通过稳态工程实现高价碘的电合成放大

《Chem》：Upscaling electrosynthesis of hypervalent iodine through steady-state engineering

　　

全局视角

化学制造业的电气化通过用电力驱动的转化过程取代耗资大量的试剂和化石能源，为实现更加可持续的生产开辟了一条重要途径。有机电催化合成技术利用电子作为清洁且可调的试剂来驱动化学转化，为更绿色、更安全的化学品合成提供了有前景的平台。尽管在开发新型电催化方法方面已经取得了实质性进展，但将实验室发现转化为实际生产工艺仍具有挑战性。工业生产过程要求高产量、电能的高效利用、长期运行的稳定性以及经济可行的材料，而这些往往是当前电催化方法难以实现的。本研究确立了稳态工程策略，以解决可扩展有机电催化合成的根本性问题。通过整合反应条件、反应器设计及下游处理流程，该方法能够在多个尺度上实现准稳态电催化合成，从而为工业可行的电化学 manufacturing 指明了方向。除了本文展示的高价碘电催化合成之外，这一概念还有潜力为开发可扩展的有机电催化合成提供通用框架。从长远来看，朝着可扩展电化学系统工程化的转变将加速电力驱动的化学制造的普及，并有助于构建更加可持续的生产系统。

亮点

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建立了用于可扩展有机电催化合成的稳态工程

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开发出了具有工业可行性的高价碘试剂电催化合成方法

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将电催化合成从实验室规模扩展到工业应用

总结

有机电催化合成为数十万种高价值有机化合物提供了可持续的生产途径，然而将实验室发现转化为工业生产过程仍面临挑战。这一挑战源于非稳态电催化过程，其中底物耗竭和产品积聚会导致不必要的副反应，限制了可使用的反应条件和可扩展性。本文提出了用于可扩展有机电催化合成的稳态工程方法。以苯基碘二乙酸酯的电催化合成为例，我们发现底物耗竭引发的重石墨自我氧化是电流密度受限的原因，并构建了基于底物浓度和电流密度的操作模型。在准稳态条件下运行时，电流密度可提升至 44.4 mA cm^?2，法拉第效率接近 99%。通过将反应过程整合到连续流系统中并加入在线产物冷却结晶步骤，成功克服了产物积聚问题，7 小时内可生产出 1.4 公斤产品。对建造的年产能为 36 吨的工业示范设施的技术经济分析证实了其经济可行性。

图形摘要