打破質(zhì)疑,創(chuàng)新體系!天大張兵教授團(tuán)隊(duì),連發(fā)Nat. Commun.、Nat. Catal.! 2023年9月30日 上午12:31 ? 頭條, 百家, 頂刊 ? 閱讀 49 最新成果介紹 將無(wú)機(jī)含氮廢物進(jìn)行電催化、構(gòu)筑C-N鍵是一種新興的可持續(xù)合成有機(jī)胺的方法,但其反應(yīng)范圍有限。整合異相和均相催化的一鍋反應(yīng),以構(gòu)建C-N鍵是非常可取的。 天津大學(xué)吳永萌、張兵等人報(bào)道了一個(gè)水相脈沖電化學(xué)介導(dǎo)的亞硝酸鹽與芳基硼酸高效轉(zhuǎn)化為芳胺的策略。整個(gè)過(guò)程包括亞硝酸鹽在Cu納米陰極上電催化還原成NH3,然后切換至陽(yáng)極電位,此時(shí)由原位溶解的Cu(II)催化NH3與芳基硼酸偶聯(lián),合成芳胺。該脈沖策略還促進(jìn)了親核ArB(OH)3–的遷移,并導(dǎo)致陰極表面附近OH–的消耗,加速了C-N的形成并抑制了苯酚副產(chǎn)物。Cu(II)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的電鍍回收。 相關(guān)工作以《Aqueous pulsed electrochemistry promotes C?N bond formation via a one-pot cascade approach》為題在《Nature Communications》上發(fā)表論文。 不久前,天津大學(xué)張兵教授課題組報(bào)道了一種在環(huán)境條件下由NO和丙酮酸在低配位的氧化衍生銀上持續(xù)電催化合成丙氨酸的方法。通過(guò)設(shè)計(jì)了一個(gè)空間解耦的兩步法電合成系統(tǒng),分別促進(jìn)了丙酮酸肟的形成和還原反應(yīng),實(shí)現(xiàn)高純度丙氨酸的生產(chǎn)。 相關(guān)報(bào)道可見(jiàn):天津大學(xué)張兵教授課題組,今年第2篇Nature Catalysis! 此外,還關(guān)注到,在Nature Communications上發(fā)表的最新論文中,審稿人給出了一些質(zhì)疑的觀點(diǎn)。審稿人1直接質(zhì)疑了該方案站不住腳,或者說(shuō)是引言部分介紹存在一些不合理的地方。例如,審稿人認(rèn)為通過(guò)Chan-Lam耦合處理氮廢物以減輕環(huán)境影響的機(jī)會(huì)很小。(因?yàn)樽髡咴谝灾新暦QNO2/NO3的利用是出于環(huán)境原因,這意味著這種反應(yīng)需要大規(guī)模進(jìn)行才能產(chǎn)生影響) 因此,將減少二氧化氮和Chan-Lam耦合結(jié)合起來(lái)的理由是一種強(qiáng)制配合。審稿人建議作者要么選擇解決氮廢物問(wèn)題,要么選擇發(fā)展更好的Chan-Lam反應(yīng)。這兩個(gè)問(wèn)題的解決方案通常是相互排斥的,由于運(yùn)營(yíng)規(guī)模的巨大差異,無(wú)法同時(shí)解決。使用當(dāng)前的形式,很難在這兩種場(chǎng)景中找到任何用途。 而對(duì)于審稿人2,可以看到,雖然給出了一些積極的肯定,但是也提到了這個(gè)方法似乎是不實(shí)用的。 經(jīng)過(guò)一輪修改后,從審稿人1的回復(fù)可以看出已經(jīng)對(duì)這項(xiàng)新方案有了一定的接受,同時(shí)也提出了一些存在的挑戰(zhàn),這主要是源于NH3的電化學(xué)合成、Chan-Lam耦合的改進(jìn)以及脈沖電解的戰(zhàn)略性利用都是值得研究的重要課題,但每個(gè)主題的差異太大,可能在一篇文章中對(duì)它們進(jìn)行全盤考慮是困難的。這也側(cè)面給出了一些信息,這項(xiàng)課題的設(shè)計(jì)屬于天花板級(jí)別了,腦洞大開(kāi)! 而審稿人2似乎完全接受修訂后的版本,接受作者提出的在促進(jìn)C-N耦合的基礎(chǔ)化學(xué)研究方面的理由。通過(guò)兩步途徑將硝酸鹽/亞硝酸鹽電化學(xué)還原為NH3,并將電化學(xué)產(chǎn)生的NH3與Cu(II)催化劑和二次反應(yīng)物結(jié)合起來(lái)。審稿人2相信這將是一個(gè)有用的指南,因?yàn)殡姶呋?電合成領(lǐng)域正在迅速發(fā)展。 圖文導(dǎo)讀 圖1. 脈沖電化學(xué)策略 為了實(shí)現(xiàn)NO2–和芳基硼酸一鍋轉(zhuǎn)化為芳胺,首先將NO2–電還原為NH3,然后NH3與硼酸進(jìn)行C-N偶聯(lián)。關(guān)鍵是為每個(gè)步驟開(kāi)發(fā)高活性電極和催化劑。Cu基材料因其低廉的成本和良好的催化活性而成為NO2–還原為NH3的主流電催化劑。 圖2. 電極材料的考慮因素和提出的脈沖工藝 調(diào)整電子結(jié)構(gòu)或配位環(huán)境可以進(jìn)一步提高電催化劑的性能。作者認(rèn)為,低配位Cu電極可以通過(guò)電還原氧化銅或氫氧化物前驅(qū)體進(jìn)行制備,其具有豐富的活性位點(diǎn),有利于吸附NO2–,這將有助于提高NH3的選擇性和FE。雖然pH值在NO2–電還原過(guò)程中增加,但作者認(rèn)為反向電氧化會(huì)由于電極自氧化或析氧反應(yīng)(OER)而消耗OH–離子,從而抑制不需要的苯酚副產(chǎn)物。第三,脈沖電化學(xué)方法可以通過(guò)控制脈沖頻率誘導(dǎo)交替氧化和還原,這將改變雙電層(EDL)中底物或中間體的濃度,從而影響產(chǎn)物分布。 圖3. 低配位Cu納米珊瑚的合成與表征 在氬氣氣氛下對(duì)Cu(OH)2納米線(NWAs)進(jìn)行熱處理,在Cu泡沫上合成了自支撐Cu2O納米珊瑚(NCs)前驅(qū)體。SEM圖、XRD圖和Cu LMM AES譜圖表明Cu2O NCs制備成功。然后,在-0.8 V下,通過(guò)在0.25 M磷酸鹽緩沖鹽水(PBS,pH=5.8)中快速電還原Cu2O NCs制備LC-Cu NCs。SEM圖像顯示了電還原后納米珊瑚形態(tài)仍維持。然而,表面變得粗糙,暴露出更多的活性位點(diǎn),這可以促進(jìn)底物的吸附,從而提高反應(yīng)效率。 圖4. 電化學(xué)性能 LSV極化曲線顯示,在溶液中加入2.0 mmol NaNO2后,電流密度急劇增加,表明NO2–的還原比水更容易。歸一化后的電化學(xué)表面積顯示,LC-Cu NCs仍然以更小的過(guò)電位來(lái)達(dá)到更高電流密度(圖4b)。同時(shí),在LC-Cu NCs上產(chǎn)生NH3的TOF和產(chǎn)率都高于泡沫Cu,表明LC-Cu NCs對(duì)NO2–電還原的活性較高。 接下來(lái),作者研究了利用脈沖電化學(xué)方法周期性地施加陽(yáng)極電位(Ean)和陰極電位(Eca),將NO2–和芳基硼酸一鍋轉(zhuǎn)化為芳胺的可行性。NO2–電還原的最佳條件為-1.1 V,NH3的產(chǎn)率最高,LC-Cu NCs的FE達(dá)到95%。 圖5. 機(jī)理研究 圖6. 方案的普適性 總之,本文開(kāi)發(fā)了一種脈沖電化學(xué)方法,以LC-Cu為陰極,在水溶液中實(shí)現(xiàn)了NO2–和芳基硼酸的一鍋非均相/均相串聯(lián)催化轉(zhuǎn)化為伯芳胺。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程包括在Cu2O衍生的低配位Cu納米陰極上首先將NO2–還原加氫為NH3,然后在同一反應(yīng)器中通過(guò)切換陽(yáng)極電位進(jìn)行電氧化作用,將NH3與原位溶解Cu(II)催化的芳基硼酸進(jìn)行串聯(lián)C-N偶聯(lián),以合成芳胺。Cu(II)和重要的Cu(II)-NH3中間體通過(guò)原位拉曼、UV-vis和EPR實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。 此外,與添加Cu(II)的恒電位電解相比,本文的脈沖電解工藝還可以減輕pH交替,從而抑制苯酚副產(chǎn)物并提高芳胺選擇性。極性的快速交替導(dǎo)致Cu電極表面附近NH3、ArB(OH)3–和Cu(II)的濃度增加,進(jìn)一步提高了反應(yīng)效率。此外,脈沖方案使Cu(II)在陽(yáng)極脈沖上的釋放和Cu(II)在陰極脈沖上的沉積之間的可逆轉(zhuǎn)變,促進(jìn)了長(zhǎng)期的電合成。本文的策略很好地應(yīng)用于不同功能化芳胺的合成。 文獻(xiàn)信息 Aqueous pulsed electrochemistry promotes C?N bond formation via a one-pot cascade approach,Nature Communications,2023. https://www.nature.com/articles/s41467-023-40892-9 原創(chuàng)文章,作者:Gloria,如若轉(zhuǎn)載,請(qǐng)注明來(lái)源華算科技,注明出處:http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/09/30/98834e03e7/ 催化 贊 (0) 0 生成海報(bào) 相關(guān)推薦 ?電催化!湖大「國(guó)家優(yōu)青」鄒雨芹,AM! 2025年1月14日 35名科學(xué)家聯(lián)署Nature,重新定義了它! 2023年10月16日 國(guó)家納米中心AEM:1000圈超穩(wěn)循環(huán)! 2023年10月10日 Joule?:電化學(xué)生成的親電過(guò)氧化物加速堿性析氧反應(yīng) 2023年10月1日 ?天大陳亞楠/山科大劉瑞AEM:超快非平衡相變誘導(dǎo)尖晶石錳酸鋰雙晶界 2024年1月22日 中南大學(xué)劉芳洋AFM:面向硫化物基全固態(tài)電池的實(shí)用和可擴(kuò)展制備 2023年10月8日