阿斯特丽德·凯尔·斯特芬森 | 海伦娜·伦德伯格 | 安德斯·里斯阿格
丹麦技术大学，化学系
2800 Kgs. Lyngby，丹麦
ar@kemi.dtu.dk
深共晶溶剂（DESs）由氢键受体和供体组成，被研究作为可回收的溶剂-电解质系统，用于木质素模型醚中C-O键的电还原断裂。广泛使用的DES由氯化胆碱和甲脲组成，表现出合适的电化学窗口和高阴极稳定性，能够在简单的、未分隔的电池中高效断裂苄基苯醚，三个反应循环后对酚的选择性达到97%，无需催化剂或添加剂。优化研究表明，电极材料的选择显著影响转化率和产率。此外，该方法适用于多种木质素模型醚，观察到的反应性趋势与底物结构和溶解度相关。这项工作突显了低成本DES作为新型、多功能和可回收介质在绿色电合成中的潜力，为未来电化学木质素解聚的发展奠定了基础。值得注意的是，这种方法减少了电合成中传统支持电解质盐和溶剂带来的废物，并且通过进一步提高法拉第效率和过程集成，可以充分发挥这一新策略的绿色潜力。
1. 深共晶溶剂（DESs）被引入为非挥发性、廉价的溶剂-电解质系统，具有溶解生物质以进行还原电合成的潜力。使用DES系统是一种有前景的方法，可以减少有机电合成中通常由支持电解质盐和有机溶剂产生的废物。
2. DESs被展示为用于各种木质素模型醚化合物电还原C-O断裂的溶剂-电解质系统，对酚的选择性达到97%。DES可以在至少三个连续反应中重复使用，而酚的选择性没有显著下降。
3. DES系统中的传质限制了转化率和法拉第效率，未来的研究应致力于改善传质，以便更广泛地使用DES作为电解质系统。此外，将还原C-O断裂与有效的副反应结合，可以提高过程的原子经济性，从而实现生物质的电还原增值。
**引言**
在电化学合成中，电子用于在常温条件下激活分子并驱动氧化还原反应，使得化学生产更加环保，对辅助试剂的需求最小化。这种方法相比传统合成方法，可以提供更高的能量效率、更好的选择性和更高的原子经济性，使电合成成为更可持续的替代方案。然而，有机溶剂中的电合成通常依赖于支持电解质（如高氯酸盐或季铵盐）来确保足够的电导率。虽然这些支持电解质通常是惰性和氧化还原稳定的物质，但它们与电极表面、反应物和中间体的相互作用可能会影响反应结果。支持电解质盐通常过量使用，反应后必须与产物分离，导致大量废物产生或需要额外的后处理步骤来回收，增加了合成过程的复杂性和成本。为了减轻支持电解质带来的缺点，已经开发了一系列策略，包括原位生成电解质、降低电解质浓度以及使用具有窄电极间隙的微流控电池来维持电导率。另一种有前景的方法是设计易于分离和重复使用的电解质系统（图1A），例如固体碱（固体电解质）和固定在聚合物骨架上的电解质（聚合物电解质）。尽管这些方法便于通过过滤分离，但仍然需要反应溶剂。在这种情况下，能够同时充当溶剂和电解质的替代溶剂特别有趣，尤其是如果它们可以容易地与产物分离并重复使用的话。离子液体（ILs）就是这样的系统之一，已应用于各种电化学转化中，包括羧基化、磷酸化等。然而，ILs在电合成中的使用受到其相对较低的导电性和高成本的限制。
**图1.** 深共晶溶剂（DESs）作为可回收的电解质用于C-O键断裂。(A) 电合成中可回收电解质的方法。(B) DESs在电合成中的应用。(C) 苯基苯醚的电化学断裂（∥表示分隔的电池）。(D) 本研究。
深共晶溶剂（DESs）通过以特定比例混合氢键受体（HBA）和氢键供体（HBD）达到共晶点而形成，与ILs有许多共同特性，但成本显著更低。DESs的高热稳定性、低挥发性和与有机溶剂的不相溶性使其可以通过多种方法回收和再利用。这些方法包括液-液萃取、反溶剂添加和短路径蒸馏等实际操作，使DESs成为有前景的可回收电解质/溶剂系统。DESs的一个独特特点是它们能够溶解生物质，使其在生物精炼应用中非常吸引人。在木质素的背景下，DESs可以实现高达50%（w/w）的物料溶解度，而在ILs中则需要更高的温度才能达到类似的效果。木质素占木质纤维素生物质的30%左右，但在生物精炼应用中仍未得到充分利用，而纤维素和半纤维素组分已有成熟的工业利用途径。木质素的电化学氧化解聚已在水性电解质中广泛研究，使用了多种电催化剂。相比之下，类似的还原解聚研究较少，尽管具有潜在优势，例如由于氢含量增加而产生高能量密度的增值芳香族化合物。关于二聚木质素模型化合物的还原断裂方法的研究包括在水性和有机电解质中的二苯醚和β-O-4模型。DESs已被研究用于电化学应用，包括电池化学和电沉积；然而，它们在电合成中的使用仍然有限。在纯DES系统中的转化包括电化学辅助形成的双(吲哚基)甲烷、吡喃和黄蒽衍生物。最近，DES系统还成功应用于电化学磺化、烯丙基化和羧基化。此外，在DES-水混合物和乳液中，木质素的氧化电解聚也显示出潜力，主要产物为香兰素和愈创木酚。另一方面，Cruz等人研究了在DES-H2O电解质中还原条件下的β-O-4木质素模型2-苯氧基乙酰苯的C-O断裂。虽然未观察到选择性的β-O-4断裂，但电催化氢化根据电池类型产生了不同的产物类型。同样，Zhang等人研究了在DES-乙腈电解质中使用镍-钴催化剂对β-O-4木质素模型2-苯氧基-1-苯乙醇的电催化断裂，实现了C-O和C-C断裂。值得注意的是，尽管DES的组成有较大的组合空间，但主要使用的是氯化胆碱和乙二醇组成的DESs。因此，它们作为集成溶剂-电解质系统（深共晶电解质）在直接电化学转化中的全部潜力尚未得到充分探索。
**结果与讨论**
合成了六种基于铵的DES（表1），以评估其作为还原电合成电解质的性能（详见补充信息）。选择氯化胆碱与N-甲基脲（DES-1）是因为其报道的高阴极稳定性，同时评估了其已知的类似物氯化胆碱与尿素（DES-2）和乙二醇（DES-3）以进行比较。基于氯化胆碱和甲酸的DES-4被选中，以扩展已知对木质素应用有益的HBD的范围。为了研究HBA的作用，选择了带有四丁基铵反离子的类似物（DES-5和DES-6），因为这种阳离子在常规电合成电解质系统中常用。除DES-6外，所有合成的DES在室温下均为液态。最初，通过循环伏安法（CV）评估了纯DES的电化学氧化还原电位，从而确定了阳极/阴极极限和电化学稳定性窗口（ECW）（详见补充信息，图S4–9）。
**表1.** 合成的DESs和DMF/NBu4PF6参考系统的电化学性质
| 系统 | HBA : HBD（1 : 2摩尔比） | 阴极极限（V vs. Fc0/+） | 阳极极限（V vs. Fc0/+） | ECW（V） | 电导率（d (mS cm−1) |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 1DES-1 | b | −3.34 | 0.88 | 4.22 | 2.12 |
| 2DES-2 | −3.36 | 1.13 | 4.49 | 2.63 |
| 3DES-3 | −3.03 | 0.60 | 3.63 | 164 |
| 4DES-4 | −2.63 | 0.67 | 3.30 | 305 |
| 5DES-5 | −3.45 | 0.69 | 4.14 | 1.96 |
| 6DES-6 | c | −3.23 | 0.63 | 3.86 | — |
| DMF/0.1 M NBu4PF6 | — | −3.45 | 1.29 | 4.74 | 6.3 |
如预期，HBD和HBA的性质显著影响了DESs的电化学稳定性窗口（表1）。对于基于氯化胆碱的DESs（DES-1至DES-4），HBD显著影响了阴极极限，其顺序为：甲酸（DES-4）< 乙二醇（DES-3）< N-甲基脲（DES-1）≈ 尿素（DES-2），DES-2和DES-4之间的差异为730 mV。这一趋势与先前的报告一致，清楚地表明阴极稳定性与HBA的性质相关。HBA对ECW的影响不太明显。比较DES-1与DES-6以及DES-3与DES-5（表1中的条目1 vs. 6和3 vs. 5），从氯化胆碱切换到四丁基铵氯化物作为HBA时，前者导致阳极极限降低，而后者略有增加。DES-3和DES-6相似的阳极极限可能表明在这些情况下氯化物的氧化限制了阳极稳定性，而DES-1和DES-2表现出显著更高的阳极极限。因此，HBD和HBA之间的相互作用会影响DES的电化学性质，并可能在其降解过程中起作用，尽管这一点尚未得到充分理解。71 氯化胆碱和尿素的组合（DES-2）产生了最大的电化学工作电位（4.49 V），而DES-5表现出最高的阴极稳定性，后者接近于传统的溶剂/电解质系统四丁基铵六氟磷酸盐（NBu4PF6）在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中的性能（表1，条目5对比7）。除了电化学稳定性外，导电性也是电解质系统的重要因素，因为它影响电池电阻和电化学转化的法拉第效率。73 如表1所示，DES-1、DES-2和DES-5的导电性低于传统电解质系统（表1，条目1、2和5对比7），而粘度较低的DES-3和DES-4的导电性则显著较高（表1，条目3和4对比7）（详见补充信息，表S1中的粘度数据）。需要注意的是，传统电解质的导电性取决于支持电解质盐的浓度，因此与表1中给出的纯DES系统的比较应谨慎进行。74 在这种情况下，传统电解质的导电性是在0.1 M的支持电解质浓度下测量的。
评估DES系统用于C–O键断裂的能力
由于几种测试的DES表现出较高的阴极稳定性和足够的导电性（表1），所有在室温下呈液态的DES（DES-1至DES-5）都被用作电解介质，在未分隔的电池中，在恒电流条件下对含有α-O-4型木质素基团的木质素模型苯基醚进行电还原C–O键断裂（图2）。添加了分子筛（4 Å MS）以吸收残留水分，从而最小化竞争性的阴极氢气释放反应（HER）。与有机溶剂相比，DES的粘度更高（详见补充信息，表S1），因此使用了高表面积的阴极材料——网状玻璃碳（RVC）来促进质量传输（详见补充信息）。使用DES-1作为电解介质时，获得了最有效的电解效果（转化率39%，产率29%）。总体而言，转化率和酚产率与DES的阴极稳定性相关，DES-2是一个显著的例外。有趣的是，尽管DES-5的阴极稳定性被认为高于DES-1（表1），但其结果与DES-1相似。为了探究这种行为的起源，通过循环伏安法（CV）研究了不同DES中对苯基醚的还原（图3）。该评估显示，DES-1、DES-3和DES-5中苯基醚的还原起始电位比在DMF电解质中的电位（-3.19 V）更正。相比之下，DES-2和DES-4的还原起始电位没有变化。这一发现与后两种DES中苯基醚还原转化率和产率较低的情况一致，表明电解质的电化学稳定性及其与有机底物的相互作用对反应结果都很重要。在DES-1中获得了最高的转化率和最高的酚产率（分别为39%和29%），其还原起始电位最低。这种阳极电位的偏移是有利的，因为它使得反应在较温和的条件下进行，表明可能具有更高的官能团耐受性和更低的能量消耗。75, 76。鉴于DES-1有希望的合成结果以及其适度的吸湿性（详见补充信息，表S1），选择这种介质继续研究电还原C–O键断裂。
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图2. 不同DES作为溶剂-电解质系统用于苯基醚C–O键断裂的筛选。转化率和产率通过HPLC分析确定（详见补充信息，第1.6节）。
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图3. 在DES和传统电解质（DMF, 0.1 M NBu4PF6, 20 mM）中苯基醚的CV曲线。条件：GC圆盘工作电极，SCE参比电极，Pt线对电极。扫描从开路电位开始，方向为负方向，扫描速率为100 mV s−1。
优化和重复使用DES-1系统进行C–O键断裂
为了进一步提高DES-1中苯基醚电还原的转化率和产物选择性，对电极材料和反应条件进行了筛选（表2和图4）。为了确保足够的重复性，每个反应至少重复了两次（详见补充信息，第1.4节）。关于在传统溶剂/电解质系统中苯基醚电化学C–O键断裂的先前报道使用了碳基、77 铂基66 和镍基67, 68 阴极（图1C）。使用DES-1系统时，所有碳基阴极（表2，条目1–3）都产生了产物，而镍（表2，条目4）和不锈钢（SS）（表2，条目5）阴极未能转化苯基醚。然而，与其他碳基电极相比，使用石墨阴极（Cgr）时产物选择性较低（表2，条目3对比1和2），并且重复使用后转化率下降（详见补充信息，表S3）。尽管在反应之间对电极进行了彻底清洁和抛光，但仍然出现了这种情况，可能是由于离子在石墨材料中的嵌入。同样，玻璃碳（GC）阴极（表2，条目2）导致的底物转化率和产物选择性也较低，因为后者较高的表面积可能改善了扩散，从而提高了反应速率。
表2. 在DES-1中优化苯基醚的C–O键断裂
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条目 偏差 产率（选择性）a (%) 转化率a (%)
空电池 无 29 (73) 19 (50)
GC阴极 14 (50) 5 (17) 27
Cgr阴极 6 (17) 6 (16) 35
Ni阴极 —— <5 5
SS阴极 —— <5 6
Mg阳极 b 3 (14) 2 (14) 19
Al阳极 b 10 (43) 10 (41) 24
NBu4BH4 (0.3 eq.) 28 (63) 14 (31) 44
无MS 25 (74) 16 (45) 34
无电流 —— <5 a
转化率和产物产率通过HPLC分析确定（详见补充信息，第1.6节），是至少两次相同实验的平均值（详见补充信息，表S3）。
b 电阻过高，无法通过2.5 F（详见补充信息，表S3和图S2）。
GC：玻璃碳，Cgr：石墨，MS：分子筛，RVC：网状玻璃碳，SS：不锈钢。
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图4. 优化和重复使用DES-1系统进行苯基醚的C–O键断裂。(a) 电荷（2.5–10 F, 10 mA, 700 rpm）的影响。(b) 搅拌速率（500–1500 rpm, 10 mA, 2.5 F）的影响。(c) DES-1的回收利用（2.5 F, 10 mA, 1500 rpm）。
为了平衡净阴极转化，选择对反应有利的副反应对于确保高效电解非常重要。78, 79, 80, 81。将牺牲锌阳极替换为镁或铝电极（表2，条目1对比6和7）导致产物产率和选择性降低。这一结果可能与观察到的电阻增加有关，导致电池电位超过外部电源的容量，从而在实验过程中无法通过2.5 F的电荷（详见补充信息，图S2）。电阻的增加可以理解为阳极钝化，以及Al3+离子相比Zn2+离子在类似DES中的溶解度较低。82 Zn的较低氧化电位也可能导致产物选择性提高，因为氧化副反应可能被更有效地抑制。对于电还原C–O键活化，硼氢化物已被证明可以作为阳极燃料，81 以及氢供体。66 然而，将硼氢化物添加到DES电解质中并使用Zn阳极导致产物选择性降低（表2，条目8）。同样，当使用惰性碳基阳极与硼氢化物一起时，也观察到酚的选择性降低（详见补充信息，表S3）。相比之下，省略分子筛对产物选择性没有影响（表2，条目9），但转化率下降，可能是由于残留水分导致不希望的氢气释放。正如预期的那样，在没有电流的情况下反应没有进行（表2，条目10）。值得注意的是，表2中的结果显示，甲苯的产率始终低于酚的产率。为了探究这一现象是否是由于系统中缺乏H供体，评估了添加NaHCO3和NBu4PF6等添加剂（详见补充信息，表S3），但并未改善甲苯的产率。通过HPLC（图S23）或GC-MS（图S41）在反应混合物中未检测到苄基偶联产物或氯化或氧化产物。同样，在这些条件下，GC-MS也无法检测到还原产物，如环己醇或1-甲基环己烷。然而，除了苯基醚外，GC-MS分析还显示了微量1-甲基环己-1,4-二烯，这是甲苯的Birch还原产物，之前已有报道指出它是芳基醚断裂的副产物。66 这些结果表明，甲苯产率低于酚的原因是由于持续还原和甲苯较高的挥发性，这可能导致实际产率被低估。
通过实验设计（DoE）方法进一步优化反应参数，以温度、电流和电荷为因素，结果表明温度对转化率和产物产率有显著影响（表S4和图S3）。尽管DES的导电性通常随温度升高而增加，但较高的反应温度导致转化率和产率降低。在30–40 °C的较低温度下进行反应是不可行的，因为DES-1的冰点为29 °C。84 额外的实验表明，增加通过电池的电荷至5 F可以提高产物选择性，而更高的电荷则导致选择性降低，可能是由于副反应的开始（图4a）。相比之下，转化率基本不受电荷增加的影响，这表明电极表面的质量传递可能限制了整体转化率。这一假设得到了观察结果的支持，即搅拌速率增加到1200 rpm时，转化率和产物产率提高（图4b）。进一步将搅拌速率增加到1500 rpm对转化率影响不大，但似乎对产物选择性的形成有积极影响，使酚的选择性达到97%。这种选择性随搅拌速率的增加而提高可能归因于扩散层厚度的减小，从而改善了形成产物从电极处的传输。85 基于在50 °C和1500 rpm搅拌速率下获得的较高选择性，这些条件被选为后续实验的最佳条件。
为了评估DES-1的可回收性，在电化学反应后收集溶剂，并通过萃取将其与产物分离，以便在后续反应中重复使用（详见补充信息，第1.5节）。这些回收实验表明，DES-1可以在至少三次连续反应中重复使用，而酚的选择性没有显著变化（图4c）。然而，随着回收次数的增加，苯基醚的转化率逐渐降低，这可能是由于回收的DES中残留水分的积累——这一因素无法通过添加分子筛完全缓解（详见补充信息，表S2）。通过1H核磁共振（NMR）光谱分析回收的DES-1（详见补充信息，图S34）显示，在电解过程中没有结构分解的证据。相反，回收DES的1H-NMR分析显示化学位移的变化可以归因于水分含量的增加（图S34和S35）。86, 87。虽然需要进一步的工作来进行有效干燥，但这些结果表明DES-1可以用作可回收的电解质。通过进一步优化DES回收方法，利用蒸馏、萃取和添加反溶剂等多种可用途径，与使用有机溶剂和相应电解质盐相比，这种电解质系统的可持续性和用户友好性得到了显著提升。在优化条件下（1500转/分钟，2.5华氏度，RVC(−)Zn(+)），使用传统电解质（DMF/NBu4PF6）代替DES-1时，转化率更高（71%对比42%），这可能是由于前者的粘度较低，从而改善了质量传输。然而，在传统电解质中观察到苯酚（69%对比97%）和甲苯（57%对比72%）的选择性较低（详见补充信息，表S3）。这一现象可能归因于DES通过氢键稳定了生成产物，从而防止了电化学降解。同样，使用DES-1时，与早期报道的传统电解质中的还原C–O键断裂实验相比，转化率也较低（见图1C），而那些实验都实现了接近完全转化。不过，在苯酚选择性方面，当前方案达到了与不使用催化剂、添加剂或分室配置的方案相当甚至更高的选择性。
在掌握了DES-1系统的优化条件后，研究了其他几种木质素模型醚的还原C–O键断裂（见表3）。对于甲氧基衍生物，观察到的苯酚选择性与其相同（表3，条目1），而异构体的选择性则明显较低（表3，条目3）。由于这两种化合物的还原起始电位相似（见图S13和S14），空间效应可能是造成选择性差异的原因。酯基取代的化合物表现出与相同化合物相似的苯酚选择性（表3，条目4），而异构体在DES-1中的溶解度较低，电解过程中未发生转化。当羟基位于间位时，产物选择性较低，而甲苯选择性适中（表3，条目6）。当羟基位于对位时，甲苯选择性较高，苯酚选择性也适中（表3，条目7）。当在间位添加甲氧基时，转化率相似，但总产物产量较低（表3，条目8）。在这些情况下，苯酚产物的选择性低于基准底物，可能是由于二酚的降解速度比苯快。在所施加的条件下，β-O-4型模型化合物的C–O键断裂表现出良好的苯酚选择性（67%），尽管转化率较低。相反，另一种化合物在所施加条件下未发生转化，可能是因为其还原电位非常负，超出了DES-1的电解窗口（见补充信息，图S21）。出于同样的原因，含有4-O-5型木质素基团的二苯醚的C–O键断裂反应缓慢且选择性差（表3，条目11；见补充信息，图S22）。总体而言，尽管没有针对每种化合物单独优化条件，但一系列木质素模型化合物的还原C–O键断裂实验显示出有希望的结果。
**表3. DES-1中木质素模型醚的电化学还原C–O键断裂**
| 底物 | 转化率（%） | 产量（选择性，a%） |
|------|---------|-----------|
| 1 | 42 | |
| 2 | 25 | |
| 3 | 31 | |
| 4 | 57 | |
| 5 | ——— | |
| 6 | 43 | |
| 7 | 25 | |
| 8 | 27 | |
| 9 | 16 | |
| 10 | ——— | |
| 11 | 24 | |
转化率和产量通过HPLC分析确定（详见补充信息，第1.6节）。n.d.：未检测到。
**结论**
研究了一系列由铵盐作为氢键受体（HBAs）和二醇或脲作为氢键供体（HBDs）组成的DESs，作为用于木质素模型醚化合物电化学C–O键断裂的新溶剂-电解质系统。凭借其高阴极稳定性，氯化胆碱-甲基脲（DES-1）在优化各种反应参数后，能够实现高达97%的苯酚选择性。值得注意的是，这种选择性是在不使用添加剂或催化剂的情况下，在简单的非分室装置中实现的，并且DES-1可以在连续三个反应循环中保持产物选择性。此外，DES-1电解质还成功用于多种木质素模型化合物的还原C–O键断裂。虽然未来工作需要解决提高质量传输、法拉第效率和降低回收DES中水分含量的问题，但本研究为探索DES介质中的电化学转化提供了起点，包括木质素解聚。
**作者贡献**
AKS：负责研究、方法开发、验证、数据可视化及初稿撰写。
HL：负责概念构思、资金获取、监督及审稿编辑。
AR：负责项目管理、概念构思、资金获取、监督及审稿编辑。
**利益冲突**
无需要声明的利益冲突。
**数据可用性**
支持本文的数据已包含在补充信息（SI）中。详见DOI：https://doi.org/10.1039/d5gc05226b
