制糠醛還原。Fe3+摻雜通過三種機制穩定Cu2+，分別為增強Cu–O鍵、形成缺電子微環境以及動態乙腈配位保護。該策略成功拓展至多種醛和腈底物，實現了多種仲胺的高產率合成，為在溫和條件下可持續合成生物基胺類化合物開辟了新途徑。

文獻信息

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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