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米测MeLab

2026-03-23

第一作者：Yuping Pan, Yu Jing, Tianze Xu, Tianyang Liu, Rong Miao, Chongyang Ma, Qizheng An

通讯作者：Yuqin Zou（邹雨芹）, Shuangyin Wang（王双印）

通讯单位：湖南大学

研究要点

本研究报道了一种通过稳定Cu²⁺物种来逆转糠醛（FF）和乙腈（MeCN）电化学还原顺序的策略，成功实现了高效的C-N偶联合成高附加值化学品乙基-2-呋喃甲胺（EFYA，一种药物前体）（图1）。通过Fe³⁺掺杂稳定的Fe-CuOₓ催化剂，在电催化C-N偶联反应中实现了高达98%的EFYA产率。研究通过原位同步辐射傅里叶变换红外光谱（SR-FTIR）揭示了反应遵循“电化学-化学-电化学”（e-c-e）的串联机理。结合电化学石英晶体微天平（EQCM）、密度泛函理论（DFT）计算和多维原位谱学表征，团队证实Cu²⁺是反应的活性中心，它能优先吸附并活化MeCN，同时抑制FF的还原副反应。Fe³⁺的掺杂通过强化Cu-O键，在阴极还原条件下成功稳定了Cu²⁺活性物种，从而实现了催化剂的高活性和高稳定性。该策略普适性良好，可拓展至多种醛与腈的C-N偶联，为生物质衍生分子的高值化利用开辟了新路径。

图1. 催化体系示意图

一、研究背景

利用可再生生物质资源通过还原胺化反应生产高附加值含氮化学品是绿色化学的重要方向。糠醛（FF）作为一种关键的生物质平台分子，其还原胺化产物（如EFYA）是重要的药物中间体。同时，乙腈（MeCN）作为丙烯腈工业的大量副产品，常被当作燃料焚烧，造成环境污染。因此，利用废弃的MeCN作为氮源，与生物质来源的FF进行还原胺化合成EFYA，是一项极具前景的废弃物高值化利用策略。

然而，传统的热催化合成EFYA面临诸多挑战（图2）：产率不理想（文献报道仅约30%）、需要高温高压（如100°C， 2-4 MPa H₂）、使用贵金属催化剂（Ru）和有毒试剂（如肼）。相比之下，电催化方法因其绿色、安全、经济的优势，成为理想替代方案。但实现FF和MeCN的电化学C-N偶联极具挑战性。根本原因在于FF的理论还原电位比MeCN更正，这意味着在常规催化剂上，FF的电化学还原（ECR）是优先发生的竞争副反应，它会快速自偶联生成氢化呋喃烯（HFN），从而阻碍其与MeCN的还原产物（乙胺，EA）发生C-N偶联。因此，开发一种能逆转FF和MeCN还原顺序的催化体系，即优先促进MeCN还原、同时抑制FF还原，是实现该反应的关键。

图2. EFYA的合成示意图

二、研究思路

1. 催化剂合成策略与设计原理

基于上述分析，研究团队提出通过调控铜的价态来逆转还原顺序的设计思路。由于高价态金属被报道能抑制碳自由基的形成，从而阻止醛的自偶联，团队选择合成高价态的铜基催化剂。

他们通过共沉淀和煅烧法成功合成了两种高价态催化剂：CuO和Fe掺杂的CuOₓ（Fe-CuOₓ）。作为对比，通过Ar/H₂还原CuO制备了零价Cu催化剂。其核心设计原理在于：

高价Cu²⁺：预期能增强对MeCN的吸附并促进其还原，同时抑制FF的还原。

Fe³⁺掺杂：预期通过Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原对的循环，稳定活性Cu²⁺物种，防止其在阴极还原电位下被还原为低价态的Cu⁺或Cu⁰，从而维持催化活性和稳定性。

2. 催化性能的精准调控与优化

研究者首先在三电极体系中评估了催化剂的C-N偶联活性（图3）。

线性扫描伏安曲线（图3a）显示，CuO和Fe-CuOₓ对C-N偶联反应（CCR）的起始电位比Cu更正，表明它们对目标反应具有更好的特异性活性。通过产物分析（图3b），在-0.50 V（vs. RHE）的最佳电位下，Fe-CuOₓ上的EFYA产率高达98%，CuO上为72%，而Cu上仅为9%。相反，在Cu电极上，FF自偶联产物HFN的选择性高达82%，这表明Cu表面FF的还原完全占据了主导。

为了验证逆转还原顺序的设想，团队测试了MeCN和FF各自的还原性能（图3c）。在Fe-CuOₓ和CuO上，MeCN还原为EA的选择性远高于Cu；而在Cu上，FF的还原更快。电化学石英晶体微天平（EQCM）测试（图3d）和DFT计算（图3e）进一步证实，Fe-CuOₓ和CuO表面对MeCN的相对覆盖率更高、吸附能更强，而对FF的吸附能相对较弱，这从分子层面解释了还原顺序逆转的原因。

稳定性是评估催化剂实用性的关键。循环电解测试（图3f,g）显示，CuO的EFYA产率随循环次数增加而快速下降，而Fe-CuOₓ的产率几乎不变。在流动池中，Fe-CuOₓ能在-200 mA cm⁻²的电流密度下稳定运行50小时（图3h），展现出卓越的稳定性。

图3. 电催化活性

3. 多尺度表征揭示反应路径与活性位点

原位SR-FTIR揭示反应路径：为了实时追踪反应过程，团队采用了原位同步辐射傅里叶变换红外光谱（SR-FTIR）（图4）。在CuO上（图4a），反应开始后首先观察到归属于C=N（1662 cm⁻¹）和N=C-H（923 cm⁻¹）的特征峰，这对应于MeCN还原生成的EA与FF反应形成的亚胺中间体（EFYI）。随后，C-N键（1320， 1294 cm⁻¹）的峰逐渐增强，表明目标产物EFYA正在生成。而在Cu上（图4b），首先观察到C=O键（1646 cm⁻¹）的迅速减弱，同时C-OH键（1117 cm⁻¹）的峰持续增强，表明FF迅速被还原为自偶联产物HFN。这些结果清晰地揭示了两种催化剂上截然不同的反应路径：在CuO上，MeCN优先还原，遵循“电化学-化学-电化学（e-c-e）”的串联过程（图4e）；而在Cu上，FF优先还原，主产物为HFN。

电化学阻抗谱（EIS）（图4c,d）进一步证实，在CuO上，CCR的动力学行为更接近MeCN的ECR；而在Cu上，则更接近FF的ECR，有力地佐证了还原顺序的逆转。

多谱学联合鉴定活性位点与稳定机制：为了确定真正的活性中心，研究团队进行了毒化实验（图5a）。向电解液中加入KSCN（一种能与Cu²⁺强结合的毒化剂）后，EFYA的产率急剧下降，直接证明Cu²⁺是C-N偶联的活性位点。

那么，Fe³⁺是如何稳定Cu²⁺的呢？原位拉曼光谱（图5b,c）显示，在反应过程中，CuO电极上的Cu²⁺特征峰逐渐减弱，表明其被还原；而Fe-CuOₓ电极上的Cu²⁺特征峰则基本保持不变。反应后的XPS（图5d）和XRD（图5e）分析也证实，Fe-CuOₓ中的Cu主要以Cu²⁺形式存在，而CuO中则出现了大量的Cu⁰/Cu₂O。这些结果直观地证明了Fe³⁺掺杂有效抑制了Cu²⁺在阴极电位下的还原。

为了深入理解稳定机制，团队采用了X射线吸收精细结构谱（XAFS）进行分析。X射线吸收近边结构（XANES，图5f,g）确认了Fe-CuOₓ中Cu和Fe的价态分别为+2和+3。扩展边X射线吸收精细结构谱（EXAFS）拟合（补充材料）和小波变换（WT，图5h）分析揭示，Fe³⁺成功掺入了CuO的晶格，形成了Cu-O-Fe的连接结构。这种结构缩短并强化了Cu-O键，从而赋予了Cu²⁺在还原环境中更强的稳定性。

图4. 铜基电催化剂上耦合反应途径的鉴定与验证

图5. 铜基电催化剂活性位点的鉴定及CCR稳定机理的研究

4. 理论计算揭示反应机理

密度泛函理论（DFT）计算为实验结果提供了理论支撑（图6）。计算表明，虽然施加电位后，Cu和CuO上的所有基元步骤在热力学上都变得可行，但动力学上的差异才是性能差别的关键。对于MeCN还原的第一步（CH₃CN⁺ → CH₃CH=N⁺），CuO上的能垒（0.52 eV）远低于Cu（1.09 eV），这解释了CuO为何能高效催化MeCN还原。

同时，在CuO上，EFYI加氢步骤（EFYI → EFYI-H）的能垒（0.81 eV）高于MeCN的加氢步骤，这与实验观察到的速率决定步骤一致。对于FF自偶联反应，Cu表面的反应自由能变化比CuO上更低（图6c），说明Cu在热力学上更有利于FF自偶联生成HFN，这与实验结果完美吻合。

这些计算结果清晰地阐明了，Cu²⁺通过降低MeCN还原的动力学能垒并抑制FF自偶联，从而逆转了还原顺序，实现了高效的C-N偶联。

图6. Cu和CuO上偶联反应机理的验证

5. 技术经济分析与策略普适性验证

为了评估该电催化路线的实际应用潜力，研究团队首先对热催化和电催化合成EFYA的两种方法进行了技术经济分析（TEA）（图7a）。分析结果显示，电催化路线的总成本约为热催化路线的37%，这主要归因于其温和的反应条件（常温常压）、避免了贵金属和有毒试剂的使用以及更高的产物选择性。这一结果表明，电催化方法在经济效益上具有显著优势，更适用于EFYA的工业化生产。

为进一步验证“逆转还原顺序”这一策略的普适性，团队将该方法拓展到其他多种醛与腈的C-N偶联反应中（图7b）。实验结果表明，无论是不同结构的腈类（如环丙基腈、丙基腈），还是多种取代的醛类（如呋喃基、苯基、吡啶基、烷基醛），均能顺利发生偶联反应，以66%-88% 的良好产率得到相应的二级胺产物。这一系列结果有力地证明了，通过稳定Cu²⁺来逆转醛和腈还原顺序的策略，是一种合成多种高附加值二级胺的通用且高效的电化学方法。

图7. 合成应用

三、小结

本研究通过巧妙的价态调控策略，成功解决了电化学C-N偶联反应中因底物还原电位差异导致的选择性难题。通过在Fe-CuOₓ催化剂中稳定Cu²⁺活性中心，逆转了FF和MeCN的还原顺序，实现了高达98%的EFYA产率，并展现出优异的稳定性。

这项工作的核心科学价值在于：它超越了传统的“试错”型催化剂开发模式，而是基于对反应机理和催化剂失活原因的深刻理解，进行逆向设计。研究通过原位、多尺度的系统表征，从分子振动（SR-FTIR）、表面覆盖度（EQCM）、活性位点价态（原位Raman、XPS）到原子配位环境（XAFS），清晰地揭示了“稳定Cu²⁺ → 优先吸附/活化MeCN → 抑制FF自偶联 → 实现高效C-N偶联”的完整构效关系。其中，Fe³⁺掺杂通过强化Cu-O键稳定Cu²⁺的机制，为设计在强还原条件下稳定的高效催化剂提供了全新范式。技术经济分析证实该电催化路线成本优势显著，且该策略对多种醛/腈底物具有普适性，展现出广阔的工业应用前景。这项研究为生物质资源的高值化利用和绿色电合成化学品的开发提供了坚实的科学基础和创新思路。

原文详情：

Yuping Pan, Yu Jing, Tianze Xu, et al. Reversing the reduction sequence of aldehydes and nitriles for electrochemical C-N coupling. Nature Synthesis (2026).

 https://doi.org/10.1038/s44160-026-01036-1