四川大学、清华大学、赣南师范大学合作，最新Nature Synthesis！

自由态羟胺电合成，推动可持续肟类产业

在医药、农药、聚合物等领域中，肟类化合物是一类举足轻重的原料。比如，环己酮肟是尼龙-6 的核心前体，占据全球超过 95% 的产量。然而，肟类的合成离不开羟胺（NH₂OH），而传统制备方式依赖高能耗、高碳排的工艺路线，如氨氧化或一氧化氮还原，不仅成本高，还伴随大量副产物，限制了产业的绿色发展。科研界尝试过通过电催化一步法，将氮氧化物还原为羟胺并直接与酮/醛反应生成肟类，但这种策略往往受到副反应干扰、电流密度不足等挑战，难以满足工业需求。

针对这一难题，四川大学李敬副研究员、清华大学段昊泓副教授团队联合赣南师范大学徐思民团队提出了一种“两步走”策略：先在电化学反应中高效制备自由态羟胺，再与醛/酮发生化学反应合成肟类。这种思路避免了一步法中位点堵塞、副产物还原和分子穿膜等问题，在中性条件下实现了高选择性与高电流密度的突破。研究团队利用铁酞菁/Ketjen碳（FePc-KB）催化剂，实现了高达 262.9 mA cm⁻² 的羟胺电流密度，并进一步展示了从环己酮到环己酮肟的高效合成。这一成果不仅在实验室层面表现突出，更在技术经济分析和生命周期评估中展现出可观的能源节约与减排潜力，为尼龙-6 等大宗产业提供了绿色替代方案。相关成果以“Sustainable oxime production via the electrosynthesis of hydroxylamine in a free state”为题发表在《Nature Synthesis》上，第一作者为四川大学李敬副研究员，刘翔为共同一作。

从“一步法”到“两步法”的突破

传统一步法利用电极上生成的 NH₂OH 中间体与酮/醛反应，但问题接踵而至：底物可能堵塞催化位点（图1a，途径 2）、被还原为醇（途径 3），甚至跨膜迁移引发损耗（途径 4），而羟胺也极易被过度还原成氨（途径 5）。这些副反应严重拉低效率。相比之下，本研究提出的“两步法”思路（图1b）则更为巧妙：先在中性条件下电合成稳定的自由态 NH₂OH，再在独立反应器中与底物发生化学肟化反应。这样既避免了副反应，也拓展了底物兼容性。可以说，这是将复杂耦合反应拆分为更可控的流程，从而实现了质的飞跃（图1b）。

图1：一步法与两步法肟合成路线对比，展示副反应与改进思路

高效电催化剂的开发

要实现高电流密度与高选择性，关键在于催化剂。研究团队借鉴血红素中 FeN₄ 位点的天然高选择性，设计了铁酞菁（FePc）分子，并负载在高比表面积的Ketjen碳上（FePc-KB）（图2a）。电化学测试显示，在中性 KHCO₃ 电解液中，NO₂⁻ 还原反应（NO₂⁻RR）电流密度显著高于析氢反应（图2b）。产物分析进一步证实，自由态羟胺是主要生成物，法拉第效率最高可达 85.2%（图2c）。相比之下，钴、镍酞菁催化剂则更倾向生成氨，性能远不及铁酞菁。这一结果凸显了分子设计的独到之处。

图2：FePc-KB 催化剂结构、电化学性能与产物分布

一步 vs 两步：正面对比

那么，两步法到底优越在哪？以环己酮肟为例（图3a），两步法在中性条件下实现了接近 62% 的法拉第效率（FE），几乎与一步法持平，但电流密度却大幅提升（图3d–e）。更重要的是，两步法避免了底物吸附引起的电流下降（图3f），以及底物在电极上的副反应（图3g）和穿膜迁移（图3h）。换句话说，两步法不仅效率可比，还彻底解决了一步法在实际应用中的“隐形杀手”。此外，这一策略对多种底物同样适用：无论是最简单的丙酮、芳香族的苯甲醛，还是源自生物质的糠醛，都能顺利转化为相应肟类（图3e）。

图3：一步法与两步法在效率、电流密度、副反应等方面的系统对比

活性位点揭秘

性能为何如此突出？团队通过原位拉曼和 XANES 光谱揭示了 FePc-KB 的动态演化：在还原条件下，催化中心由 Fe(III) 逐步转变为高自旋 Fe(II)N₄（图4a–c），这一态才是真正负责 NH₂OH 生成的活性位点（图4d）。密度泛函理论（DFT）计算进一步表明，NH₂OH 在该位点更倾向于解吸为自由态羟胺，而不是被继续还原成氨，因为后者的能垒高达 2.8 eV（图4e）。这意味着 FePc-KB 催化剂在热力学和动力学双重层面均具备独特优势，从根本上保证了高选择性。

图4：FePc-KB 催化剂的活性位点演化与 DFT 机理解析

工业电流密度下的可行性

科研成果能否迈向应用，还需看工业条件下的表现。研究团队搭建了膜电极反应器（MEA）（图5a），在 500 mA cm⁻² 的电流下，自由态 NH₂OH 的产率达到 2.452 mmol cm⁻² h⁻¹（图5c–d），环己酮肟的生成速率也保持在 252.4 mA cm⁻²（图5e–f）。这一水平已接近工业化标准。耐久性测试显示，体系在 24 小时内保持稳定（图5h）。更令人兴奋的是，与文献对比（图5g），该方法在中性条件下的表现全面领先，且兼具灵活底物适配性，为规模化应用奠定了坚实基础。

图5：膜电极反应器（MEA）下的工业级羟胺与肟类合成表现

能耗与碳排评估

除了效率，绿色化学更关心能耗和碳足迹。生命周期评估显示，本研究路线生产 1 kg 环己酮肟的能耗仅为 15.4 MJ，明显低于传统氨氧化工艺的 20–30 MJ（图6a）。碳排放方面，即使使用火电电网供电，总排放量也仅为 5.607 kg CO₂e kg⁻¹，比工业工艺降低约 32%（图6c–d）。若采用风能或光伏电力，减排幅度可达 63%。技术经济分析进一步表明，在 300 mA cm⁻²、72% FE 的条件下，该工艺每天每吨产品可实现 255 美元利润，投资回收期约 2.5 年（图6b）。这意味着它不仅绿色可持续，而且具备实际经济吸引力。

图6：能耗与碳排放的生命周期评估及经济可行性分析

结语与展望

这项研究以“两步法”思路破解了一步法的困境，在中性条件下实现了高电流密度、自由态羟胺的高效合成，并灵活适配多类醛酮底物。通过催化剂分子设计和反应器工程化优化，团队展示了从实验室到工业级别的潜力。未来，随着可再生能源的进一步普及，这一绿色电化学路线有望在尼龙-6 产业乃至更广泛的化工领域落地，推动肟类化学品的可持续转型。

来源：高分子科学前沿

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