论文DOI：10.1002/anie.202004174 利用三维刚性四咪唑盐前体与金属铱前体，通过自负载策略，我们制备了具有较大比表面积的三维多孔自负载催化剂，有效抑制了相应均相催化剂在反应过程中因团聚而导致的失活，在以山梨醇为代表的生物质多醇的氧化脱氢反应中实现了乳酸的高效（97%）、高选择性（>99%）制备。通过反应机理研究及DFT计算，阐明了山梨醇等生物质多醇通过[2+4]和[3+3]两种碳-碳键断裂方式制备乳酸过程中反应途径和能量的异同。研究表明Ba(OH)2、甲醇、自负载催化剂三者间的协同是取得反应高效、高选择性的关键。
近十几年来为减少对化石资源的依赖，通过廉价、可再生的生物质作为原料来高效制备燃料和高值化学品引起了人们的广泛关注。譬如，通过对种植业废料、木质素、纤维素、半纤维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。如何从山梨醇等廉价易得的生物质可再生碳源通过过渡金属催化高选择性、高效、绿色的转化为多种高附加值精细化学品（如乳酸、丙烯酸、丙交酯等）成为近年来的研究热点。尤其是随着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场需求与工业酶催化制备乳酸产能间的供需矛盾日益突出。如何利用生物质多醇通过高效、高选择性、绿色的化学转化制备乳酸成为当前亟待解决的问题。山梨醇等生物质多醇到乳酸的转化反应机理复杂、副产物多、催化剂容易失活，因此是一类极具挑战性的催化转化反应。目前，可通过氧化和脱氢两种途径实现这一反应。然而，即使是在高温高压的条件下，这两种方法制备乳酸的产率、选择性仍然较低，远远达不到工业生产的要求。目前最好的结果是耶鲁大学Crabtree教授等人利用氮杂环卡宾铱化合物作为催化剂应用于山梨醇到乳酸的转化，反应最高取得了40%的产率和82%的选择性。然而，在反应中均相催化剂易自聚生成含有Ir-Ir键的失活物种，增大催化剂用量或者升高温度会进一步导致催化剂的失活。尽管该反应催化效果并不理想，但该反应除生成乳酸外，还可得到清洁能源氢气，因此具有很好的绿色可持续性。如何避免均相催化剂自聚失活成为山梨醇等生物多醇高效、高选择性制备乳酸的瓶颈。自负载策略是近年来受到广泛关注的一种优势催化剂负载和制备策略，通过多齿配体和金属离子的配位组装在温和条件下即可形成配位聚合物催化材料。其中金属中心既是连接节点同时也是活性催化中心。由于固态环境中桥联配体能有效隔离金属活性中心，所得到的自负载催化剂能够有效避免因催化中心自聚成簇而导致的催化剂失活。近年来利用自负载策略，我们及其他课题组设计合成了多种类型的自负载催化剂，在还原胺化、氧化脱氢、不对称催化等多类反应中都表现出极好的催化活性和选择性，大部分结果都高于相应均相催化剂，表明了自负载策略的有效性和可行性。基于以山梨醇为首的生物质多醇通过均相催化制备乳酸的研究现状及存在的问题，我们希望通过自负载策略有效解决均相催化剂因自聚而导致的失活问题。但一维自负载催化剂对山梨醇到乳酸转化的提升极为有限，考虑到多孔材料的孔道效应、尺寸效应及限域效应等有利于进一步提高反应活性和选择性，我们设计合成了一系列新型三维多孔自负载催化剂，通过增加催化剂多孔性及比表面积，增强反应传质传热，使得底物更易接近活性位点，达到提高反应活性和选择性的目的。利用刚性的四苯基甲烷和四苯基金刚烷作为核心，通过Suzuki反应构筑了三维刚性四齿咪唑盐，在温和的条件下与金属铱前体进行配位组装制备得到了一系列多孔三维自负载催化剂。▲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).
电镜测试表明所制备的三维自负载催化材料是无规则的纳米颗粒，EDS表明自负载催化剂中各元素均匀分散在聚合物网络中，进一步的HAADF-STEM说明Ir呈原子级分散度。固体核磁13C谱和XPS分析表明自负载催化剂表现出与均相催化剂卡宾碳完全一致的化学信号。这些表征都说明三维自负载催化剂很好的保留了均相催化剂的性质。另外，氮气吸附测得的三维自负载催化剂具有388 m2g-1的BET比表面积,比一维自负载催化剂（8 m2g-1）增大了近50倍，表明了三维自负载催化剂具有更好的多孔性和较大的比表面积。▲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.
将所得三维自负载催化剂应用于山梨醇脱氢氧化制备乳酸的反应中，初步的催化剂筛选表明，相较于一维自负载催化剂、相应均相催化剂及其他常见Ir或Ru均相催化剂，三维自负载催化剂具有更高的反应活性和选择性。因此，三维自负载催化剂所具有的高比表面积和孔性确实对于反应产率和选择性都有较大的提升。进一步的条件筛选表明当以Ba(OH)2为碱时，反应后转化率达到定量，选择性达70%。最后，通过添加适量甲醇阻断副反应的发生，可以进一步得到高达97%的乳酸产率。在最优反应条件下，催化剂可以循环使用10次以上而没有催化活性和选择性的显著下降。
▲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.
首先通过HPLC对反应体系进行检测，发现除了未反应完的山梨醇、生成的乳酸外，反应体系中还存在少量的甘油醛、乙二醇、甲醇和乙醇，乳酸的选择性在整个反应历程中维持在70%左右。而乙二醇的浓度在最开始的半小时内几乎是线性增加的，但是在后续反应过程中缓慢减少，这说明乙二醇可能是反应中间体或者副产物。随着反应时间的不断延长，由于氢气的存在，乙二醇或者乳酸等可能会被进一步氢化生成短链的脂肪醇，例如甲醇和乙醇。根据上述实验结果，结合DFT计算，我们提出了反应机理。首先，山梨醇在自负载催化剂的作用下进行脱氢生成果糖或葡萄糖，DFT计算表明两种反应途径的能量几乎相同。生成的两种糖可能会通过两条不同途径发生碳碳键断裂：通过[3+3]断裂的方式生成二羟基丙酮和甘油醛或通过[4+2]断裂的途径生成乙醇醛和赤藓糖。无论何种断裂途径，作为碱的Ba(OH)2扮演至关重要的角色。如果没有Ba(OH)2的辅助，碳碳键断裂的能垒高达45.0-46.8 kcal/mol,反应几乎无法发生，导致产物复杂。但当有Ba(OH)2存在时，由于产物乳酸与Ba离子形成稳定的乳酸盐，碳碳键断裂的能垒降低至20.2-22.6 kcal/mol，从而使得反应更易发生。计算结果与实验结果完全相符，进一步确认了反应机理的合理性。
▲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.
由于碳碳键断裂的过程是Aldol缩合的可逆反应，那么能否通过调节平衡的方式提高反应选择性，从而增加[3+3]断裂途径的几率？实验结果发现甲醇的加入不但能够抑制副反应[2+4]路线的发生，而且能够明显提升乳酸产率。而乙二醇的加入尽管会阻碍反应的进行，但将选择性进一步提高至100%，也进一步证明了[2+4]路线的合理性。在以97%的产率和>99%的选择性实现了山梨醇氧化脱氢高效制备乳酸的基础上，我们进一步拓展底物范围到其它的含4、5、6和12个碳的生物多醇。仅需0.2mol%自负载催化剂5a，2.5当量的Ba(OH)2·8H2O,在140℃反应12小时，即可实现这些多醇的高效转化。在没有甲醇的情况下，乳酸的产率中等或较高；而在添加甲醇后，相应产率得到显著提高，进一步证明了甲醇的协同促进作用。这些相似的高产率也表明多醇的羟基取向基本不会对氧化脱氢过程产生影响。对于5碳醇，在甲醇存在下可实现完全转化高选择性的生成乳酸，而对于4碳醇则得到了相对低一些的结果，这可能是由于乳酸生成路径的不同导致的。另外，对于麦芽糖醇（Maltitol）和乳糖醇(Lactitol)，由于糖苷键在碱性条件下不太可能断裂，从而导致乳酸的产率无法超过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.
利用简单、廉价的生物多醇，我们课题组在乳酸制备领域取得了重大进展。首次利用三维自负载氮杂环卡宾铱催化剂实现了多醇的高效、高选择性氧化脱氢，乳酸产率高达97%，选择性>99%。控制实验结合徐昕教授课题组的DFT理论计算，表明催化剂、Ba(OH)2和甲醇间的协同作用是实现该高效转化的关键。我们的工作为从廉价易得的生物多醇制备乳酸的工业应用奠定了研究基础。
目前评论：