L-半胱氨酸修饰的银基纳米材料用于芳香酮的非对称电羧化反应

《Applied Surface Science》：L-cysteine-modified Ag-based nanomaterials for asymmetric electrocarboxylation of aromatic ketones

高效利用二氧化碳合成高附加值手性羧酸类化合物，本研究通过一步还原法制备了L-半胱氨酸修饰的银纳米材料（L-Cys-Ag），其在不对称电羧化反应中表现出优异性能，以73%产率和87%ee值生成目标手性羧酸，同时具备稳定性与可重复使用特性。

　　

Feng Zhang|Jingwei Zhu|Yue Zhao|Baohan Shan|Jiaxing Lu|Huan Wang

上海绿色化学与化学过程重点实验室，石油分子与过程工程国家重点实验室，华东师范大学化学与分子工程学院，上海200062，中国

摘要

为了高效利用CO₂作为C1来源来合成高附加值的手性羧酸产品，本研究通过一步还原方法制备了L-半胱氨酸修饰的银基纳米材料（L-Cys-Ag）。该材料在乙酰苯酮的不对称电羧化反应中表现出优异的电催化性能，产率为73%，对映体过量值为87%。此外，该材料具有稳定性和可重复使用性。通过比较电解结果、开路电位和原位红外光谱发现，CO₂在Ag上电还原产生的CO₂^·-会与乙酰苯酮的自由基阴离子结合，从而实现电羧化。同时，修饰后的L-半胱氨酸不仅抑制了CO₂的过度还原，还通过其羧基和氨基将两种底物固定在一起，提供了有利于高对映选择性的手性微环境。

引言

全球人口的不断增长和工业的扩张导致化石能源需求的急剧增加，进而加剧了CO₂的排放。这种人为活动引发了严重的环境问题，尤其是温室效应的加剧[1]。然而，CO₂是一种普遍存在且无毒的C1资源[2]，这促使人们对其催化转化策略进行了广泛研究。利用CO₂可以合成高价值化学品，并有助于缓解温室效应。在各种利用CO₂的催化方法中，电催化因其反应条件温和而脱颖而出，因为电子可以作为还原剂，减少了对传统还原剂的依赖[3]。此外，电催化避免了高温高压等苛刻条件，具有更高的安全性和环境友好性。目前，通过电催化利用CO₂主要有两条途径：一条途径是通过直接还原CO₂获得小分子产物[4]，如CO [5]、[6]、CH₄ [7]、[8]、甲酸 [9]、[10]、甲醇 [11]、乙醇 [12] 和乙烯 [13]、[14]；另一条途径是通过CO₂与其他有机分子的羧化反应[15]来制备相关有机化合物，这些反应可以与醇[16]、环状化合物[17]、烯烃[18]、亚胺[19]、芳香酮[18]、[20] 和卤化物[22]进行电催化，从而合成相应的碳酸盐、羧酸和羧酸酯。

精细化工行业中需求量大的手性化合物[24]可以通过在电催化中引入手性催化剂来合成[25]、[26]、[27]。其中，手性羧酸在香料和制药等行业中具有很高的价值，可以利用CO₂作为原料通过不对称电羧化来合成。这一过程不仅减少了CO₂的排放，还产生了高附加值的 s?n ph?m。先前的研究已经对手性羧酸的催化合成进行了探索。例如，Chen等人使用金鸡纳生物碱作为手性催化剂，实现了2-乙酰萘酮的不对称电羧化，产率为41%，对映体过量值为48%[28]。此外，Yang等人使用钙钛矿材料和Co^II-(R,R)(salen)作为协同催化剂，成功地从乙酰苯酮合成了2-羟基-2-苯基乙酸，产率为85%，对映体过量值为95%[29]、[30]。尽管在芳香酮羧化方面取得了这些进展，但大多数研究依赖于难以回收的均相手性催化剂。因此，开发稳定且固载化的不对称电羧化催化剂仍然是研究的关键领域。

为了解决不对称电羧化中的挑战，选择合适的手性催化剂至关重要。常用的手性催化剂包括过渡金属催化剂[31]、[32]、有机催化剂[33]和酶[34]。其中，氨基酸衍生物相比其他手性催化剂具有简单、易于制备和结构稳定等优点[35]。将它们固定在固体载体上有助于催化剂的回收并提高工艺的可持续性。Wang等人[36]通过C–C键将D-苯丙氨酸共价固定在碳纳米管上，制备了一种异相手性催化剂，该催化剂具有优异的可回收性，并在多次不对称羧化反应循环中保持了催化活性。L-半胱氨酸是一种多功能氨基酸，在催化系统中是重要的手性催化剂[37]、[38]、[39]，由于其独特的巯基（-SH）可以形成金属-硫（M?S）键[42]，常用于检测应用和生物传感器领域[40]、[41]。Yue等人[43]利用L-半胱氨酸与金属结合的能力，制备了用于芳香酮不对称电催化氢化的氨基酸修饰金属催化剂，这种催化剂可以多次重复使用。因此，使用L-半胱氨酸合成用于芳香酮不对称电羧化的手性催化剂是可行的。

在本研究中，通过一步还原金属盐并使用L-半胱氨酸作为手性催化剂来制备催化剂，用于芳香酮的不对称电羧化。这种方法旨在同时实现优异的电催化性能和手性催化剂的可回收性。其中，基于Ag的催化剂表现出最佳的催化性能。具体来说，Ag主要作为CO₂还原的活性位点，而L-半胱氨酸主要参与手性诱导并调节Ag对CO₂的过量还原能力。因此，L-半胱氨酸的修饰显著提高了目标产物的反应产率和对映选择性。这项工作提出了一种新的策略，将手性有机分子与金属基底结合，以设计高效的电羧化催化剂。

部分摘录

化学品

L-半胱氨酸（99%）、N-乙酰-L-半胱氨酸（99%）、L-半胱氨酸乙酯（>98%）、4-甲基乙酰苯酮（98%）、4-甲氧基乙酰苯酮（98%）、苯甲酰环己烷（98%）、四丁基胺碘化物（TBAI，>98%）购自Innochem（北京）科技有限公司。硝酸银（AgNO₃，>99.8%）、乙酰苯酮（>99%）、乙腈（MeCN，≥99.5%）、甲醇（>99.7%）、乙醇（>99.7%）、乙醚（>99.7%）、羟甲基纤维素钠（99%）和硼氢化钠（NaBH₄，>98%）购自

催化剂表征

合成后系统地研究了材料的成分和形态特征。从L-Cys-Ag-4的XRD图谱（图1a）可以看出，所有衍射峰都可以明确归因于金属银的面心立方（fcc）结构（PDF#04–0783），这证实了银组分的晶体性质。然而，在该材料的XRD图谱中未检测到L-半胱氨酸的晶面峰，因此进行了XPS分析

结论

在本研究中，我们通过将L-半胱氨酸通过金属-硫键修饰到金属银上，制备了一种异相电催化材料L-Cys-Ag-4。该催化剂在乙酰苯酮的不对称电羧化反应中表现出优异的催化性能，生成了产率为73%、对映体过量值为87%的手性2-羟基-2-苯基丙酸。该材料还表现出优异的可重复使用性和稳定性，在连续五次电解后仍保持高催化活性

CRediT作者贡献声明

Feng Zhang：撰写 – 原稿撰写、实验研究、数据分析。Jingwei Zhu：实验研究、数据分析。Yue Zhao：数据分析。Baohan Shan：数据分析。Jiaxing Lu：撰写 – 审稿与编辑、指导、资金申请。Huan Wang：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、资金申请、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2023YFA1507903、2020YFA0710200）的支持。