論文DOI：10.1002/anie.202004174 利用三維剛性四咪唑鹽前體與金屬銥前體，通過自負載策略，我們制備了具有較大比表面積的三維多孔自負載催化劑，有效抑制了相應均相催化劑在反應過程中因團聚而導致的失活，在以山梨醇為代表的生物質多醇的氧化脫氫反應中實現了乳酸的高效（97%）、高選擇性（>99%）制備。通過反應機理研究及DFT計算，闡明了山梨醇等生物質多醇通過[2+4]和[3+3]兩種碳-碳鍵斷裂方式制備乳酸過程中反應途徑和能量的異同。研究表明Ba(OH)2、甲醇、自負載催化劑三者間的協同是取得反應高效、高選擇性的關鍵。
近十幾年來為減少對化石資源的依賴，通過廉價、可再生的生物質作為原料來高效制備燃料和高值化學品引起了人們的廣泛關注。譬如，通過對種植業廢料、木質素、纖維素、半纖維素的水解可以方便得到生物多醇，如山梨醇、木糖醇、甘露醇等。如何從山梨醇等廉價易得的生物質可再生碳源通過過渡金屬催化高選擇性、高效、綠色的轉化為多種高附加值精細化學品（如乳酸、丙烯酸、丙交酯等）成為近年來的研究熱點。尤其是隨著生物可降解的聚乳酸需求量的逐年猛增，使得其原料乳酸的市場需求與工業酶催化制備乳酸產能間的供需矛盾日益突出。如何利用生物質多醇通過高效、高選擇性、綠色的化學轉化制備乳酸成為當前亟待解決的問題。山梨醇等生物質多醇到乳酸的轉化反應機理復雜、副產物多、催化劑容易失活，因此是一類極具挑戰性的催化轉化反應。目前，可通過氧化和脫氫兩種途徑實現這一反應。然而，即使是在高溫高壓的條件下，這兩種方法制備乳酸的產率、選擇性仍然較低，遠遠達不到工業生產的要求。目前最好的結果是耶魯大學Crabtree教授等人利用氮雜環卡賓銥化合物作為催化劑應用于山梨醇到乳酸的轉化，反應最高取得了40%的產率和82%的選擇性。然而，在反應中均相催化劑易自聚生成含有Ir-Ir鍵的失活物種，增大催化劑用量或者升高溫度會進一步導致催化劑的失活。盡管該反應催化效果并不理想，但該反應除生成乳酸外，還可得到清潔能源氫氣，因此具有很好的綠色可持續性。如何避免均相催化劑自聚失活成為山梨醇等生物多醇高效、高選擇性制備乳酸的瓶頸。自負載策略是近年來受到廣泛關注的一種優勢催化劑負載和制備策略，通過多齒配體和金屬離子的配位組裝在溫和條件下即可形成配位聚合物催化材料。其中金屬中心既是連接節點同時也是活性催化中心。由于固態環境中橋聯配體能有效隔離金屬活性中心，所得到的自負載催化劑能夠有效避免因催化中心自聚成簇而導致的催化劑失活。近年來利用自負載策略，我們及其他課題組設計合成了多種類型的自負載催化劑，在還原胺化、氧化脫氫、不對稱催化等多類反應中都表現出極好的催化活性和選擇性，大部分結果都高于相應均相催化劑，表明了自負載策略的有效性和可行性。基于以山梨醇為首的生物質多醇通過均相催化制備乳酸的研究現狀及存在的問題，我們希望通過自負載策略有效解決均相催化劑因自聚而導致的失活問題。但一維自負載催化劑對山梨醇到乳酸轉化的提升極為有限，考慮到多孔材料的孔道效應、尺寸效應及限域效應等有利于進一步提高反應活性和選擇性，我們設計合成了一系列新型三維多孔自負載催化劑，通過增加催化劑多孔性及比表面積，增強反應傳質傳熱，使得底物更易接近活性位點，達到提高反應活性和選擇性的目的。利用剛性的四苯基甲烷和四苯基金剛烷作為核心，通過Suzuki反應構筑了三維剛性四齒咪唑鹽，在溫和的條件下與金屬銥前體進行配位組裝制備得到了一系列多孔三維自負載催化劑。▲Figure 1. Oxidative dehydrogenation of sorbitol to LA. a) Previous work: Catalyzed by homogenous catalyst NHC-Ir 1 (yield was calculated based on 1 equiv. LA formed per sorbitol according to Ref 8a). b) This work: Catalyzed by self-supported catalysts 5-6 prepared by coordination assembly (yield was calculated based on 2 equiv. LA formed per sorbitol).
電鏡測試表明所制備的三維自負載催化材料是無規則的納米顆粒，EDS表明自負載催化劑中各元素均勻分散在聚合物網絡中，進一步的HAADF-STEM說明Ir呈原子級分散度。固體核磁13C譜和XPS分析表明自負載催化劑表現出與均相催化劑卡賓碳完全一致的化學信號。這些表征都說明三維自負載催化劑很好的保留了均相催化劑的性質。另外，氮氣吸附測得的三維自負載催化劑具有388 m2g-1的BET比表面積,比一維自負載催化劑（8 m2g-1）增大了近50倍，表明了三維自負載催化劑具有更好的多孔性和較大的比表面積。▲Figure 2. Morphology studies of catalyst 5a. a) SEM image of 5a. b) TEM image of 5a. c) EDS mapping of 5a. d) Magnified HAADF-STEM image of 5a, white dots represent individual Ir atoms, indicating that the iridium centers are atomically dispersed in the assembly matrix.
將所得三維自負載催化劑應用于山梨醇脫氫氧化制備乳酸的反應中，初步的催化劑篩選表明，相較于一維自負載催化劑、相應均相催化劑及其他常見Ir或Ru均相催化劑，三維自負載催化劑具有更高的反應活性和選擇性。因此，三維自負載催化劑所具有的高比表面積和孔性確實對于反應產率和選擇性都有較大的提升。進一步的條件篩選表明當以Ba(OH)2為堿時，反應后轉化率達到定量，選擇性達70%。最后，通過添加適量甲醇阻斷副反應的發生，可以進一步得到高達97%的乳酸產率。在最優反應條件下，催化劑可以循環使用10次以上而沒有催化活性和選擇性的顯著下降。
▲Figure 3. Optimization of reaction conditions and reusability of the catalyst for oxidative dehydrogenation of sorbitol to LA. a) Catalyst screening with 1.5 equiv. Ba(OH)2, 3 mmol D-sorbitol, 0.2 mol % catalyst, in 0.3 mL H2O at 160 °C for 6 hours. b) Influence of alcohol additives and temperatures. Reactions were carried out with 3 mmol D-sorbitol, 0.2 mol% 5a, 2.5 equiv. Ba(OH)2·8H2O, and 0-10 equiv. of selected alcohols as additional additives at 150 °C (left 9 purple bars); 5 equiv. MeOH at 140 °C (blue bar) and at 130 °C (right purple bar) for 12 hours. c) Reusability of catalyst 5a. Reactions were carried out with 3 mmol D-sorbitol, 0.2 mol% 5a and 2.5 equiv. Ba(OH)2·8H2O at 140 °C for 12 hours (1-12 runs, the blue bars), or with extended reaction time to 24 hours (after the 12th run, the turquois bar). All the conversions, yields and selectivities were determined by an HPLC analysis and calculated based on 2 equiv. LA formed per sorbitol.
首先通過HPLC對反應體系進行檢測，發現除了未反應完的山梨醇、生成的乳酸外，反應體系中還存在少量的甘油醛、乙二醇、甲醇和乙醇，乳酸的選擇性在整個反應歷程中維持在70%左右。而乙二醇的濃度在最開始的半小時內幾乎是線性增加的，但是在后續反應過程中緩慢減少，這說明乙二醇可能是反應中間體或者副產物。隨著反應時間的不斷延長，由于氫氣的存在，乙二醇或者乳酸等可能會被進一步氫化生成短鏈的脂肪醇，例如甲醇和乙醇。根據上述實驗結果，結合DFT計算，我們提出了反應機理。首先，山梨醇在自負載催化劑的作用下進行脫氫生成果糖或葡萄糖，DFT計算表明兩種反應途徑的能量幾乎相同。生成的兩種糖可能會通過兩條不同途徑發生碳碳鍵斷裂：通過[3+3]斷裂的方式生成二羥基丙酮和甘油醛或通過[4+2]斷裂的途徑生成乙醇醛和赤蘚糖。無論何種斷裂途徑，作為堿的Ba(OH)2扮演至關重要的角色。如果沒有Ba(OH)2的輔助，碳碳鍵斷裂的能壘高達45.0-46.8 kcal/mol,反應幾乎無法發生，導致產物復雜。但當有Ba(OH)2存在時，由于產物乳酸與Ba離子形成穩定的乳酸鹽，碳碳鍵斷裂的能壘降低至20.2-22.6 kcal/mol，從而使得反應更易發生。計算結果與實驗結果完全相符，進一步確認了反應機理的合理性。
▲Figure 4. a) The calculated catalytic dehydrogenation from sorbitol to glucose or fructose with NHC-Ir 8 (Values are relative Gibbs free energies (DG, in kcal/mol) with respect to sorbitol and catalyst 8. In addition, DG for the pathway to produce fructose or glucose is labeled in dark blue or dark red, respectively. Clusters of [OH-(H2O)2] and (H2O)3 are used to simulate the base and water, respectively, since these clusters represent a good compromise between accuracy and efficiency as shown[15b,18] for the description of the proton exchange reaction. Calculated mechanisms for the generation of lactate and other by-products via b) [2+4] and c) [3+3] routes without (dark red) and with (dark green) the participation of Ba2+/hydroxide.
由于碳碳鍵斷裂的過程是Aldol縮合的可逆反應，那么能否通過調節平衡的方式提高反應選擇性，從而增加[3+3]斷裂途徑的幾率？實驗結果發現甲醇的加入不但能夠抑制副反應[2+4]路線的發生，而且能夠明顯提升乳酸產率。而乙二醇的加入盡管會阻礙反應的進行，但將選擇性進一步提高至100%，也進一步證明了[2+4]路線的合理性。在以97%的產率和>99%的選擇性實現了山梨醇氧化脫氫高效制備乳酸的基礎上，我們進一步拓展底物范圍到其它的含4、5、6和12個碳的生物多醇。僅需0.2mol%自負載催化劑5a，2.5當量的Ba(OH)2·8H2O,在140℃反應12小時，即可實現這些多醇的高效轉化。在沒有甲醇的情況下，乳酸的產率中等或較高；而在添加甲醇后，相應產率得到顯著提高，進一步證明了甲醇的協同促進作用。這些相似的高產率也表明多醇的羥基取向基本不會對氧化脫氫過程產生影響。對于5碳醇，在甲醇存在下可實現完全轉化高選擇性的生成乳酸，而對于4碳醇則得到了相對低一些的結果，這可能是由于乳酸生成路徑的不同導致的。另外，對于麥芽糖醇（Maltitol）和乳糖醇(Lactitol)，由于糖苷鍵在堿性條件下不太可能斷裂，從而導致乳酸的產率無法超過50%。▲Figure 5. Substrate scope without (left values) or with (right values) the addition of 5 equiv. of methanol. Reactions conditions: sugar alcohol (3 mmol), solid catalyst 5a (0.2 mol%), Ba(OH)2·8H2O (2.5 equiv.), 140 °C, 12 hours. Conversion and selectivity were determined by an HPLC analysis and calculated on a molar carbon basis.
利用簡單、廉價的生物多醇，我們課題組在乳酸制備領域取得了重大進展。首次利用三維自負載氮雜環卡賓銥催化劑實現了多醇的高效、高選擇性氧化脫氫，乳酸產率高達97%，選擇性>99%。控制實驗結合徐昕教授課題組的DFT理論計算，表明催化劑、Ba(OH)2和甲醇間的協同作用是實現該高效轉化的關鍵。我們的工作為從廉價易得的生物多醇制備乳酸的工業應用奠定了研究基礎。
