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原創(chuàng)丨彤心未泯（學研匯 技術(shù)中心）
編輯丨風云
電化學合成可為工業(yè)化學品的合成提供更可持續(xù)的途徑。電合成氧化通?？梢浴盁o試劑”進行，從基質(zhì)中產(chǎn)生氫(H2)作為對電極的唯一副產(chǎn)物。然而，電合成還原需要外部的電子源。犧牲金屬陽極通常用于小規(guī)模應用，但在大規(guī)模應用中需要更可持續(xù)的選擇。陽極水氧化是一個特別吸引人的選擇，但許多還原需要無水，無空氣的反應條件。在這種情況下，H2代表了一種理想的替代方案，激發(fā)了人們對非水條件下電化學氫氧化反應(HOR)日益增長的興趣。
有鑒于此，威斯康星大學麥迪遜分校Shannon S. Stahl院士、Daniel J. Weix以及Thatcher W. Root等人報道了一種介導的H2陽極，該陽極通過蒽醌介體的熱催化氫化和蒽氫醌的電化學氧化配對來實現(xiàn)H2的間接電化學氧化。這種醌介導的H2陽極用于支持鎳催化的親電交叉偶聯(lián)（XEC），這一反應類別在制藥行業(yè)中得到了廣泛采用。在小規(guī)模間歇反應中對該方法進行初步驗證后，對再循環(huán)流反應器進行了改造，使藥物中間體的合成達到百克級規(guī)模。本文公開的介導H2陽極技術(shù)提供了支持H2驅(qū)動的電合成還原的通用策略。
H2作為Ni催化的親電交叉偶聯(lián)的電子源策略
電化學HOR在燃料電池中得到了很好的建立，但這種方法不容易適用于非水介質(zhì)中的有機電合成。氣體擴散電極（GDE）提供了一種實現(xiàn)非水電化學HOR的替代方法。本研究旨在探索氧化還原活性分子的熱催化氫化用于支持間接電化學HOR。醌和對苯二酚的可逆化學/電化學相互轉(zhuǎn)化為醌介導的H2陽極支持電合成還原反應提供了基礎(chǔ)。選擇鎳催化的XEC反應作為本研究的陰極反應。
圖 在有機溶劑中使用H2作為Ni催化的親電交叉偶聯(lián)的電子源策略
介導H2陽極的電化學分析
作者采用電化學方法分析了介導H2陽極的電化學行為，NMP中AQS的CV分析顯示其氧化還原電位比在相同條件下使用CV和開路電位法測量的H+/H2電位高200 mV。H2和催化相關(guān)的Ni絡合物的氧化還原電位之間的0.5–1.3 V差異證實，H2缺乏作為熱Ni催化的XEC的化學還原劑所需的驅(qū)動力。H2和AQS的相對氧化還原電位表明，AQS加氫在熱力學上是有利的，實驗測試進一步表明該反應在動力學上很容易。介導的H2陽極和Ni催化的XEC反應之間具有良好的相容性，并且通常超過先前使用相同催化劑體系與叔胺還原劑的研究結(jié)果。
圖 在氫電池中使用介導的H2陽極的伏安分析和電化學Ni-XEC
醌介導的H2陽極流動池
作者開發(fā)了一種可以與平行板電化學反應器集成的流動電池。ICP-OES分析表明，在介導H2陽極工作期間，質(zhì)子通過膜有效傳輸，介導的H2陽極可以使用H2作為陰極還原反應的電子來源。為了監(jiān)測氫化和電解回路之間的相互作用，采用原位紫外可見光譜法跟蹤了醌介質(zhì)在陽極電解質(zhì)儲層中的氧化還原形態(tài)，當兩個回路都在工作時，陽極液儲層達到穩(wěn)態(tài)AQS/AQSH2比率，反映了化學和電化學反應的平衡速率。鎳催化的XEC反應的產(chǎn)率和選擇性分析表明，在電流密度為~4 mA/cm2的條件下，該底物的反應效果最佳。
圖 醌介導的H2陽極流動池
百克級合成演示
作者利用流動電解方法對Ni催化XEC的大規(guī)模應用進行了評價。采用5 cm2平行板流反應器合成了幾種克級化合物，這些克級反應的產(chǎn)率比胺還原劑高15-30%，與犧牲Zn陽極的反應產(chǎn)率相當。將流動條件轉(zhuǎn)化為更大規(guī)模的商用平行板反應器，在較大的反應器中，電流密度保持在4 mA/cm2，反應在100 g規(guī)模下進行，產(chǎn)率為71%(未經(jīng)優(yōu)化)。流動反應器的應用表明，H2陽極和Ni XEC流動電池在4-16小時的運行中穩(wěn)定運行，在大規(guī)模演示中應用的總電流為6.4 A，足以提供大約0.5 kg/天的交叉耦合產(chǎn)品。
圖 介導的H2陽極制備藥物分子的可擴展演示
參考文獻：
Twilton, J., Johnson, M.R., Sidana, V. et al. Quinone-mediated hydrogen anode for non-aqueous reductive electrosynthesis. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06534-2
