利用二氧化碳(CO2)作為單一碳元素的良性甲基化反應(yīng)的發(fā)展將使化學(xué)工業(yè)更具可持續(xù)性。電化學(xué)CO2還原已被廣泛研究,但是其在還原性甲基化反應(yīng)中的應(yīng)用仍然超出了當(dāng)前電催化的范圍。基于此,美國耶魯大學(xué)王海梁教授(通訊作者)等人報道了第一例利用CO2電化學(xué)還原胺、肼(N2H4)、羥胺和硝基化合物的N-甲基化反應(yīng)。該反應(yīng)在室溫下在水性介質(zhì)中進(jìn)行,由碳納米管負(fù)載的鈷酞菁分子(CoPc)的多相電催化劑催化。其中,N-甲基化胺是在一鍋反應(yīng)中生成的:首先CO2被四個電子還原生成HCHO*,然后親電HCHO*與氮親核試劑發(fā)生化學(xué)縮合,最后一個兩電子還原(或四電子在羥胺的情況下還原)產(chǎn)生最終產(chǎn)物。值得注意的是,即使縮合產(chǎn)物不穩(wěn)定,反應(yīng)也會繼續(xù)進(jìn)行,可能是因為縮合步驟與電極表面上的后續(xù)還原步驟相結(jié)合,這是級聯(lián)過程的明顯優(yōu)勢。通過篩選多種胺,作者發(fā)現(xiàn)胺的親核性與反應(yīng)路徑遠(yuǎn)從CH3OH轉(zhuǎn)向C-N產(chǎn)物的程度相關(guān)。因此,胺的親核性是偶聯(lián)反應(yīng)的描述符。作者還證明了甲基肼(CH3NHNH2)和甲胺(CH3NH2)可以用肼(N2H4)作為氮源形成,這可能是由N2還原產(chǎn)生的。作者通過設(shè)計一種新型的CO2和硝基化合物的級聯(lián)共還原來進(jìn)一步擴展反應(yīng)范圍,這些化合物是比胺更經(jīng)濟的反應(yīng)物,通過12個質(zhì)子和12個電子的整體轉(zhuǎn)移產(chǎn)生相應(yīng)的N-甲胺產(chǎn)物。反應(yīng)中的活性親核試劑是羥胺中間體,由硝基化合物的四電子還原形成,這使得反應(yīng)能夠以高選擇性進(jìn)行單甲基化而不是雙甲基化。Electrochemical Reductive N-Methylation with CO2 Enabled by a Molecular Catalyst. J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c10863.https://doi.org/10.1021/jacs.1c10863.