2025年9月18日，中国科学院化学研究所的韩布兴院士/康欣晨研究员团队在Nature Synthesis期刊上发表了一篇题为“Imidazolium radical-mediated electron transfer enhances electrochemical C−N coupling for glycine synthesis”的研究成果。

该成果报道了一种离子液体锚定的铋催化剂(IL@Bi)，用于草酸(OA)和硝酸根(NO₃⁻)的电化学共还原反应，成功实现了甘氨酸的高效、高选择性合成，为利用可持续原料和可再生能源生产高附加值氨基酸提供了新策略。

论文通讯作者为康欣晨研究员和韩布兴院士；第一作者为博士生王珩安。

利用可再生电能驱动小分子碳源和氮源（如草酸、NO₃⁻、空气等）直接合成氨基酸，是绿色化学与可持续合成领域的前沿方向。甘氨酸在医药、食品和化工行业具有广泛应用。然而，电化学C−N偶联反应涉及多个电子-质子转移过程，反应路径十分复杂，关键中间体乙醛酸肟转化动力学缓慢，且易发生析氢副反应，导致电合成甘氨酸的低选择性和低产率。

图1：甘氨酸电合成

在该研究中，韩布兴院士/康欣晨研究员团队通过将离子液体1-乙基-2,3-二甲基咪唑硝酸盐(EmmimNO₃) 锚定在金属铋(Bi)表面，构建了IL@Bi催化剂。在−1.3 V vs. RHE电位下，该催化剂实现了81.1%的甘氨酸法拉第效率和高达286.2 mA cm⁻²的电流密度，性能显著优于纯Bi电极及目前已报道的各类催化剂。此外，该团队还利用等离子体活化空气产生的氮氧化物（NO_x）作为氮源，实现了高达89.0%的甘氨酸选择性。这标志着以取之不尽的空气为原料来合成高价值氨基酸成为可能，极大地凸显了该策略下原料来源的低成本与绿色可持续性。

图2：IL@Bi和Bi的材料表征

图3：Bi和IL@Bi电极上草酸与硝酸根/氮氧化物电化学C–N耦合性能。

机理研究表明，IL@Bi催化剂出色的性能源于其独特的“接力式电子转移”机制：电解过程中，Emmim⁺在Bi表面被还原为Emmim^•自由基，该自由基作为高效的电子媒介，将电子快速传递给关键中间体乙醛酸肟（GAO），促进高活性的GAO自由基的形成，显著提升了GAO转化为甘氨酸的动力学。该机制避免了电子从Bi直接向GAO传递的缓慢动力学路径，同时离子液体的修饰有效抑制了析氢反应，共同促成了高效、高选择性的催化过程。

图4：反应过程中间体和电子转移过程的研究。

图5：反应机理和普适性研究。

这项研究不仅开发了一种高性能的电合成甘氨酸催化剂，更揭示了一种由离子液体自由基介导的电子转移新机制，为设计高效、通用的电催化C−N耦合系统提供了新思路，有望推动电合成技术在生物基化学品制备领域的应用。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-025-00876-7