Lewis酸催化纤维素制乳酸机理研究

郝睿，关伟翔,＊，刘菲，张磊磊，王爱琴,2,＊

1中国科学院大连化学物理研究所，中国科学院航天催化与新材料重点实验室，辽宁 大连 116023

2中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室，辽宁 大连 116023

1 引言

由于化石资源的有限储量以及其大量使用带来的环境污染问题，从生物质出发制备绿色可降解材料的需求变得日益迫切。在众多生物质基产品中，乳酸及其衍生物丙交酯是最具潜力的可再生单体之一，目前有大量聚乳酸材料被应用在生产生活中1-5。预计到2025年，全球乳酸市场需求量将增长到196万吨，价值约100亿美元6。因此，探索经济高效的乳酸合成方法在绿色化学领域具有重要意义。工业上目前主要是通过糖类的生物发酵工艺来生产乳酸，而直接利用秸秆等纤维素基生物质来生产乳酸还面临严峻的技术经济挑战7。

与传统的生物发酵方式相比，化学催化方式可允许纤维素基生物质原料的直接转化。利用多功能催化体系，通过“一锅法”直接将生物质转化为高附加值的燃料和化学品成为近年来研究的热点8-12。依据现有的报导，纤维素催化制备乳酸是经典的酸催化过程。2011年，Nadine Essayem等人利用AlW及ZrW体系实现了纤维素到乳酸的转化，乳酸产率可达28%。研究者发现，对于纤维素高温降解过程，水的作用是通过其电离出的高浓度H+来促进纤维素的溶解和水解过程13。在此基础上，2019年，Van Chuc Nguyen等人对ZrW体系催化纤维素制备乳酸进行了更深入的研究，研究过程中分别合成了ZrO2，ZrO(OH)，未煅烧和煅烧的ZrW催化剂，通过酸度测试及催化实验发现，反应过程中Zr4+以及催化剂表面的OH-起到了酸碱协同催化的作用，引入W可以调控催化剂表面的羟基数目14。Ning Shi等人利用共沉淀的方法合成了Al2(WO4)3催化剂并将其应用到纤维素到乳酸的转化中，经过条件优化最终可得到46%的乳酸产率15。Al2(WO4)3体系中，催化剂在反应中会有流失，小部分Al-W溶解在水中。为了验证活性位点，作者分别用含有流失催化剂的水溶液，新鲜催化剂以及回收过的催化剂与空白实验进行对比，最终发现，在含有流失催化剂的溶液中，乳酸产率只有2%，接近空白对照组，结果说明，真正起催化作用的是固体催化剂上的Al-W协同作用位点。除Al-W体系外，Sn-β沸石及改性的Sn-β沸石也是一类催化纤维素到乳酸的经典催化剂。Meng Xia等通过硝酸脱铝后再浸渍其它金属的方法制备了分别由Cr、Mn、Cu、Co、Ni修饰的Sn-β沸石，并用于催化纤维素到乳酸的反应。结果发现Cr修饰的Sn-β沸石具有较好的催化效果，当Cr-Sn摩尔比为0.5时，乳酸收率达到33.4%16。

相比以上的非均相催化体系，均相催化体系具有更高的反应效率，而且更有利于机理研究。Fen-Fen等人发现所有镧系金属的三氟甲磺酸盐都可以催化纤维素到乳酸的反应，通过对比从Lu到La的三氟甲磺酸盐催化纤维素制备乳酸效果，得出如下规律：催化活性随金属离子半径减小而增大，其中Er(OTf)3催化纤维素转化乳酸产率最高，达到63%17。此外，作者还发现，当分别利用纤维二糖、葡萄糖、果糖、二羟基丙酮(DHA)作为底物时，乳酸产率有明显差异。以DHA作为底物时，乳酸产率显著提高，可达90%，说明最终影响催化效果的过程为葡萄糖到果糖的异构化或果糖断键生成C3产物的过程。王野课题组发现以氯化铅为催化剂，在均相条件下催化纤维素到乳酸可获得乳酸产率大于60%的结果。此外，作者利用理论计算结合实验验证，对纤维素制备乳酸的机理过程进行了详细阐述8。在后续研究中，作者发现利用Al3+-Sn2+两种金属离子组合催化，可以达到更好的效果，以果糖为底物乳酸产率可达90%，以纤维素为底物乳酸产率可达65%18。2020年，胡常伟课题组发现，与镧系金属同族的钇也同样具有很好的催化效果，YCl3催化纤维素到乳酸的过程可得到63%的乳酸收率19。

虽然目前纤维素转化制乳酸研究成果较为丰富，但对机理过程的研究较少，反应机理尚未完全明确。对于纤维素到乳酸的转化过程，目前较公认的反应机理如下：首先纤维素在高温高压弱酸性环境中水解为葡萄糖，随后葡萄糖在Lewis酸的催化下发生1,2-shift异构化变为果糖20，果糖经过Retro-aldol反应断键生成一分子二羟基丙酮(DHA)和一分子DL-甘油醛(GLY，两者在Lewis酸条件下可相互转化)，最后二羟基丙酮通过1.2-shift或烯醇互变过程生成乳酸8。对于二羟基丙酮生成乳酸的过程是通过1.2-shift还是烯醇互变的方式目前尚不能明确。

基于以上研究背景，本工作利用核磁同位素实验及质谱实验详细地研究了纤维素到乳酸的机理过程，提出了由二羟基丙酮生成乳酸的过程是一个烯醇互变的过程，而非1,2-shift过程。

2 实验部分

分别以二羟基丙酮(99%，百灵威)，5-羟甲基糠醛(98%，安耐吉)，果糖(99%，百灵威)，葡萄糖(99%，Sigma-Alrdich)为底物。取80 mg底物置于核磁管中，5% mmol催化剂(99%，百灵威)，加入0.5 mL D2O (99.9% D，百灵威)或EtOD-d1(＞ 99.5% D，Apollo)，指定温度下反应指定时间后冷却进行核磁测试(Bruker AVANCE III HD (400 MHz))。

3 结果与讨论

3.1 纤维素“一锅”法催化转化制乳酸的反应研究

通过控制单一变量的方式首先对Sc(OTf)3催化纤维素到乳酸的过程进行了研究，发现当纤维素浓度为1% (质量分数)，反应温度为473-533 K，反应时间为30 min时，乳酸产率基本稳定在28%-29%，其它主要副产物包括乙酰丙酸、甲酸、乙酸以及腐殖质，总有机酸的收率保持在55%-60% (见图S1a-c)。同时，通过对不同底物的催化反应研究发现利用葡萄糖及果糖作为底物与纤维素底物区别较小，利用5-羟甲基糠醛(HMF)为底物时，乳酸产率为零，当利用DHA为底物时乳酸产率提升到了70% (见图S1d)。说明在整个反应过程中，HMF是一个副产物，反应一旦生成HMF将不会再向乳酸的方向继续转换，而决定乳酸收率的步骤并不是二羟基丙酮(DHA)到乳酸的过程。

进一步以果糖为底物考察了不同Lewis酸催化果糖到乳酸的过程。如图1所示，乳酸的收率大小顺序依次为Y(OTf)3≈ Er(OTf)3＞ Sc(OTf)3＞Al(OTf)3，其中Y(OTf)3和Er(OTf)3催化剂上可以获得大于50%的乳酸收率。结合pH及离子半径(Al3+[0.054 nm] ＜ Sc3+[0.075 nm] ＜ Y3+[0.09 nm] ＜ Er3+[0.103 nm])21两方面，我们发现弱酸性条件(pH =5左右)更利于果糖到乳酸的转化，酸性过强可能导致较多的副反应发生22，更容易使反应向着生成乙酰丙酸的方向移动，其中酸性最强的Al(OTf)3催化剂上乙酰丙酸产率为20.5%，远高于其它催化剂。

图1 不同Lewis酸催化果糖反应性能Fig. 1 Catalytic performance for the conversion of fructose over different Lewis acid catalysts.

3.2 纤维素制备乳酸的反应机理和关键步骤研究

纤维素到乳酸的转化过程如(图2所示)：首先纤维素在高温高压弱酸性环境中水解为葡萄糖，随后葡萄糖在Lewis酸的催化下发生1,2-shift异构化变为果糖20，果糖经过Retro-aldol反应断键生成一分子1,3-二羟基丙酮(DHA)和一分子DL-甘油醛(GLY)，最后羟基丙酮通过1.2-shift或烯醇互变过程生成乳酸8。为了更好的揭示机理过程，分别利用葡萄糖、果糖、DHA为底物通过1H，13C NMR以及GC-MS的监测手段，研究葡萄糖到果糖的异构化，果糖断键及DHA到乳酸的反应过程。

图2 纤维素到乳酸过程示意图Fig. 2 Schematic illustration of the cellulose conversion into lactic acid.

3.2.1 葡萄糖到果糖的异构化过程

对于葡萄糖到果糖的异构化部分，目前研究较多，Sn-β-沸石、CrCl3、AlCl3等多种经典的Lewis酸均可催化这个过程23-25。对于葡萄糖到果糖的异构化过程是通过脱氢机理还是氢转移的1,2-shift过程，一直存在争议。直到2010年Yuriy Romn-Leshkov利用2位氘代的乙醇，用Sn-分子筛作为催化剂，首次在核磁反应中证实了葡萄糖异构化的过程是一个1,2-shift的氢转移过程20。后续研究中，王野等人的理论计算结果也与Yuriy Romn-Leshkov报道的内容相吻合8。

利用核磁监测反应，在423 K温度下分别测试了Sc(OTf)3，Y(OTf)3，Al(OTf)3三种Lewis酸催化剂对于葡萄糖到果糖催化过程。对于Sc3+催化剂的核磁反应，反应液20 min后开始变色，到60 min时反应液完全变成黑褐色，生成大量腐殖质。1H，13C NMR结果(图3a,b)说明在从室温加热到423 K时，即零分钟开始，已经有少部分葡萄糖开始转化为果糖。随着反应时间延长，葡萄糖逐渐转化为果糖，同时一部分果糖继续转化为5-羟甲基糠醛(HMF)、甲酸(FA)及乙酰丙酸(LA)等其它产物，在核磁氢谱化学位移9.5、8.2、2-3之间分别出现HMF、FA、LA的特征峰，随着反应时间延长，副产物也逐渐增加。

对于Al3+催化的核磁反应(图3c,d)，反应液的颜色变化趋势以及各中间物种出现的时间与Sc3+类似，但化学位移9.5处的HMF特征峰明显高于Sc3+催化的反应，说明Al3+更易于使生成的果糖继续向HMF的方向转化，这可能也是导致图1中Al3+催化果糖转化生成乳酸收率最低、而生成乙酰丙酸最多的原因。

Y3+催化的核磁反应效果最好(图3e,f)，直到60 min时反应液才变成褐色。对比三个金属离子催化剂的核磁反应氢谱可以发现，Y3+催化的过程中，化学位移9.5、8.2、2-3之间的副产物特征峰很小，说明与其它两种催化剂相比，Y3+不仅易于催化葡萄糖到果糖的异构化过程，同时能起到稳定生成的果糖的作用，抑制果糖向HMF方向的转化。

图3 (a，b) Sc3+、(c，d) Al3+和(e，f) Y3+催化葡萄糖到转化过程1H和13C NMR谱图Fig. 3 The 1H and 13C NMR spectra of (a, b) Sc3+, (c, d) Al3+ and (e, f) Y3+ catalyzed conversion of glucose.

根据核磁反应结果定性分析，对于葡萄糖到果糖异构化的过程，几种Lewis酸的催化活性如下：Y(OTf)3＞ Sc(OTf)3，Y(OTf)3＞ Al(OTf)3。对比几种金属离子催化纤维素到乳酸的过程(表S1)，Y3+催化纤维素到乳酸的效果优于Sc3+和Al3+，说明葡萄糖到果糖异构化的步骤对最终乳酸产率有关键的影响。

3.2.2 果糖断键过程

对于果糖到1,3-二羟基丙酮(DHA)及DL-甘油醛(GLY)的过程，我们分别利用核磁同位素实验以及二丙酮醇为模型化合物研究。为了在质谱上有更好的辨识度，溶剂选用氘代乙醇-d1，以Y(OTf)3作为催化剂。通过13C NMR以及GC-MS测试发现，果糖作为底物时最终得到的乳酸与DHA作为底物时得到的乳酸氘取代的情况一致，说明在果糖断键的过程中溶剂并没有直接参与反应，而是只起到了辅助的作用(见图4)。

图4 果糖到乳酸过程图Fig. 4 Conversion of fructose into lactic acid.

结合核磁反应结果和目前已报导的Retroaldol反应过程机理，推测果糖到DHA及GLY的机理过程如下：Lewis酸活化果糖2位上的羰基，使羰基发生电子转移，导致3,4位中间的碳碳键发生电子对转移，碳碳键断裂，最终生成一分子DHA及一分子GYL (图5).

图5 果糖Retro-aldol过程可能机理图Fig. 5 Possible mechanism of fructose Retro-aldol reaction.

为了更好的探究果糖的Retrol-aldol过程，采用简化模型的方法，以骨架与果糖3,4位相似的二丙酮醇作为模型化合物。通过比较不同Lewis酸(Al3+[0.054 nm]，Sc3+[0.075 nm]，Y3+[0.09 nm])催化下二丙酮醇的Retro-aldol反应活性21，研究发现Sc3+的催化效果较佳，远高于同族的Y和第三主族的Al。在Lewis酸催化的Retro-aldol反应过程中，Lewis酸的离子半径可能影响到其Lewis酸性，进而影响其催化性能。为了探究离子半径的影响，我们选择与Sc3+半径相似的Zn2+[0.074 nm]进行实验(图6)，Zn2+对Retro-aldol过程同样有较佳的催化效果，优于Y3+和Al3+的催化效果。说明Retro-aldol与Lewis酸的离子半径关联度极高，其中Sc3+及离子半径接近Sc3+的元素对Retro-aldol过程有更好的催化效果。对Retro-aldol过程的催化效果排序为：Sc3+＞ Zn2+＞ Y3+＞ Al3+。

图6 模型化合物retro-aldol制备丙酮过程时间产率关系图Fig. 6 The yield of acetone as a function of time for the retro-aldol of diacetone alcohol.

3.2.3 DHA到乳酸的转化过程

在DHA到乳酸的催化过程中各Lewis酸的催化效果如表1所示，乳酸产率：Al3+(88.3%) ＞Y3+(73.0%) ＞ Sc3+(70.2%), 而在纤维素到乳酸的转换过程中各Lewis酸的催化活性排序为(见表S1)：Y3+＞ Sc3+，Y3+＞ Al3+。由此可见，果糖断键的Retro-aldol过程以及DHA到乳酸的过程并不是决定整个串联反应催化选择性的关键步骤，进一步说明了决定乳酸收率的关键为葡萄糖到果糖的异构化。

表1 DHA到乳酸的催化过程中各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.

对于DHA到乳酸的过程，反应机理仍未明确。王野课题组通过理论计算结合实验发现，DHA在Lewis酸催化下可异构化为GLY，随后GLY经过脱水得到结构2 (见图7)，在Lewis酸催化下结构2发生烯醇互变得到结构4的醛酮结构，结构4中醛基被一分子水加成，得到缩醛结构的5，接下来结构5再通过一个烯醇互变(K-E)或1.2-shift的过程，得到乳酸8。根据理论计算的结果，烯醇互变(98.36 kJ·mol-1)及1.2-shift (97.11 kJ·mol-1)过程能量很相近，因此对于醛酮结构到乳酸的过程是经历烯醇互变还是1.2-shift过程尚不明确。在此，我们利用核磁同位素标记的方法，分别利用氘水(D2O)及氘代乙醇(EtOD-d1)作为溶剂，通过1H、13C NMR以及GC-MS解决了这个问题，通过实验明确的证实了缩醛5结构到乳酸的过程经历的是一个烯醇互变的过程，而不是1.2-shift。

首先，我们推衍了基于两种转化方式下的同位素实验结果(图7中)，在缩醛结构5通过烯醇互变方式转化为乳酸的过程中，在同位素实验下，生成的乳酸中次甲基位置将被氘代，甲基位置将发生一氘代，活泼氢被完全氘代；而缩醛结构5通过1,2-shift方式转化为乳酸的过程中，只有甲基位置被一氘代，活泼氢被完全氘代，次甲基位置不会发生氘代。因此，只要通过实验的方式证明次甲基位置的状态就可以明确反应发生的机理。

图7 不同反应机理下的氘代产物分布Fig. 7 The deuterated products based on two possible mechanisms.

接下来我们分别在氘代水及氘代乙醇中进行了同位素实验以探究机理过程。为防止反应条件下产物乳酸与氘代水及氘代乙醇发生氘交换而干扰实验结果，研究中首先进行了空白实验，如下图8示，在反应条件下，乳酸在氘代水及氘代乙醇-d1中加热30 min，其中甲基及次甲基位置均未发生氘代，只有活泼氢被完全氘代，说明在反应条件下乳酸不会与氘代溶剂发生除活泼氢部位外的氘氢交换，因此不会干扰到实验结果。接下来分别在氘代水及氘代乙醇中进行同位素实验，由1H、13C NMR以及GC-MS确定产物结构。通过对核磁谱图的分析，结合质谱结果，发现同位素实验得到的乳酸为甲基，次甲基均被一氘代，活泼氢被完全氘代的结构，详见图S2-S8。

图8 (a) DHA在氘水中反应产物结构图及乳酸空白对照实验；(b) DHA在氘代乙醇中反应产物结构图及乳酸空白对照实验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.

同位素实验得到的结果说明DHA生成乳酸的过程经过了一个烯醇互变过程，而不是1.2-shift。至此，整个机理过程已经明确，如图7所示：首先，在Lewis酸的催化下DHA发生异构化生成GLY，随后GLY相邻的羟基在Lewis酸的作用下脱去一分子水，生成α,β-不饱和结构，α,β-不饱和结构在Lewis酸的催化下发生烯醇互变(K-E)，生成不饱和醛酮结构，一分子水在Lewis酸催化下对其进行加成得到二醇结构，次甲基位置的氘发生转移，最后经烯醇互变过程，最终得到被氘代的乳酸。

4 结论

综上，本工作明确揭示了纤维素到乳酸的完整机理过程。纤维素制乳酸包括多个串联反应和竞争反应，主要的串联反应包括纤维素水解到葡萄糖，葡萄糖异构化为果糖，果糖经过Retro-aldol断裂成甘油醛和DHA，而DHA或甘油醛通过烯醇互变转化为最终产物乳酸。在纤维素一锅法制备乳酸的过程中(见表S1，S2)，几种金属离子的催化活性顺序如下：Y3+＞ Al3+＞ Sc3+；在葡萄糖-果糖的异构化转化过程中，通过核磁反应定性分析得到催化活性为：Y3+＞ Al3+，Y3+＞ Sc3+；在果糖的Retro-aldol过程中，催化活性顺序为：Sc3+＞Y3+＞Al3+；在DHA到乳酸转化过程中，催化活性顺序为：Al3+＞ Y3+＞ Sc3+。只有葡萄糖异构化生成果糖的过程，其催化活性顺序与纤维素到乳酸的一锅反应一致，说明葡萄糖到果糖的异构化反应决定了最终生成乳酸的选择性。本工作为深入理解纤维素转化制备含氧小分子化学品的反应机理提供借鉴意义及科学基础。

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