环境空气下Fe–N–C电催化剂驱动的苄位C–H键选择性电化学氧化制芳香醛酮

《RSC Advances》：Selective benzylic C–H electrochemical oxygenation under ambient air promoted by an Fe–N–C electrocatalystOpen Access

　　

通过阴极负载的Fe–N–C电催化剂，利用环境空气实现苄位C–H的选择性电化学氧化，其中Fe位点充当主要催化活性物种。该方案提供一系列芳香醛和酮，分离产率高达96%，并具有广泛的官能团耐受性。机理研究揭示，该反应经由在阴极生成的超氧自由基阴离子（O₂^˙?）和在阳极生成的苄基自由基中间体进行。值得注意的是，这种阴极氧还原反应（ORR）耦合阳极氧化的策略无需外部化学氧化剂，并使用乙醇作为绿色溶剂，凸显其在可持续电化学C–H官能团化中的优势。

一、研究背景与问题

烃类选择性催化氧化是合成化学的基石，其中苄位C–H键转化为酮或醛尤其受到关注。然而，C–H键解离能高，常导致反应活性低和选择性差。传统方法通常依赖化学计量氧化剂或过渡金属催化剂，并在高温、高氧压等苛刻条件下进行，限制了合成适用性并带来环境问题。近年来，电化学氧化成为苄位C–H键氧化的有效策略。早期Little于2012年使用三芳基咪唑作为外部氧化还原介体氧化苯甲醚衍生物；2018年Jensen课题组设计连续流电解系统，用于N-羟基邻苯二甲酰亚胺（NHPI）介导的苄位C–H电化学好氧氧化；随后Wang（2021）和Gu（2023）分别采用NHPI在氧气气氛和吡啶添加剂下实现选择性氧化；吡啶N-氧化物、2,6-二甲基吡啶高氯酸盐、Zhou的无碱无过渡金属方法等也被报道。但上述方法多依赖惰性电极，如碳棒、石墨毡、Pt板，其阴极氧还原反应（oxygen reduction reaction, ORR）活性不足，限制反应动力学，因此常需纯氧气氛和额外氧化还原介体，并存在析氢安全隐患。基于水氧化生成活性氧物种的策略虽可避免纯O₂，但仍受介体、底物范围、不可循环添加剂或析氢副反应限制。因此，开发无需介体且具有高效阴极ORR性能的体系十分必要。

二、关键技术方法

研究人员以沸石咪唑酯骨架-8（Zeolitic Imidazolate Framework-8, ZIF-8）为模板、Fe(acac)₃为前驱体，经浸渍后热解制备Fe–N–C催化剂；采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、粉末X射线衍射（PXRD）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收精细结构（XAFS）表征形貌、结构及Fe配位环境。电解在未分隔池中进行，以负载Fe–N–C的石墨毡为阴极、石墨棒为阳极，空气气氛、乙醇为溶剂、n-Bu₄NBF₄为电解质，恒电流10 mA反应2 h，并以高效液相色谱（HPLC）分析。机理研究包括2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基（TEMPO）和丁基羟基甲苯（BHT）自由基捕获、循环伏安（CV）、动力学同位素效应（KIE）、分隔池、¹⁸O₂同位素标记、活性氧物种（ROS）淬灭及5,5-二甲基-1-吡咯啉N-氧化物（DMPO）捕获的电子顺磁共振（EPR）。该研究未涉及样本队列来源。

三、研究结果

（一）Fe–N–C催化剂制备与表征。以ZIF-8为模板、Fe(acac)₃为前驱体，经浸渍和热解制备Fe–N–C。SEM和元素映射显示Fe均匀分散于C/N骨架，ZIF-8原有结构大体保留；PXRD显示特征衍射峰相对强度变化，框架未坍塌但可能发生结构演化；TEM显示材料继承ZIF-8形貌，颗粒收缩至约400 nm，表面粗糙，内部空腔扩大，并具有丰富微孔。XPS显示吡啶N（398.8 eV）和吡咯N（400.5 eV），Fe 2p谱拟合峰位于712.4、723.8、718.5和732.0 eV，分别对应Fe 2p_3/2、Fe 2p_1/2及卫星峰。XAFS表明Fe K边X射线吸收近边结构吸收边接近FePc，Fe主要处于+2氧化态，与Fe–N₄构型一致；FT-EXAFS主峰约1.5 ?（未相校正）归属Fe–N(O)散射，无明显Fe–Fe配位峰，EXAFS拟合确认Fe中心为Fe–N₄构型。结论是Fe以孤立Fe–N₄位点存在。

（二）反应条件优化。以1,2,3,4-四氢萘（1a）为模型底物，在未分隔池、EtOH、n-Bu₄NBF₄、空气、石墨棒阳极、负载Fe–N–C的石墨毡阴极、10 mA、2 h条件下，2a获得93%产率、98%转化率和95%选择性。替换电解质、使用Pt或Ni阴极、裸石墨毡、Zn–N–C、ZIF-8、更换溶剂、改变电流、N₂气氛或无电流均导致产率下降或无反应；超干EtOH仍顺利反应，说明水不是氧源；N₂下几乎无反应，说明空气/O₂必要。裸石墨毡、Zn–N–C和ZIF-8仅痕量产物，说明Fe–N–C中Fe物种是主要活性来源。

（三）酮类产物底物范围。2a分离产率90%，并可放大至10 mmol，仍得86%。乙苯氧化为苯乙酮2b，转化率95%，选择性>99%，分离产率90%。1,4-二乙基苯2c选择性较低，因生成1,4-二乙酰基苯副产物。含给电子基（甲基、甲氧基、乙氧基、氨基）的乙苯衍生物2d–2g给出62–86%产率和80–97%选择性；对卤素取代底物2h–2j仍有满意产率和优异选择性；多芳基底物4-乙基联苯及其衍生物2k–2n高产率、高选择性，2k达99%选择性和89%产率；长链烷基苯2o–2r产率随链长增加逐渐下降。2r粗混合物HRMS显示生成苯甲醛和苯甲酸，未检测到缩醛或1-苯基戊烷-1,2-二酮，提示长链底物中氧化C–C键断裂成为竞争反应。1,2-二苯乙烷和二苯甲烷分别以96%和56%产率得到相应酮2s、2t；茚满、芴和氧杂蒽等环状底物2u–2w反应性高；2-乙基萘2x标准条件下分离产率15%，延长至6 h提高至48%，纯O₂下2 h仅30%，说明低产率主要来自反应动力学缓慢而非氧可用性。该方法还用于Fenbufen合成，2y产率49%。

（四）甲苯衍生物制备芳香醛。苯甲醛4a在2 h内获得93%转化率和93%选择性。对位给电子甲基和甲氧基甲苯衍生物4b–4c兼容，产率和选择性中等；对位吸电子取代甲苯4d–4f也兼容，选择性85–92%，产率中等；邻位和间位取代甲苯4g–4m顺利转化为相应醛，产率59–70%。位阻对总产率无明显影响，但可显著提高选择性，原文认为可能通过抑制过度氧化实现。均三甲苯给出3,5-二甲基苯甲醛4n，转化率97%，选择性85%；4-甲基吡啶4o转化率低于30%，但保持优异选择性，分离产率21%。该结果与文献中甲苯衍生物电氧化先进水平相当。

（五）机理研究。TEMPO和BHT自由基捕获实验抑制2a生成，HRMS检测到中间体5及捕获的苄基氧化产物6，表明阳极生成苄基自由基。CV显示1a初始氧化峰位于2.24 V vs. SCE，确认底物在阳极氧化。KIE实验以甲苯和甲苯-d₈为底物，得到k_H/k_D=2.1，表明C–H键断裂参与决速步。分隔池中阳极室仅得3%的2a，排除苄基自由基与O₂直接反应。以¹⁸O₂替代空气进行同位素标记，获得85%分离产率，HRMS确认产物中唯一掺入¹⁸O，证明产物氧原子来自分子O₂，且O₂在阴极活化生成ROS。ROS淬灭中，单线态氧猝灭剂DABCO和羟基自由基猝灭剂水杨酸仅轻微降低产率，说明单线态氧和·OH非关键；超氧阴离子自由基猝灭剂苯醌（BQ）完全抑制反应，确认O₂^˙?是主导ROS。EPR以DMPO为自旋捕获剂，在标准条件下MeOH中电解15 min后观察到DMPO–OOH加合物信号（g=2.0059，A_N=14.0 G，A_H=11.9 G），呈六线谱，表明阴极O₂经单电子还原生成O₂^˙?。据此提出机理：1a在阳极氧化为自由基阳离子I，去质子化生成苄基自由基II；阴极O₂还原生成O₂^˙?；O₂^˙?与II结合形成阴离子中间体III，捕获质子生成过氧化物IV，最后脱水得到2a。

四、讨论与结论

讨论部分表明，该策略使用空气为氧源，以Fe–N–C替代贵金属电极，无需外部氧化剂或氧化还原介体，以乙醇为绿色溶剂，可在2–3 h内实现多种苄基甲基和苄基亚甲基底物的选择性氧化，阴极ORR耦合阳极氧化，Fe位点为活性中心，阴极O₂活化生成O₂^˙?是关键步骤。

研究结论翻译：总之，研究人员开发了一种用于苄位C–H键选择性氧化的电化学策略。以空气作为氧源，并使用Fe–N–C作为贵金属电极的替代品，该反应无需外部氧化剂或氧化还原介体即可进行。机理研究表明，Fe位点充当活性中心，阴极O₂活化生成超氧阴离子自由基（O₂^˙?）是关键步骤，能够以优异的选择性将苄基甲基和苄基亚甲基底物高效转化为芳香醛和酮。该方法具有操作简单、反应条件温和和良好可持续性等特点，为苄位C–H键氧化提供了实用且可放大的替代方案。