电催化缺陷化学「领军人」！他，35岁获「国家杰青」，曾获首届杰青延续资助，再发Nature Synthesis！

来源：微算云平台

可再生生物质的还原胺化是生产高价值含氮化学品的关键途径。以废弃乙腈为氮源，对生物质衍生的糠醛进行还原胺化合成乙基-2-呋喃甲胺是一种有前景的资源化利用方法。与热催化相比，电催化为合成乙基-2-呋喃甲胺提供了一种更绿色的方法。然而，由于糠醛的反应活性高于乙腈，实现高效的C−N电化学偶联颇具挑战性。

成果简介

在此，湖南大学王双印教授和邹雨芹教授等人报道了一种在Fe−CuOx催化剂上电催化合成乙基-2-呋喃甲胺的方法，通过稳定Cu2+来逆转糠醛和乙腈的还原顺序，实现了高达98%的产率。Cu2+增强了乙腈的吸附并促进其还原，同时抑制了糠醛的电化学还原副反应。通过Fe3+/Fe2+氧化还原对的循环掺杂Fe3+，维持活性Cu2+物种的持续活性，实现了稳定的乙基-2-呋喃甲胺生产，该策略可推广应用于从其他醛和腈合成仲胺。这项工作提出了一种通过电化学C−N偶联合成仲胺的通用策略，为生物质衍生分子的进一步应用提供了启示。

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图文导读

生物质作为一种可再生且储量丰富的碳源，可通过转化为高价值化学品来替代传统化石资源，糠醛便是其中一种关键的生物质衍生平台分子。它不仅是合成糠醇、2-甲基呋喃等多种高价值化合物的前体，更重要的是，通过还原胺化反应将糠醛转化为胺类衍生物，为生产医药中间体、农用化学品和表面活性剂提供了极具前景的绿色途径。

在热催化领域，糠醛的还原胺化虽已有广泛研究，例如在Ru基催化剂上成功合成了糠胺，但针对以废弃乙腈为氮源合成乙基-2-呋喃甲胺的路线仍面临重大挑战。现有热催化方法产率较低（仅30%），且通常需要高温高压氢气、使用昂贵贵金属催化剂及有毒试剂，条件苛刻。同时，乙腈作为丙烯腈工业的大量副产物，常被直接燃烧，造成资源浪费和有毒NOx气体排放。因此，利用废弃乙腈作为氮源进行电催化转化，既能减少污染，又能实现糠醛的高值化利用。

电化学方法因其绿色、安全、经济的优势，在含氮化学品合成领域展现出巨大潜力。然而，通过电催化乙腈和糠醛交叉偶联合成乙基-2-呋喃甲胺此前尚未见报道，其核心难点在于糠醛的理论还原电位更正，导致其电化学还原成为强竞争性副反应。若糠醛优先发生电加氢或自偶联，将无法与乙腈的还原产物有效偶联生成目标仲胺。因此，实现高效电化学C−N偶联的关键，在于设计合适的催化体系以逆转二者的还原顺序，即优先促进乙腈的还原，同时有效抑制糠醛的还原副反应，从而为高效合成乙基-2-呋喃甲胺奠定基础。

图1：EFYA合成示意图

催化剂制备与性能评估

基于以上讨论，本文通过共沉淀煅烧法制备了高价态铜基催化剂Fe-CuOx和CuO，并以还原得到的零价Cu为对比，用于电催化乙腈与糠醛交叉偶联合成乙基-2-呋喃甲胺。性能评估显示，在最佳电位-0.50 下，Fe-CuOx上EFYA选择性高达98%，CuO为72%，远优于Cu的9%。同时，Cu上主要产物为糠醛自偶联的氢化呋喃烯（82%），表明反应路径截然不同。机理研究表明，CuO和Fe-CuOx优先促进乙腈还原生成乙胺中间体，其对乙腈的吸附能更低（Fe-CuOx为-1.01 eV）、表面覆盖度更高，同时抑制糠醛还原，从而逆转了反应顺序。此外，稳定性测试中，Fe3+掺杂有效维持了Cu2+活性物种，使Fe-CuOx在循环电解和50小时流动池测试中保持性能稳定，解决了CuO活性位点易衰减的问题。

图2：Cu、CuO和Fe–CuO电催化剂活性评估

通过原位红外光谱和电化学阻抗谱，揭示了Cu价态调控逆转FF与MeCN还原顺序的机制。在CuO上，反应遵循“电化学-化学-电化学”串联路径，MeCN优先电还原生成乙胺，乙胺与FF发生C-N偶联生成亚胺中间体，亚胺进一步电还原生成目标产物EFYA。红外光谱中C=N峰先增后稳、C-N峰持续增强证实了这一过程。EIS显示CuO上CCR动力学与MeCN还原相似，表明MeCN还原优先。而在Cu上，FF还原优先发生：C=O峰快速衰减、C-OH峰持续增强，主产物为FF自偶联的HFN（选择性82%），EIS也证实Cu上CCR行为与FF还原一致。因此，通过将Cu价态从零价调控为二价（CuO），可逆转FF和MeCN的还原顺序，实现反应路径从自偶联向高效交叉偶联的灵活转变。

图3：基于铜基电催化剂上偶联反应路径的鉴定与验证

Cu2+活性位点的稳定化

通过系列表征证实Fe3+掺杂可有效稳定Cu2+活性位点。毒化实验显示，加入SCN-后反应活性迅速丧失，证明Cu2+是CCR的活性中心。原位拉曼光谱表明，纯CuO中Cu2+在电解过程中逐渐被还原为Cu+/Cu0，而Fe–CuOx中Cu2+始终保持不变。XPS和XRD进一步验证，反应后CuO表面出现Cu+/Cu0特征峰及金属相，而Fe–CuOx仅存Cu2+。XAS分析揭示，Fe3+成功掺杂入CuO晶格形成Cu–O–Fe结构，导致Cu配位数减少、Cu–O键长缩短、键能增强。小波变换也证实了Cu–O–Fe新配位键的形成。因此，Fe3+通过增强Cu–O键强度，有效抑制了Cu2+在反应过程中的电化学还原，从而维持了CCR的长期稳定性。

图4：铜基电催化剂活性位点的鉴定及CCR反应稳定性机制研究

CCR反应机制的理论分析

通过DFT计算揭示了Cu和CuO上CCR机制的差异。热力学分析表明，无外加偏压时MeCN在CuO吸附更强（-0.48 eV vs Cu的-0.19 eV）。施加-0.50 V后，所有步骤自由能均显着为负，说明性能差异源于动力学。CuO上CH3C≡N* → CH3CH=N*的能垒（0.52 eV）远低于Cu（1.09 eV），解释了CuO更优的MeCN还原活性。CuO上EFYI*加氢能垒（0.81 eV）高于MeCN加氢，证实EFYI还原为决速步骤。同时，对竞争的自偶联路径，Cu上F-CHO*加氢自由能变化（-0.08 eV）低于CuO（0.05 eV），且-0.50 V下Cu上生成HFN更有利，解释了Cu优先发生FF自偶联。计算结果与实验吻合，证实Cu2+是逆转还原顺序、实现高效C-N偶联的关键。

图5：Cu与氧化铜上偶联反应机理的验证

最后，分别对热催化和电催化合成乙基-2-呋喃甲胺的方法进行了技术经济分析，以评估其生产成本。电催化的总成本约为热催化的37%，表明电催化方法更适合生产乙基-2-呋喃甲胺。同时，使用各种相应的醛和腈验证了这种逆转策略对于合成仲胺的普适性。多种腈类底物（环丙基腈、丙腈）和醛类底物（呋喃甲醛、苯甲醛、吡啶甲醛、烷基醛）均能以高产率（约66–88%）转化为相应的胺。因此，这种还原顺序逆转策略对于通过醛和腈的电化学C−N交叉偶联合成高附加值仲胺具有普适性。

图6：电催化在醛与腈交叉偶联合成仲胺中的应用

结论展望

综上所述，本文提出了一种通过稳定Cu2+来逆转糠醛与乙腈还原顺序的电合成策略，实现了高效C−N偶联合成乙基-2-呋喃甲胺。优化的Fe–CuOx催化剂在交叉偶联反应中达到了98%的产率。机理研究表明，Cu2+是催化活性中心，反应遵循“电化学-化学-电化学”串联路径，其中乙腈优先还原是关键。同时，DFT计算和电化学石英晶体微天平测试揭示，Cu2+位点优先吸附活化乙腈并抑制糠醛还原。Fe3+掺杂通过三种机制稳定Cu2+，分别为增强Cu–O键、形成缺电子微环境以及动态乙腈配位保护。该策略成功拓展至多种醛和腈底物，实现了多种仲胺的高产率合成，为在温和条件下可持续合成生物基胺类化合物开辟了新途径。

文献信息

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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