Lewis酸催化纖維素制乳酸機理研究

郝睿，關偉翔,＊，劉菲，張磊磊，王愛琴,2,＊

1中國科學院大連化學物理研究所，中國科學院航天催化與新材料重點實驗室，遼寧 大連 116023

2中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室，遼寧 大連 116023

1 引言

由于化石資源的有限儲量以及其大量使用帶來的環(huán)境污染問題，從生物質出發(fā)制備綠色可降解材料的需求變得日益迫切。在眾多生物質基產(chǎn)品中，乳酸及其衍生物丙交酯是最具潛力的可再生單體之一，目前有大量聚乳酸材料被應用在生產(chǎn)生活中1-5。預計到2025年，全球乳酸市場需求量將增長到196萬噸，價值約100億美元6。因此，探索經(jīng)濟高效的乳酸合成方法在綠色化學領域具有重要意義。工業(yè)上目前主要是通過糖類的生物發(fā)酵工藝來生產(chǎn)乳酸，而直接利用秸稈等纖維素基生物質來生產(chǎn)乳酸還面臨嚴峻的技術經(jīng)濟挑戰(zhàn)7。

與傳統(tǒng)的生物發(fā)酵方式相比，化學催化方式可允許纖維素基生物質原料的直接轉化。利用多功能催化體系，通過“一鍋法”直接將生物質轉化為高附加值的燃料和化學品成為近年來研究的熱點8-12。依據(jù)現(xiàn)有的報導，纖維素催化制備乳酸是經(jīng)典的酸催化過程。2011年，Nadine Essayem等人利用AlW及ZrW體系實現(xiàn)了纖維素到乳酸的轉化，乳酸產(chǎn)率可達28%。研究者發(fā)現(xiàn)，對于纖維素高溫降解過程，水的作用是通過其電離出的高濃度H+來促進纖維素的溶解和水解過程13。在此基礎上，2019年，Van Chuc Nguyen等人對ZrW體系催化纖維素制備乳酸進行了更深入的研究，研究過程中分別合成了ZrO2，ZrO(OH)，未煅燒和煅燒的ZrW催化劑，通過酸度測試及催化實驗發(fā)現(xiàn)，反應過程中Zr4+以及催化劑表面的OH-起到了酸堿協(xié)同催化的作用，引入W可以調控催化劑表面的羥基數(shù)目14。Ning Shi等人利用共沉淀的方法合成了Al2(WO4)3催化劑并將其應用到纖維素到乳酸的轉化中，經(jīng)過條件優(yōu)化最終可得到46%的乳酸產(chǎn)率15。Al2(WO4)3體系中，催化劑在反應中會有流失，小部分Al-W溶解在水中。為了驗證活性位點，作者分別用含有流失催化劑的水溶液，新鮮催化劑以及回收過的催化劑與空白實驗進行對比，最終發(fā)現(xiàn)，在含有流失催化劑的溶液中，乳酸產(chǎn)率只有2%，接近空白對照組，結果說明，真正起催化作用的是固體催化劑上的Al-W協(xié)同作用位點。除Al-W體系外，Sn-β沸石及改性的Sn-β沸石也是一類催化纖維素到乳酸的經(jīng)典催化劑。Meng Xia等通過硝酸脫鋁后再浸漬其它金屬的方法制備了分別由Cr、Mn、Cu、Co、Ni修飾的Sn-β沸石，并用于催化纖維素到乳酸的反應。結果發(fā)現(xiàn)Cr修飾的Sn-β沸石具有較好的催化效果，當Cr-Sn摩爾比為0.5時，乳酸收率達到33.4%16。

相比以上的非均相催化體系，均相催化體系具有更高的反應效率，而且更有利于機理研究。Fen-Fen等人發(fā)現(xiàn)所有鑭系金屬的三氟甲磺酸鹽都可以催化纖維素到乳酸的反應，通過對比從Lu到La的三氟甲磺酸鹽催化纖維素制備乳酸效果，得出如下規(guī)律：催化活性隨金屬離子半徑減小而增大，其中Er(OTf)3催化纖維素轉化乳酸產(chǎn)率最高，達到63%17。此外，作者還發(fā)現(xiàn)，當分別利用纖維二糖、葡萄糖、果糖、二羥基丙酮(DHA)作為底物時，乳酸產(chǎn)率有明顯差異。以DHA作為底物時，乳酸產(chǎn)率顯著提高，可達90%，說明最終影響催化效果的過程為葡萄糖到果糖的異構化或果糖斷鍵生成C3產(chǎn)物的過程。王野課題組發(fā)現(xiàn)以氯化鉛為催化劑，在均相條件下催化纖維素到乳酸可獲得乳酸產(chǎn)率大于60%的結果。此外，作者利用理論計算結合實驗驗證，對纖維素制備乳酸的機理過程進行了詳細闡述8。在后續(xù)研究中，作者發(fā)現(xiàn)利用Al3+-Sn2+兩種金屬離子組合催化，可以達到更好的效果，以果糖為底物乳酸產(chǎn)率可達90%，以纖維素為底物乳酸產(chǎn)率可達65%18。2020年，胡常偉課題組發(fā)現(xiàn)，與鑭系金屬同族的釔也同樣具有很好的催化效果，YCl3催化纖維素到乳酸的過程可得到63%的乳酸收率19。

雖然目前纖維素轉化制乳酸研究成果較為豐富，但對機理過程的研究較少，反應機理尚未完全明確。對于纖維素到乳酸的轉化過程，目前較公認的反應機理如下：首先纖維素在高溫高壓弱酸性環(huán)境中水解為葡萄糖，隨后葡萄糖在Lewis酸的催化下發(fā)生1,2-shift異構化變?yōu)楣?0，果糖經(jīng)過Retro-aldol反應斷鍵生成一分子二羥基丙酮(DHA)和一分子DL-甘油醛(GLY，兩者在Lewis酸條件下可相互轉化)，最后二羥基丙酮通過1.2-shift或烯醇互變過程生成乳酸8。對于二羥基丙酮生成乳酸的過程是通過1.2-shift還是烯醇互變的方式目前尚不能明確。

基于以上研究背景，本工作利用核磁同位素實驗及質譜實驗詳細地研究了纖維素到乳酸的機理過程，提出了由二羥基丙酮生成乳酸的過程是一個烯醇互變的過程，而非1,2-shift過程。

2 實驗部分

分別以二羥基丙酮(99%，百靈威)，5-羥甲基糠醛(98%，安耐吉)，果糖(99%，百靈威)，葡萄糖(99%，Sigma-Alrdich)為底物。取80 mg底物置于核磁管中，5% mmol催化劑(99%，百靈威)，加入0.5 mL D2O (99.9% D，百靈威)或EtOD-d1(＞ 99.5% D，Apollo)，指定溫度下反應指定時間后冷卻進行核磁測試(Bruker AVANCE III HD (400 MHz))。

3 結果與討論

3.1 纖維素“一鍋”法催化轉化制乳酸的反應研究

通過控制單一變量的方式首先對Sc(OTf)3催化纖維素到乳酸的過程進行了研究，發(fā)現(xiàn)當纖維素濃度為1% (質量分數(shù))，反應溫度為473-533 K，反應時間為30 min時，乳酸產(chǎn)率基本穩(wěn)定在28%-29%，其它主要副產(chǎn)物包括乙酰丙酸、甲酸、乙酸以及腐殖質，總有機酸的收率保持在55%-60% (見圖S1a-c)。同時，通過對不同底物的催化反應研究發(fā)現(xiàn)利用葡萄糖及果糖作為底物與纖維素底物區(qū)別較小，利用5-羥甲基糠醛(HMF)為底物時，乳酸產(chǎn)率為零，當利用DHA為底物時乳酸產(chǎn)率提升到了70% (見圖S1d)。說明在整個反應過程中，HMF是一個副產(chǎn)物，反應一旦生成HMF將不會再向乳酸的方向繼續(xù)轉換，而決定乳酸收率的步驟并不是二羥基丙酮(DHA)到乳酸的過程。

進一步以果糖為底物考察了不同Lewis酸催化果糖到乳酸的過程。如圖1所示，乳酸的收率大小順序依次為Y(OTf)3≈ Er(OTf)3＞ Sc(OTf)3＞Al(OTf)3，其中Y(OTf)3和Er(OTf)3催化劑上可以獲得大于50%的乳酸收率。結合pH及離子半徑(Al3+[0.054 nm] ＜ Sc3+[0.075 nm] ＜ Y3+[0.09 nm] ＜ Er3+[0.103 nm])21兩方面，我們發(fā)現(xiàn)弱酸性條件(pH =5左右)更利于果糖到乳酸的轉化，酸性過強可能導致較多的副反應發(fā)生22，更容易使反應向著生成乙酰丙酸的方向移動，其中酸性最強的Al(OTf)3催化劑上乙酰丙酸產(chǎn)率為20.5%，遠高于其它催化劑。

圖1 不同Lewis酸催化果糖反應性能Fig. 1 Catalytic performance for the conversion of fructose over different Lewis acid catalysts.

3.2 纖維素制備乳酸的反應機理和關鍵步驟研究

纖維素到乳酸的轉化過程如(圖2所示)：首先纖維素在高溫高壓弱酸性環(huán)境中水解為葡萄糖，隨后葡萄糖在Lewis酸的催化下發(fā)生1,2-shift異構化變?yōu)楣?0，果糖經(jīng)過Retro-aldol反應斷鍵生成一分子1,3-二羥基丙酮(DHA)和一分子DL-甘油醛(GLY)，最后羥基丙酮通過1.2-shift或烯醇互變過程生成乳酸8。為了更好的揭示機理過程，分別利用葡萄糖、果糖、DHA為底物通過1H，13C NMR以及GC-MS的監(jiān)測手段，研究葡萄糖到果糖的異構化，果糖斷鍵及DHA到乳酸的反應過程。

圖2 纖維素到乳酸過程示意圖Fig. 2 Schematic illustration of the cellulose conversion into lactic acid.

3.2.1 葡萄糖到果糖的異構化過程

對于葡萄糖到果糖的異構化部分，目前研究較多，Sn-β-沸石、CrCl3、AlCl3等多種經(jīng)典的Lewis酸均可催化這個過程23-25。對于葡萄糖到果糖的異構化過程是通過脫氫機理還是氫轉移的1,2-shift過程，一直存在爭議。直到2010年Yuriy Romn-Leshkov利用2位氘代的乙醇，用Sn-分子篩作為催化劑，首次在核磁反應中證實了葡萄糖異構化的過程是一個1,2-shift的氫轉移過程20。后續(xù)研究中，王野等人的理論計算結果也與Yuriy Romn-Leshkov報道的內容相吻合8。

利用核磁監(jiān)測反應，在423 K溫度下分別測試了Sc(OTf)3，Y(OTf)3，Al(OTf)3三種Lewis酸催化劑對于葡萄糖到果糖催化過程。對于Sc3+催化劑的核磁反應，反應液20 min后開始變色，到60 min時反應液完全變成黑褐色，生成大量腐殖質。1H，13C NMR結果(圖3a,b)說明在從室溫加熱到423 K時，即零分鐘開始，已經(jīng)有少部分葡萄糖開始轉化為果糖。隨著反應時間延長，葡萄糖逐漸轉化為果糖，同時一部分果糖繼續(xù)轉化為5-羥甲基糠醛(HMF)、甲酸(FA)及乙酰丙酸(LA)等其它產(chǎn)物，在核磁氫譜化學位移9.5、8.2、2-3之間分別出現(xiàn)HMF、FA、LA的特征峰，隨著反應時間延長，副產(chǎn)物也逐漸增加。

對于Al3+催化的核磁反應(圖3c,d)，反應液的顏色變化趨勢以及各中間物種出現(xiàn)的時間與Sc3+類似，但化學位移9.5處的HMF特征峰明顯高于Sc3+催化的反應，說明Al3+更易于使生成的果糖繼續(xù)向HMF的方向轉化，這可能也是導致圖1中Al3+催化果糖轉化生成乳酸收率最低、而生成乙酰丙酸最多的原因。

Y3+催化的核磁反應效果最好(圖3e,f)，直到60 min時反應液才變成褐色。對比三個金屬離子催化劑的核磁反應氫譜可以發(fā)現(xiàn)，Y3+催化的過程中，化學位移9.5、8.2、2-3之間的副產(chǎn)物特征峰很小，說明與其它兩種催化劑相比，Y3+不僅易于催化葡萄糖到果糖的異構化過程，同時能起到穩(wěn)定生成的果糖的作用，抑制果糖向HMF方向的轉化。

圖3 (a，b) Sc3+、(c，d) Al3+和(e，f) Y3+催化葡萄糖到轉化過程1H和13C NMR譜圖Fig. 3 The 1H and 13C NMR spectra of (a, b) Sc3+, (c, d) Al3+ and (e, f) Y3+ catalyzed conversion of glucose.

根據(jù)核磁反應結果定性分析，對于葡萄糖到果糖異構化的過程，幾種Lewis酸的催化活性如下：Y(OTf)3＞ Sc(OTf)3，Y(OTf)3＞ Al(OTf)3。對比幾種金屬離子催化纖維素到乳酸的過程(表S1)，Y3+催化纖維素到乳酸的效果優(yōu)于Sc3+和Al3+，說明葡萄糖到果糖異構化的步驟對最終乳酸產(chǎn)率有關鍵的影響。

3.2.2 果糖斷鍵過程

對于果糖到1,3-二羥基丙酮(DHA)及DL-甘油醛(GLY)的過程，我們分別利用核磁同位素實驗以及二丙酮醇為模型化合物研究。為了在質譜上有更好的辨識度，溶劑選用氘代乙醇-d1，以Y(OTf)3作為催化劑。通過13C NMR以及GC-MS測試發(fā)現(xiàn)，果糖作為底物時最終得到的乳酸與DHA作為底物時得到的乳酸氘取代的情況一致，說明在果糖斷鍵的過程中溶劑并沒有直接參與反應，而是只起到了輔助的作用(見圖4)。

圖4 果糖到乳酸過程圖Fig. 4 Conversion of fructose into lactic acid.

結合核磁反應結果和目前已報導的Retroaldol反應過程機理，推測果糖到DHA及GLY的機理過程如下：Lewis酸活化果糖2位上的羰基，使羰基發(fā)生電子轉移，導致3,4位中間的碳碳鍵發(fā)生電子對轉移，碳碳鍵斷裂，最終生成一分子DHA及一分子GYL (圖5).

圖5 果糖Retro-aldol過程可能機理圖Fig. 5 Possible mechanism of fructose Retro-aldol reaction.

為了更好的探究果糖的Retrol-aldol過程，采用簡化模型的方法，以骨架與果糖3,4位相似的二丙酮醇作為模型化合物。通過比較不同Lewis酸(Al3+[0.054 nm]，Sc3+[0.075 nm]，Y3+[0.09 nm])催化下二丙酮醇的Retro-aldol反應活性21，研究發(fā)現(xiàn)Sc3+的催化效果較佳，遠高于同族的Y和第三主族的Al。在Lewis酸催化的Retro-aldol反應過程中，Lewis酸的離子半徑可能影響到其Lewis酸性，進而影響其催化性能。為了探究離子半徑的影響，我們選擇與Sc3+半徑相似的Zn2+[0.074 nm]進行實驗(圖6)，Zn2+對Retro-aldol過程同樣有較佳的催化效果，優(yōu)于Y3+和Al3+的催化效果。說明Retro-aldol與Lewis酸的離子半徑關聯(lián)度極高，其中Sc3+及離子半徑接近Sc3+的元素對Retro-aldol過程有更好的催化效果。對Retro-aldol過程的催化效果排序為：Sc3+＞ Zn2+＞ Y3+＞ Al3+。

圖6 模型化合物retro-aldol制備丙酮過程時間產(chǎn)率關系圖Fig. 6 The yield of acetone as a function of time for the retro-aldol of diacetone alcohol.

3.2.3 DHA到乳酸的轉化過程

在DHA到乳酸的催化過程中各Lewis酸的催化效果如表1所示，乳酸產(chǎn)率：Al3+(88.3%) ＞Y3+(73.0%) ＞ Sc3+(70.2%), 而在纖維素到乳酸的轉換過程中各Lewis酸的催化活性排序為(見表S1)：Y3+＞ Sc3+，Y3+＞ Al3+。由此可見，果糖斷鍵的Retro-aldol過程以及DHA到乳酸的過程并不是決定整個串聯(lián)反應催化選擇性的關鍵步驟，進一步說明了決定乳酸收率的關鍵為葡萄糖到果糖的異構化。

表1 DHA到乳酸的催化過程中各Lewis酸的催化效果表Table 1 The catalytic performance for the conversion of DHA to lactic acid over various Lewis acid catalysts.

對于DHA到乳酸的過程，反應機理仍未明確。王野課題組通過理論計算結合實驗發(fā)現(xiàn)，DHA在Lewis酸催化下可異構化為GLY，隨后GLY經(jīng)過脫水得到結構2 (見圖7)，在Lewis酸催化下結構2發(fā)生烯醇互變得到結構4的醛酮結構，結構4中醛基被一分子水加成，得到縮醛結構的5，接下來結構5再通過一個烯醇互變(K-E)或1.2-shift的過程，得到乳酸8。根據(jù)理論計算的結果，烯醇互變(98.36 kJ·mol-1)及1.2-shift (97.11 kJ·mol-1)過程能量很相近，因此對于醛酮結構到乳酸的過程是經(jīng)歷烯醇互變還是1.2-shift過程尚不明確。在此，我們利用核磁同位素標記的方法，分別利用氘水(D2O)及氘代乙醇(EtOD-d1)作為溶劑，通過1H、13C NMR以及GC-MS解決了這個問題，通過實驗明確的證實了縮醛5結構到乳酸的過程經(jīng)歷的是一個烯醇互變的過程，而不是1.2-shift。

首先，我們推衍了基于兩種轉化方式下的同位素實驗結果(圖7中)，在縮醛結構5通過烯醇互變方式轉化為乳酸的過程中，在同位素實驗下，生成的乳酸中次甲基位置將被氘代，甲基位置將發(fā)生一氘代，活潑氫被完全氘代；而縮醛結構5通過1,2-shift方式轉化為乳酸的過程中，只有甲基位置被一氘代，活潑氫被完全氘代，次甲基位置不會發(fā)生氘代。因此，只要通過實驗的方式證明次甲基位置的狀態(tài)就可以明確反應發(fā)生的機理。

圖7 不同反應機理下的氘代產(chǎn)物分布Fig. 7 The deuterated products based on two possible mechanisms.

接下來我們分別在氘代水及氘代乙醇中進行了同位素實驗以探究機理過程。為防止反應條件下產(chǎn)物乳酸與氘代水及氘代乙醇發(fā)生氘交換而干擾實驗結果，研究中首先進行了空白實驗，如下圖8示，在反應條件下，乳酸在氘代水及氘代乙醇-d1中加熱30 min，其中甲基及次甲基位置均未發(fā)生氘代，只有活潑氫被完全氘代，說明在反應條件下乳酸不會與氘代溶劑發(fā)生除活潑氫部位外的氘氫交換，因此不會干擾到實驗結果。接下來分別在氘代水及氘代乙醇中進行同位素實驗，由1H、13C NMR以及GC-MS確定產(chǎn)物結構。通過對核磁譜圖的分析，結合質譜結果，發(fā)現(xiàn)同位素實驗得到的乳酸為甲基，次甲基均被一氘代，活潑氫被完全氘代的結構，詳見圖S2-S8。

圖8 (a) DHA在氘水中反應產(chǎn)物結構圖及乳酸空白對照實驗；(b) DHA在氘代乙醇中反應產(chǎn)物結構圖及乳酸空白對照實驗Fig. 8 (a) The reaction product of DHA in deuterated water and the lactic acid control experiment; (b) The reaction product of DHA in deuterated ethanol and the lactic acid control experiment.

同位素實驗得到的結果說明DHA生成乳酸的過程經(jīng)過了一個烯醇互變過程，而不是1.2-shift。至此，整個機理過程已經(jīng)明確，如圖7所示：首先，在Lewis酸的催化下DHA發(fā)生異構化生成GLY，隨后GLY相鄰的羥基在Lewis酸的作用下脫去一分子水，生成α,β-不飽和結構，α,β-不飽和結構在Lewis酸的催化下發(fā)生烯醇互變(K-E)，生成不飽和醛酮結構，一分子水在Lewis酸催化下對其進行加成得到二醇結構，次甲基位置的氘發(fā)生轉移，最后經(jīng)烯醇互變過程，最終得到被氘代的乳酸。

4 結論

綜上，本工作明確揭示了纖維素到乳酸的完整機理過程。纖維素制乳酸包括多個串聯(lián)反應和競爭反應，主要的串聯(lián)反應包括纖維素水解到葡萄糖，葡萄糖異構化為果糖，果糖經(jīng)過Retro-aldol斷裂成甘油醛和DHA，而DHA或甘油醛通過烯醇互變轉化為最終產(chǎn)物乳酸。在纖維素一鍋法制備乳酸的過程中(見表S1，S2)，幾種金屬離子的催化活性順序如下：Y3+＞ Al3+＞ Sc3+；在葡萄糖-果糖的異構化轉化過程中，通過核磁反應定性分析得到催化活性為：Y3+＞ Al3+，Y3+＞ Sc3+；在果糖的Retro-aldol過程中，催化活性順序為：Sc3+＞Y3+＞Al3+；在DHA到乳酸轉化過程中，催化活性順序為：Al3+＞ Y3+＞ Sc3+。只有葡萄糖異構化生成果糖的過程，其催化活性順序與纖維素到乳酸的一鍋反應一致，說明葡萄糖到果糖的異構化反應決定了最終生成乳酸的選擇性。本工作為深入理解纖維素轉化制備含氧小分子化學品的反應機理提供借鑒意義及科學基礎。

Supporting Information:available free of charge via the internet at http://www.whxb.pku.edu.cn.