烷基胺作为重要的工业产品和关键中间体，常被用于染料、香料、农药及药物的合成。目前，以胺和醛为原料，工业化一步法合成烷基胺需要使用过量甲醛，并以高压氢气作为氢源。然而，该合成策略存在以下局限性：其一，过量甲醛导致难以精准调控目标烷基胺的选择性；其二，高压氢气的使用伴随安全性和环境隐患。因此，开发温和可调控的烷基化方法，并以更安全便捷的氢源（如水）替代高压氢气，对可持续合成多种烷基胺具有重要意义。

近年来，电化学加氢反应因其以水为氢源的绿色性、良好的原子经济性及优异的能量利用效率，已成为一种极具吸引力的合成策略。胺的烷基化可为分子设计与组装提供新的平台，使特定烷基基团与胺分子结合，从而精确调控生命科学领域胺类分子的生物学及药理学特性。目前，电化学方法仅实现了胺的单甲基化，且法拉第效率不足10%。因此，如何通过电催化手段高效将伯胺转化为仲胺和叔胺，并实现烷基基团的可控引入，仍具有广阔的研究和应用空间。    

示意图1. 烷基胺的工业生产示意图（上图）及可编程电催化胺烷基化示意图（下图）。          

首先，通过纳米限域热缩合方法合成电子供体氮掺杂碳（NC）载体，并在其表面原位生长Pd纳米粒子，构筑Pd/NC异质结电催化剂。如图1a所示，等摩尔量的伯胺与醛可自发发生脱水缩合生成亚胺，随后在Pd/NC电催化剂的作用下加氢转化为仲胺（图1c），所得仲胺还可进一步在Pd/NC电催化剂上烷基化生成叔胺（图1e）。相比于单独的NC载体或Pd/C催化剂，Pd/NC催化剂在电催化胺烷基化反应中表现出显著提升的催化性能，表明NC载体在增强Pd纳米粒子的催化活性方面发挥了关键作用。在此基础上，我们进一步尝试通过调控NC载体优化Pd/NC催化剂的催化性能。

图1. Pd/N_xC电催化剂上环己胺的电化学胺烷基化反应。

借助金属Pd和N_xC载体（x为氮元素含量）之间的整流接触，通过调控N_xC载体的N含量可以优化Pd金属中心的电子富集程度。如图2e-f所示，随着NC载体中N含量的增加，Pd 3d XPS谱图峰位置向低结合能位置偏移且整体催化剂功函值逐渐减小，XPS和功函值结果表明所负载Pd纳米粒子的富电子性显著增强。如图2g-h所示，更富电的Pd^δ−（富电子Pd）电催化剂进一步提升了胺烷基化性能。

图2. Pd^δ−催化剂的电子富集效应对电催化胺烷基化反应的影响。

原位衰减全反射模式下的表面增强红外吸收光谱和DFT理论计算揭示了富电Pd活性中心在促进伯胺转化为叔胺过程中的关键作用（图3和图4）。富电Pd活性中心首先促进水分解生成Pd-H活性物种，随后分别活化亚胺的C=N键以及甲醛的C=O键实现伯胺到仲胺以及仲胺到叔胺的可控转化。同时，DFT理论计算结果表明，能量升高的析氢反应在富电Pd活性中心上难以发生，因此保证了胺烷基化反应的高法拉第效率。    

图3. Pd^δ−-H电催化剂上环己胺单烷基化反应机理及底物伯胺的扩展。

图4. Pd^δ−-H电催化剂上N-甲基环己胺单烷基化反应机理及底物仲胺的扩展。

基于Pd-H活性物种及位阻效应的开关机制，我们团队实现了Pd^δ−电催化剂在级联可编程胺烷基化中的应用（图5）。在伯胺转化为仲胺的过程中，伯胺可经甲醛（左侧）或其他醛（右侧）自发脱水缩合生成亚胺，Pd-H通道开启后进一步加氢生成仲胺，若Pd-H通道关闭，则亚胺稳定存在。在仲胺转化为叔胺的过程中，当Pd-H通道关闭时仲胺保持不变（路径B和E）。当Pd-H通道开启时，分别生成两个新甲基取代的叔胺（路径A）或一个甲基和一个任意烷基取代的叔胺（路径F）。受位阻效应影响，即使施加更高电压，长链烷基（C_n，n≥2）也无法接入仲胺（路径C和D）。    

图5. Pdδ−-H电催化剂上可编程胺烷基化。