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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

电化学合成可为工业化学品的合成提供更可持续的途径。电合成氧化通常可以“无试剂”进行，从基质中产生氢(H₂)作为对电极的唯一副产物。然而，电合成还原需要外部的电子源。牺牲金属阳极通常用于小规模应用，但在大规模应用中需要更可持续的选择。阳极水氧化是一个特别吸引人的选择，但许多还原需要无水，无空气的反应条件。在这种情况下，H₂代表了一种理想的替代方案，激发了人们对非水条件下电化学氢氧化反应(HOR)日益增长的兴趣。

有鉴于此，威斯康星大学麦迪逊分校Shannon S. Stahl院士、Daniel J. Weix以及Thatcher W. Root等人报道了一种介导的H₂阳极，该阳极通过蒽醌介体的热催化氢化和蒽氢醌的电化学氧化配对来实现H₂的间接电化学氧化。这种醌介导的H₂阳极用于支持镍催化的亲电交叉偶联（XEC），这一反应类别在制药行业中得到了广泛采用。在小规模间歇反应中对该方法进行初步验证后，对再循环流反应器进行了改造，使药物中间体的合成达到百克级规模。本文公开的介导H₂阳极技术提供了支持H₂驱动的电合成还原的通用策略。

H₂作为Ni催化的亲电交叉偶联的电子源策略

电化学HOR在燃料电池中得到了很好的建立，但这种方法不容易适用于非水介质中的有机电合成。气体扩散电极（GDE）提供了一种实现非水电化学HOR的替代方法。本研究旨在探索氧化还原活性分子的热催化氢化用于支持间接电化学HOR。醌和对苯二酚的可逆化学/电化学相互转化为醌介导的H₂阳极支持电合成还原反应提供了基础。选择镍催化的XEC反应作为本研究的阴极反应。

图  在有机溶剂中使用H₂作为Ni催化的亲电交叉偶联的电子源策略

介导H₂阳极的电化学分析

作者采用电化学方法分析了介导H₂阳极的电化学行为，NMP中AQS的CV分析显示其氧化还原电位比在相同条件下使用CV和开路电位法测量的H⁺/H₂电位高200 mV。H₂和催化相关的Ni络合物的氧化还原电位之间的0.5–1.3 V差异证实，H₂缺乏作为热Ni催化的XEC的化学还原剂所需的驱动力。H₂和AQS的相对氧化还原电位表明，AQS加氢在热力学上是有利的，实验测试进一步表明该反应在动力学上很容易。介导的H₂阳极和Ni催化的XEC反应之间具有良好的相容性，并且通常超过先前使用相同催化剂体系与叔胺还原剂的研究结果。

图  在氢电池中使用介导的H₂阳极的伏安分析和电化学Ni-XEC

醌介导的H₂阳极流动池

作者开发了一种可以与平行板电化学反应器集成的流动电池。ICP-OES分析表明，在介导H₂阳极工作期间，质子通过膜有效传输，介导的H₂阳极可以使用H₂作为阴极还原反应的电子来源。为了监测氢化和电解回路之间的相互作用，采用原位紫外可见光谱法跟踪了醌介质在阳极电解质储层中的氧化还原形态，当两个回路都在工作时，阳极液储层达到稳态AQS/AQSH₂比率，反映了化学和电化学反应的平衡速率。镍催化的XEC反应的产率和选择性分析表明，在电流密度为~4 mA/cm²的条件下，该底物的反应效果最佳。

图  醌介导的H₂阳极流动池

百克级合成演示

作者利用流动电解方法对Ni催化XEC的大规模应用进行了评价。采用5 cm²平行板流反应器合成了几种克级化合物，这些克级反应的产率比胺还原剂高15-30%，与牺牲Zn阳极的反应产率相当。将流动条件转化为更大规模的商用平行板反应器，在较大的反应器中，电流密度保持在4 mA/cm²，反应在100 g规模下进行，产率为71%(未经优化)。流动反应器的应用表明，H₂阳极和Ni XEC流动电池在4-16小时的运行中稳定运行，在大规模演示中应用的总电流为6.4 A，足以提供大约0.5 kg/天的交叉耦合产品。

图  介导的H₂阳极制备药物分子的可扩展演示

参考文献：

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