催化学报 ›› 2025, Vol. 68: 386-393.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60179-8

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电子催化剂直接固定N2生成偶氮化合物

吴白婧a, 李金芮a, 罗小雪a, 倪靖天a, 卢伊婷a, 邵敏华b, 李存璞a,*(), 魏子栋a,*()   

  1. a重庆大学化学化工学院, 特种化学电源全国重点实验室, 重庆 400044
    b香港科技大学化学与生物工程学系, 香港九龙
  • 收稿日期:2024-09-06 接受日期:2024-11-12 出版日期:2025-01-18 发布日期:2025-01-02
  • 通讯作者: * 电子邮箱: lcp@cqu.edu.cn (李存璞), zdwei@cqu.edu.cn (魏子栋).
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(2022YFC2105904);国家自然科学基金(22478043);国家自然科学基金(22090030);国家自然科学基金(52021004);国家自然科学基金(U21A20312);国家自然科学基金(22075033)

A round-trip journey of electrons: Electron catalyzed direct fixation of N2 to azos

Baijing Wua, Jinrui Lia, Xiaoxue Luoa, Jingtian Nia, Yiting Lua, Minhua Shaob, Cunpu Lia,*(), Zidong Weia,*()   

  1. aState Key Laboratory of Advanced Chemical Power Sources, School of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China
    bDepartment of Chemical and Biological Engineering, The Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, China
  • Received:2024-09-06 Accepted:2024-11-12 Online:2025-01-18 Published:2025-01-02
  • Contact: * E-mail: lcp@cqu.edu.cn (C. Li), zdwei@cqu.edu.cn (Z. Wei).
  • Supported by:
    National Key Research and Development Program of China(2022YFC2105904);National Natural Science Foundation of China(22478043);National Natural Science Foundation of China(22090030);National Natural Science Foundation of China(52021004);National Natural Science Foundation of China(U21A20312);National Natural Science Foundation of China(22075033)

摘要:

氮气(N2)作为地球大气中最丰富的气体之一, 其N≡N三键具有极高的键能(约940.95 kJ mol‒1), 使得转化为其他化合物的过程极具挑战性. 传统的哈伯-博施(Haber-Bosch)工艺将N2转化为氨(NH3), 该过程需要高温(350−550 °C)和高压(150−350 atm), 是当前最耗能的工业过程之一. 同时, 氨的合成是后续含氮化合物(如肥料、药物、染料等)生产的基础, 这些过程通常需要复杂的有机或无机合成步骤. 因此, 开发直接将N2转化为具有工业和商业价值的化学产品的方法显得尤为重要.
本文提出了一种新颖的电子催化方法, 在常温、常压下, 利用循环伏安法(CV)的电子注入/拉出反应直接将N2转化为重氮盐, 进而直接固定N2成偶氮化合物. 不同于传统的电子催化方法通常仅将电子注入反应体系, 本文通过精确施加电压循环, 有效地调节电子的注入和拉出, 实现了直接将N2固定为高附加值偶氮化合物. 在反应过程中, 电子首先被注入芳香卤化物, 生成芳基自由基(Ar), 随后该自由基经过“铲子状”过渡态与N2分子结合, 选择性活化N2的N≡N键中的一个π键. 通过反应体系优化, 以苯酚作为模型产物, 确定了最佳的电压范围(−3.5−3.5 V vs. Ag/Ag+)、扫描速率(0.2 V s−1)、溶剂(乙腈)和支持电解质(Bu4NPF6). 在这些条件下, 以疏水碳纸作为阴极, 石墨作为阳极, Ag/Ag+电极作为参比电极, 在N2氛围(1 atm)下反应能够有效地将N2转化为偶氮化合物. 利用密度泛函理论计算研究了“铲子状”过渡态的形成过程, 分析了芳基自由基与N2分子之间的相互作用, 证明了N2分子的成功活化. 自由能计算表明, 本文的电子催化策略可以调节反应途径, 使活化能从3.44 eV降低到0.14 eV. 15N2同位素实验和原位衰减全反射红外光谱实验结果表明, N2是合成偶氮化合物的氮源, 并验证了本文提出的电子催化机理. 进一步拓展研究结果表明, 该电子催化策略不仅适用于各种偶氮化合物的合成, 还可以扩展到其它芳香卤化物和多种亲核芳香化合物的反应, 能够有效地用于合成多种具有高附加值的化学品.
综上所述, 本文设计并发展了一种电子催化策略, 控制CV的电位, 注入/拉出电子至芳香卤代化合物, 从而选择性活化N2的一个π键, 直接固定N2为偶氮化合物. 这种电子催化策略为N2的固定提供了一种高效、绿色的全新解决方案, 具有重要的工业应用潜力. 该方法不仅简化了传统的偶氮合成过程, 避免了苛刻反应条件的使用, 提升了原子利用率和能量利用率, 还为开发新型含氮化合物的合成方法提供了新的思路.

关键词: 固定N2, 偶氮化合物, 电子催化策略, “铲子状”过渡态, 芳基自由基

Abstract:

The triple bond in N2 has an extremely high bond energy and is thus difficult to break. N2 is commonly converted into NH3 artificially via the Haber-Bosch process, and NH3 can be utilized to produce other nitrogen-containing chemicals. Here, we developed an electron catalyzed method to directly fix N2 into azos, by pushing and pulling the electron into and from the aromatic halide with the cyclic voltammetry method. The round-trip journey of electron can successfully weaken the triple bond in N2 through the electron pushing-induced aryl radical via a “brick trowel” transition state, and then produce the diazonium ions by pulling the electron out from the diazo radical intermediate. Different azos can be synthesized with this developed electron catalyzed approach. This approach provides a novel concept and practical route for the fixation of N2 at atmospheric pressure into chemical products valuable for industrial and commercial applications.

Key words: Fixed N2, Azo, Electron catalyzed strategy, “Brick trowel” transition state, Aryl radicals