Quinone-mediated hydrogen anode for non-aqueous reductive electrosynthesis

电合成 电化学 阳极 催化作用 化学 水溶液 组合化学 氧化还原 醌 试剂 无机化学 有机化学 电极 物理化学
作者
Jack Twilton,Mathew R. Johnson,Vinayak Sidana,Mareena C. Franke,Cecilia Bottecchia,Dan Lehnherr,François Lévesque,Spring Melody M. Knapp,Luning Wang,James B. Gerken,Cynthia Hong,Thomas P. Vickery,Mark Weisel,Neil A. Strotman,Daniel J. Weix,Thatcher W. Root,Shannon S. Stahl
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:623 (7985): 71-76 被引量:65
标识
DOI:10.1038/s41586-023-06534-2
摘要

Electrochemical synthesis can provide more sustainable routes to industrial chemicals1-3. Electrosynthetic oxidations often may be performed “reagent-free”, generating hydrogen (H2) derived from the substrate as the sole byproduct at the counter electrode. Electrosynthetic reductions, however, require an external source of electrons. Sacrificial metal anodes are commonly used for small-scale applications4, but more sustainable options are needed at large scale. Anodic water oxidation is an especially appealing option1,5,6, but many reductions require anhydrous, air-free reaction conditions. In such cases, H2 represents an ideal alternative, motivating the growing interest in the electrochemical hydrogen oxidation reaction (HOR) under non-aqueous conditions7-12. Here, we report a mediated H2 anode that achieves indirect electrochemical oxidation of H2 by pairing thermal catalytic hydrogenation of an anthraquinone mediator with electrochemical oxidation of the anthrahydroquinone. This quinone-mediated H2 anode is used to support nickel-catalyzed cross-electrophile coupling (XEC), a reaction class gaining widespread adoption within the pharmaceutical industry13-15. Initial validation of this method in small-scale batch reactions is followed by adaptation to a recirculating flow reactor that enables hectogram-scale synthesis of a pharmaceutical intermediate. The mediated H2 anode technology disclosed here offers a general strategy to support H2-driven electrosynthetic reductions.
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