中科院大连化物所李昌志团队Angew：以木质素作为原料可持续生产苄胺

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将木质素催化转化为异种原子官能团的化学品，对于实现生物炼制的概念具有重要意义。本文设计了在有机胺存在下木质素β-O-4模型化合物以中等至优良的收率直接转化为苯胺和酚类化合物的新方法。在Pd/C催化剂的作用下，发生了Cα-OH键脱氢、Cβ-O键氢解和还原性胺化反应。实验数据表明，脱氢反应先于其他两个反应进行，仲胺在转化过程中既是还原剂又是胺源。此外，通过两步过程“从木质素到苄胺”的概念被证实。本研究是首次利用木质素合成苄胺，为可持续利用可再生生物质合成苄胺提供了新的契机，并扩大了生物质转化产品的品种，以满足未来生物炼制的需求。

背景介绍

木质素是一种复杂的植物衍生异质聚合物，是芳香族化合物的独特前体。因此，木质素转化其已成为生物质转化领域的一个主要课题，并将在改善与解决环境影响问题相关的整体生物炼制的经济方面发挥重要作用。含氮芳基化学品广泛用于聚氨酯前体、合成染料和制药的生产。目前，这些含氮芳基化学品主要是在化石炼油厂通过与氨气或氨派生的原料发生化学反应而生产的。所以，发展可持续的含氮芳基化合物合成路线是非常可取的。考虑到木质素的芳香族特性，在木质素解聚过程中引入氮(N)可能使产物形成新的C-N键，从而为利用可再生资源生产芳香族胺提供了一种替代策略。注意到β-O-4连接在木质素的所有连接中占最高的比例(大约50%，取决于木质素的类型)，克服其直接转化将为我们从现实的木质素生产胺提供指导。

本文亮点

本文描述了木质素β-O-4模型化合物经过多相催化而直接转化为含氮芳基化合物的新策略(Scheme 1)，为可持续生产苄胺提供了一个潜在的一锅路线。该策略可应用于实际木质素的转化，从而证明了利用天然木质素生产胺的可行性。此外，该催化体系不仅适用于各种β-O-4模型化合物，而且适用于广泛的胺源。

Scheme 1. The strategies for reacting lignin model compounds with amines.

图文精读

在Pt/C催化剂上β-O-4模型化合物的转化…

当β-O-4模型化合物1a[即2-(2-甲氧基苯氧基)-1-苯基乙醇, C15H16O3]作为反应物，吡咯烷(2a)被用作在转化中的胺源时，Pd/C催化剂具有异常高的转化活性，最佳反应温度为120 ℃（Table 1）。扩展实验结果表明，该催化体系不仅适用于其它各种β-O-4模型化合物，而且适用于广泛的胺源，表明C-O键解理与C-N键形成以一锅方式发生（Table 2）。与没有官能团的芳基环(< 66%)相比，即使将反应温度提高到140 ℃，左侧芳基环(C-端芳基环)的甲氧基取代导致收率下降，这可能是由于甲氧基的电子效应(增加β-O-4键的离解能)。此外，三氟乙酸(TFA)的存在有利于亚胺中间体的生成，从而提高苄胺的产率。没有氢源(HCO2Na)的条件下，主产物亚胺中间体N-丁基-1-苯基-1-亚胺收率仅为26%，苄胺3f收率仅为7%，这些结果可能是由于伯胺的脱氢能力较弱，不能产生足够的氢来进行后续的C-O键断裂(氢解)和亚胺中间体的还原。Pd/C不仅能裂解C-O键，还能促进C-N键的形成，产生相应的胺类产物，突出了木质素β-O-4模型化合物不经修饰而直接转化为新型苄胺的实用优势。

2-(2-甲氧基苯氧基)-1-苯基乙醇的转化机理…

在初始阶段(5小时内)，1a[2-(2-甲氧基苯氧基)-1-苯基乙醇]几乎被定量转化为3a、4a和5, 而化合物5和6可能是转化过程的中间体 (Figure 1)。通过进行一系列精心设计的控制实验，提出了β-O-4模型化合物与胺的整个转化过程，其包括两条途径a和b(Scheme 3)。

Figure 1. Time course profile of compound 1a conversion over Pd/C.

Scheme 3. Proposed reaction pathways for transformation of lignin β-O-4 model compound.

总结与展望

本研究成功地开发了一种有效的一锅式C-O键断裂和还原性胺化策略，将木质素β-O-4模型化合物直接转化为苄胺，其中，仲胺既是胺源又是还原剂。同时也论证了木质素两步法生产生物基胺的可行性。木质素衍生异种原子产物的生产需要克服木质素结构的复杂性，以获得高收率的纯产物，同时避免竞争反应，以确保唯一的胺化反应。本组把后续的工作集中于从现实的木质素中提高苄胺的产量。该方法可以为利用异种原子参与的生物质转化生产高附加值化学品提供一些新的思路。

供稿：李福男

编辑：郝林格

论文相关信息

第一作者：Bo Zhang (中科院大化所)

通讯作者：Changzhi Li(中科院大化所)

通讯单位：中科院大化所

论文DOI：10.1002/anie.202105973