Electrochemical C–N Bond Formation from CO 2 and Nitrate Using Molecular Catalysis

化学 甲酰胺 催化作用 电化学 电催化剂 分子 三吡啶 水溶液 组合化学 无机化学 均相催化 金属 铂金 反应机理 多金属氧酸盐 分子动力学 纳米技术 小分子 多相催化
作者
Morgan McKee,Devashish Bhave,Sai Phani Kumar Vangala,Hamed Heidarpour,Jörg Daniels,Ralf Weisbarth,Ali Seifitokaldani,Nikolay Kornienko
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c05664
摘要

The emerging direction of electrochemical C–N bond formation from CO 2 and small N-containing molecules has gained wide attention in recent years as a sustainable route in producing high-value products such as amines and amides. To date, the majority of C–N bond electrocatalysts discovered have been heterogeneous and/or solid-state in nature, which have some limitations when investigating structure–activity relationships toward the buildup of a fundamental knowledge base. Molecular electrocatalysts, on the other hand, have a wide range of advantages for fundamental studies, as these catalysts can be easily tuned, showing direct relationships between catalytic activity and the metal center, ligand, secondary coordination sphere, and much more. To this end, we demonstrate the use of a monohydroxy terpyridine nickel complex (NitpyOH) as a homogeneous molecular electrocatalyst for C–N bond formation in an aqueous system. We demonstrate the production of formamide as a major C–N product with a peak Faradaic efficiency of 35% and a partial current density of 0.095 mA cm –2 at −0.69 V vs RHE using 1 mM NitpyOH. Finally, structure–activity correlations and a combination of in situ spectroscopy, electroanalytical techniques, and computational modeling elucidated the key aspects of the catalytic mechanism responsible for formamide production via C–N coupling. The insight developed here paves the way for the use of molecular systems in electrochemical small-molecule cross-coupling reactions.
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