论文DOI：10.1021/acs.accounts.0c00842颜宁教授课题组在生物质炼制化学品和材料领域已有十余年的研究。本文主要介绍了该课题组在生物质转化制备高附加值有机含氮化学品方面的最新研究进展，提出了“木质纤维素/废弃油脂生物质整合氨制备含氮化学品”以及“天然甲壳素生物质制备含氮化学品”的两种主要策略，系统地论述了针对不同生物质原料和目标产物的催化剂设计方法，探讨了催化剂结构与活性的关系，阐述了反应路径和机理。
本文被选为补充封面（Supplementary Cover）从小分子乙醇胺到大分子尼龙，有机含氮化学品是一类对于现代社会至关重要的化工产品。比如，最畅销的200种处方药中，含氮化学品大约占据80%；最常用的10种农业化学品也均含有氮原子。然而，目前这类含氮化学品的生产方法几乎完全依赖于不可再生的化石资源。可再生生物质资源储量丰富、廉价易得，近年来利用生物质资源制备燃料和含氧化学品已经取得显著进展。整合利用各种生物质资源来替代化石资源制备含氮化学品，不仅能够减少合成过程的碳排放，而且能够使生物质炼制的产物更加多元化，从而增加生物质炼制的经济竞争力。假如能有效利用生物质原料中天然的含氧基团，还能缩短含氧有机氮化学品的制备路径，提高反应效率。另外，若使用天然含氮生物质作为原料，则无需添加额外氮源、避开高能耗的合成氨步骤，直接制备含氮化学品。本文提出了两种主要策略来转化生物质制备含氮化学品：一种是使用不含氮的木质纤维素或脂类生物质资源，结合氨分子来制备含氮化学品。此类生物质资源通常含有较多的含氧功能团，尤其是羟基基团，因此，如何将含氧基团与氨耦合生成含氮基团是研究重点。另一种方法是使用天然含氮甲壳素生物质直接制备含氮化学品。甲壳素生物质是储量仅次于纤维素的第二大生物质资源，其高分子侧链的酰胺键中天然含氮。通过创新性的反应路径设计，它可以作为单一原料用于制备多种含氮化学品。利用这两种策略，通过催化体系的合理设计，我们成功地转化了一系列生物质及生物质衍生品获得了胺类、氨基酸、乙腈类、氮杂环类等多种高附加值含氮化学品。生物质制备含氮化学品包括“木质纤维素/废弃油脂生物质整合氨制备含氮化学品”以及“天然甲壳素生物质制备含氮化学品”两个方向。两种策略中碳源均来自于可再生的生物质资源。第一种策略中氮源来自于合成氨，第二种策略中的氮源来自于甲壳素的天然固氮。目前工业上制备含氮化学品主要通过炼制化石资源得到中间物，然后与氨或者氨衍生的其他氮源偶联制备不同的含氮化学品（如图1所示）。该方法存在碳排放高、不可持续、能耗高、效率低等问题。例如，简单小分子吡咯的制备需要首先由石油炼制获取石脑油，然后在大于750度的高温下蒸汽裂解石脑油获得1，3-丁二烯。之后，1，3-丁二烯被催化氧化获得呋喃，最后呋喃与氨分子在固体酸催化剂作用下合成吡咯目标产物。由此可见，从石油制备含氮化学品不仅碳排高，并且反应路径长、总体产率较低。为解决上述问题，我们提出以可再生生物质为原料制备含氮化学品（如图2所示）。在第一种策略中，木质纤维素或纤维素类衍生平台化合物作为主要碳源，与氨进行整合。在第二种策略中，选取甲壳素这类独特的生物质资源，利用其自身的碳源和氮源来制备多种含氮化学品，无需添加额外氮源。基于此，一系列高值含氮化学品得以成功制备。木质纤维素生物质衍生化合物种类繁多，为含氮化学品的制备提供了一个较为庞大的化学品库。同时，甘油作为一种生物柴油炼制的副产物，也是一种制备含氮化学品的合适原料。我们以多种木质纤维素衍生的α-羟基酸为原料在Ru/CNT催化作用下与氨整合，制备了多种高值α-氨基酸（图3）。在最优条件下，大于60%的丙氨酸可以从纤维素衍生的乳酸制备获得。以葡萄糖为原料，采用两步法以乳酸为中间体制备丙氨酸的产率也能够达到43%。该工作为转化生物质原料制备高值氨基酸提供了一种有效路径，为未来转化农林废弃物获得蛋白质提供了可能性。之后，我们开发了一种光化学催化法，以硫化镉为催化剂，在50度温和条件下转化α-羟基酸制备α-氨基酸（热催化方法温度为220度左右）。光催化剂的形貌对于反应性具有显著影响，硫化镉纳米层状催化剂的活性比其他形貌的催化剂大约高一个数量级。除了木质纤维素衍生物，我们利用Ru1Ni7/MgO和NaOH的协同催化作用，转化甘油制备了丙氨酸。该多功能催化体系能够有效促进甘油的脱氢、脱水、重整和氨化系列反应，获得高产率的丙氨酸产物。图3 催化转化生物质衍生的α-羟基酸制备α-氨基酸以及潜在的后续加工升级用于制备蛋白质。使用廉价的Ni/Al2O3催化剂在无氧条件下转化生物质衍生醇类制备相应的腈类化学品（图4）。使用双金属催化剂NiCu/Al2O3能够进一步提高反应活性。根据密度泛函理论的计算结果，不同的双金属催化剂活性的趋势符合Brønsted-Evans-Polanyi(BEP) 原理，即低反应焓对应着低活化能垒。NiCu比Ni反应活性更好的原因可能在于双金属催化剂具有更低的反应焓，因此其活化能垒更低。这项发现也许有助于解释各种催化剂的催化活性，适用于在制备含氮化学品的不同路径中C-H活化步骤是决速步的反应。图4 (a) 镍催化醇类转化制备腈类产物的反应路径；(b) 甲醇和甲醛 + H在NiCu催化剂上的吸附构象；(c) Ni和NiCu在有氨和无氨情况下的Ea和ΔE的计算值之间的关系。此外，生物质衍生的糠醛可以通过脱羰、氨化两步反应转化为吡咯杂环类化学品（图5），总体产率可达75%。Pd@S-1催化剂中的Pd纳米粒子被包裹在沸石的孔径中，能够有效的促进糠醛的脱羰反应得到呋喃。其反应活性远远大于在载体外部担载的Pd纳米粒子催化剂。接着，酸性沸石H-β被用于催化呋喃与氨的反应制备吡咯。由于此两种催化剂的最优反应温度不同，我们设计了一种双层反应器（包含两个温度区间）来完成糠醛到吡咯的转化，从而得到最高产率。之后，获得的吡咯作为一种平台分子，可通过碱催化羧化反应和Rh催化加氢反应两步法转化制备脯氨酸。具有手性的D-脯氨酸也可以通过野生型大肠杆菌的处理而获得。图5 (a) 使用不同Pd催化剂时的转化率和产物分布；(b) 双层催化剂反应器设计。在第二种策略中，甲壳素生物质广泛存在于甲壳类动物外壳、细胞外壁和一些真菌外壁中，它可以作为单一原料提供合成所需的碳源和氮源。天然甲壳素高分子通常结晶度高、分子量高，一般需要强酸强碱来去高分子化获得乙酰氨基糖或氨基糖小分子含氮化学品。我们建立了一种碱催化球磨甲壳素的方法，协同利用机械和化学力，转化甲壳素高分子制备低分子量的壳聚糖产物。该方法的碱用量为常规方法的十分之一、产物分布更为集中，且产物分子量和乙酰度可通过球磨参数调控。为了降低酸/碱的用量，我们还利用了不同的溶剂效应，使用酸化卤化锂熔融盐水合物溶剂、水-有机溶剂双体系、乙二醇、甲酸溶剂等水解甲壳素高分子制备了多种乙酰氨基糖/氨基糖及其衍生物小分子含氮化学品。同时，采用水解-脱乙酰化-氧化的反应策略，甲壳素生物质被成功转化为氨基葡萄糖酸。甲壳素生物质转化制备结构差异大的其他含氮小分子化学品需要创新性的反应设计。为了得到高附加值的氨基酸产物，我们采用一种生物与化学方法结合的反应设计（如图6），首先酸球磨预处理废弃虾壳获得水溶性的甲壳素和蛋白质水解物，之后用甲壳素酶将寡糖转化为单糖或二糖，进行进一步的发酵反应，最终获得酪氨酸和L-DOPA（一种用于治疗帕金森的前线药物）。图6 生物与化学方法结合转化废弃虾壳中的甲壳素生物质制备酪氨酸和L-DOPA。甲壳素高分子的水解-脱水反应能够得到一种含氮呋喃平台化合物（缩写为3A5AF），类似于纤维素炼制中的5-羟甲基糠醛，3A5AF可以被进一步加工为其他有用的含氮化学品（如图7）。我们发现硼酸和氯化盐的混合物能够有效促进甲壳素生物质脱水获得3A5AF，并且离子液体或双极性非质子溶剂是最佳反应溶剂。但由于甲壳素的高结晶度，直接反应得到的产率较低在7.5%左右。为了提高反应产率，我们对五种不同的甲壳素预处理方法进行了系统性研究，并分析了结构-反应活性间的关系。采用干法球磨法能够有效的降低甲壳素的结晶度，从而在更为温和的反应条件下将产率提升至28.5%。获得了较高产率的3A5AF后，我们和新西兰奥克兰大学的合作者Sperry教授合作，以3A5AF为平台化合物获得了一系列更为复杂的含氮化学品，包括proximicins（抗癌药物前体），3-氨基呋喃类，2-氨基糖类等多种产物，展示了甲壳素炼制平台化合物，再从平台化合物到更多种多样的含氮化学品的可能性。图7 (a) 甲壳素制备3A5AF的反应路径；(b) 3A5AF加工为其他含氮化学品。基于以上评述，开拓生物质炼制的边界制备含氮化学品是一种减少化石资源消耗、多样化生物基化学品、提升生物质炼制经济竞争力的重要研究领域。作为一个新兴的领域，生物质制备含氮化学品存在着许多挑战与机遇：(1) 催化剂设计是转化生物质制备各种含氮化学品中最根本的环节，开发有效催化体系才能够实现高产率、高选择性的产物合成。因此，深入研究反应机理以及催化剂在反应中所起到的作用，对于未来催化剂的合成与设计具有至关重要的指导作用。(2) 在传统有机化学范畴，胺化反应存在显著的溶剂效应。在生物质的胺化反应研究中，大多数生物质原料不溶于非极性溶剂。受限于此，关于溶剂效应的研究仍旧缺乏。溶剂（或者极性溶剂）是如何影响反应选择性和活性，需要进一步的系统性研究。(3) 生物质制备含氮化学品的经济性分析以及生命周期评估是十分必要的，基于分析数据，在设计合成路径时应优先选择经济性高、环境影响小的目标含氮产物。同时，综合性的反应策略（例如生物转化和化学转化方法的结合）值得更多地尝试，用以提高整体反应效率和实现高附加值产物的生成。(4) 基于目前庞大的研究数据库（例如Reaxys库，大于5千万个可尝试的反应），逐一的人工尝试来耦合生物质或生物质平台化合物和氨分子变得低效且几乎不可能完成。利用大数据和人工智能方面的技术，开发自动化、智能化的工具来检验已有文献、识别潜在的新反应路径具有重要意义。(5) 生物质转化制备含氮化学品后端的产物分离和提纯技术，需要更进一步的研究，来降低整个流程的成本投入。
(1) Yan, N.; Chen, X. Sustainability: Don’t waste seafood waste. Nature 2015, 524, 155-157.
(2) Chen, X.; Yang, H.; Zhong, Z.; Yan, N. Base-catalysed, One-step Mechanochemical Conversion of Chitin and Shrimp Shells into Low Molecular Weight Chitosan. Green Chem. 2017, 19, 2783-2792.
(3) Deng, W.; Wang, Y.; Zhang, S.; Gupta, K. M.; Hulsey, M. J.; Asakura,H.; Liu, L.; Han, Y.; Karp, E. M.; Beckham, G. T. Catalytic Amino Acid Production from Biomass-derived Intermediates. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2018, 115, 5093-5098.
(4) Yan, N.; Wang, Y. Catalyst: Is the Amino Acid a New Frontier for Biorefineries? Chem, 2019, 5, 739-741.
(5) Ma, X.; Gozaydın, G.; Yang, H.; Ning, W.; Han, X.; Poon, N. Y.;Liang, H.; Yan, N.; Zhou, K. Upcycling Chitin-containing Waste into Organonitrogen Chemicals via an Integrated Process. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2020, 117, 7719-7728.
(6) Song, S.; Fung, K. Y. V.; Di, L.; Sun, Q.; Zhou, K.; Yan, N. Integrating Biomass into the Organonitrogen Chemical Supply Chain: Production of Pyrrole and d-Proline from Furfural. Angew. Chem. 2020, 132, 20018-20022.
(7) Song, S.; Qu, J.; Han, P.; Hulsey, M. J.; Zhang, G.; Wang, Y.; Wang,S.; Chen, D.; Lu, J.; Yan, N. Visible-light-driven Amino Acids Production from Biomass-based Feedstocks over Ultrathin CdS Nanosheets. Nat. Commun. 2020, 11,4899.
(8) Wang, Y; Furukawa, S.; Song, S.; He, Q.; Asakura, H.; Yan, N.Catalytic Production of Alanine from Waste Glycerol. Angew. Chem. Int. Ed., 2020,59, 2289-2293.
(9) Mondelli, C.; Gozaydın, G.; Yan, N.; Pérez-Ramírez, J. Biomass Valorisation over Metal-based Solid Catalysts from Nanoparticles to Single Atoms. Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 3764-3782.
(10) Wang, Y.; Furukawa, S.; Fu, X.; Yan, N. Organonitrogen Chemicals from Oxygen-containing Feedstock over Heterogeneous Catalysts. ACS Catal. 2020, 10, 311-335.
陈熙，本科和硕士毕业于武汉大学化学与分子科学学院，博士毕业于新加坡国立大学颜宁教授课题组。2018年入职上海交通大学，现任中英国际低碳学院副教授。长期从事甲壳素、纤维素生物质资源化利用方面的研究工作，目前以第一作者/共同一作/通讯作者共发表SCI论文30余篇，封面文章5篇，论文总被引次数>2000次 (数据来源Scopus)，H因子21。https://lcc.sjtu.edu.cn/Data/View/739宋松，2017年博士毕业于南开大学关乃佳教授课题组，2017年-2020年在新加坡国立大学颜宁教授课题组做博士后。2020年入职天津大学，现任化工学院副教授，长期从事多相催化C-N偶合反应和催化生物质制备有用化学品方面的工作。
目前评论：0