深度科学| Nat. Commun.: 少一步脱氢，单原子Ru把生物质“两个羟基”拧成氨基酸

编者语：

“该研究绕开传统的脱氢步骤，走一条前所未见的“脱水-还原胺化”新路径。直接、高选择性地生成丙氨酸。整个读下来，文章研究思路太清晰了，机理研究也很清楚。”

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背景介绍

氨基酸是医药、农药、聚酰胺和精细化学品行业不可或缺的基础原料，用可再生生物质原料替代石化路线来合成氨基酸,一直是绿色化学关注的焦点之一。此前的经典策略是“脱氢-还原胺化”：把α-羟基酸（羟基紧邻羧基）先脱氢氧化成α-酮酸，再与氨缩合、加氢，获得相应的氨基酸，这条路线已经在乳酸制丙氨酸等体系中被反复验证。但生物质加工过程中还大量存在另一类原料：α, β-二羟基酸，也就是同时带有两个相邻羟基的化合物，比如甘油氧化或糖类降解产生的甘油酸。这类底物结构更复杂，理论上可能走出完全不同的反应路径，但此前一直缺乏系统研究。

图1. 氨基酸的优势和应用

2026年8月22日，福建农林大学帅李、天津大学/新加坡国立大学颜宁教授团队在Nature Communications期刊发表了题为"Ru-enabled dehydration-reductive amination of α-, β-hydroxy acids into amino acids"的研究论文，借助原子级分散的钌(Ru)单原子催化剂，α, β-二羟基酸完全绕开传统的脱氢步骤，实现生物质衍生α, β-羟基酸向氨基酸的选择性转化。与传统经α-酮酸中间体进行还原胺化的反应路径不同，该过程通过碱促进α-H脱除和β-OH消除形成烯醇/烯醇负离子中间体，随后直接还原胺化，走一条前所未见的“脱水-还原胺化“新路径，直接、高选择性地生成丙氨酸（图2）。结构表征和机理研究表明，催化剂中Ru以孤立、部分氧化的单原子中心存在，独特的配位结构及碱性反应条件有利于关键烯醇/烯醇负离子中间体的稳定与加氢，并抑制酮-烯醇互变异构及其他竞争副反应。该研究拓展了生物质羟基化合物催化胺化的机制认识，为生物质多元醇酸类的高值化利用打开了一扇新的大门。

图2. 多羟基酸转化过程中的脱氢-还原胺化过程和脱水-还原胺化过程

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图文解析

1.先看清“游戏规则”变了

图2把新旧两条路线摆在了一起，对比非常直观。传统路线（Previous study）中，α-羟基酸先在金属催化下脱氢，生成α-酮酸中间体，再与氨缩合、加氢得到α-氨基酸，整个过程“脱氢”是关键的第一步。但这项研究聚焦的模型底物甘油酸（GLA）是一种α, β-二羟基酸，同时在α位和β位各带一个羟基。按照老路线的逻辑推演，GLA脱氢理应生成丝氨酸或异丝氨酸（图2-I和2-II）。

实验结果却出人意料，丙氨酸在产物中占绝对优势，产率高达58.9%，丝氨酸和异丝氨酸生成量微乎其微。这意味着GLA走的根本不是“脱氢”路线，而是“脱水”路线（图2-III）：α位氢先被拔掉，β位羟基随即消除，生成烯醇/烯醇负离子中间体，这个中间体不需要经过传统α-酮酸路径，直接被还原胺化。一步到丙氨酸。这个发现颠覆了此前对该类反应机理的认知，也是全文最核心的悬念：是什么样的催化剂结构，能撬动这样一条全新的路径?

2.单原子催化剂长什么样？

团队用简单的浸渍-还原法，把0.1 wt.%或0.2 wt.%的Ru负载到锐钛矿型二氧化钛(TiO2(A))上，得到了原子级分散的Ru/TiO2催化剂（图3）。X射线衍射（XRD）没有检测到任何金属Ru的特征衍射峰，说明Ru颗粒已经小到超出了XRD的探测极限，高分辨透射电镜（HRTEM，图3d、e）同样只看到TiO2 (101)晶面条纹，看不到Ru纳米颗粒。球差校正透射电镜（AC-TEM）配合积分微分相位衬度（iDPC）成像技术（图3f-h）显示，在TiO2 (101)表面捕捉到了一颗颗比周围钛原子亮度明显更高的孤立亮点，这是单独存在的钌原子（注：于钌(原子序数44)和钛(原子序数22)的原子序数差异不大）。

X射线光电子能谱（XPS，图2a）和X射线吸收精细结构谱（XAS，图3b、c）显示表面钌处于氧化态，钌的价态介于0到+4之间，是一种“部分氧化”的状态。傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构（FT-EXAFS）在约1.5 Å处只观察到Ru-O配位的主峰，没有Ru-Ru配位信号，这是Ru原子高度分散、彼此不成键、以单原子形式存在的证据。这些结果共同表明，催化剂中的Ru以孤立的、部分氧化的单原子形式锚定在TiO2表面，这种极致分散状态最大化地暴露了活性位点，为后续优异的催化性能埋下了伏笔。

图3. Ru/TiO2催化剂结构表征

3.金属筛选与条件优化

研究团队制备了TiO2负载钌、铂、铑、钯、铁、钴、镍、铜等系列催化剂,系统比较它们对GLA转化为丙氨酸的催化效果（图4）。在不加碱（NaOH）的条件下（图4a），所有金属催化剂的丙氨酸产率都不高，但一旦加入NaOH（图4b），整体催化活性显著提升，Ru的优势瞬间被拉开：0.1wt.%Ru催化剂丙氨酸产率达到45.2%,0.2 wt.%Ru更是达到58.9%的最高产率，远超铂、铑、钯、铁、钴、镍、铜等所有对比金属。这说明NaOH和钌之间存在协同效应，共同促成了这条特殊的反应路径。

研究团队还系统考察了载体、温度、压力等因素的影响。图4c显示，在ZrO2、金红石TiO2、锐钛矿TiO2(A)、MgO四种载体中，TiO2(A)表现略优。图4d则揭示了一个典型的“火山型“温度曲线：反应温度从140 ℃升到210 ℃，转化率和产率同步攀升，在210 ℃达到峰值（转化率98.5%，产率58.9%），但继续升温到220 ℃，副反应（如脱羧、缩合）导致产率下降到51.2%。此外，H2压力对反应至关重要，压力仅0.1 MPa时产率只有6.5%，提高到0.4 MPa后产率就跃升到56.5%，这说明还原胺化这一步严重依赖H2供给。值得一提的是，把钌负载量提高到3.0 wt.%（即从单原子变为纳米颗粒尺度）后，丙氨酸产率降到34.3%，副产物甲酸大量出现，这从反面印证了单原子结构特征本身是高选择性的关键所在，而不是简单地Ru越多越好。

图4. 催化GLA转化为丙氨酸的性能

4.反应“上半场”：脱水为什么会赢

要理解丙氨酸是怎么“抄近道”生成的，得先把反应拆成两段来看：第一段是脱水，第二段是还原胺化。在不加NH3、只考察脱水这一步时（表1），研究发现贵金属（铂、铑、钯、钌）在H2氛围下能把脱水中间体丙酮酸（PA）及时加氢，生成约27%的乳酸（LA）。而镍、钴等非贵金属活性有限，铁、铜则几乎没有促进作用。碱的加入进一步放大了脱水反应：α, β-羟基酸（或其羧酸盐形式）中羰基的吸电子效应，使得α位氢的酸性明显高于β位氢，在碱性条件下更容易被拔除，进而引发脱水。热力学计算表明，无碱条件下GLA脱水的表观活化能是64.3 kJ/mol，加入NaOH后骤降到41.0 kJ/mol，证明了碱在这一步中扮演“助催化剂”角色。

表1. 金属对脱水过程中GLA转化率的影响

更有意思的是，加碱之后，只有钌能高效地把脱水中间体转化为乳酸，其他金属则大多停留在丙酮酸阶段（表1）。通过重水中的氢/氘交换实验发现，在碱性条件下，脱水产物更倾向于以烯醇/烯醇负离子的形式存在，而不是常见的酮式结构，钌恰恰是唯一能够高效催化这种烯醇/烯醇负离子加氢的金属，这也是它能够完成整个脱水阶段的秘密所在。

密度泛函理论（DFT）计算进一步从原子尺度还原了这个过程（图5）。在没有催化剂时，α位氢的拔除是放热的（-0.15 eV），但随后如果走脱氢路线，需要吸收0.44 eV才能释放H2。相反，如果走β-羟基消除的脱水路线，则放热0.43 eV，热力学上明显偏向脱水，这与实验中观察到丙酮酸大量生成的结果一致。引入Ru/TiO2催化剂后（图5b），GLA可以通过α-或β-羟基两种方式吸附到Ru原子上，其中β-羟基吸附构型更稳定（-0.48 eV），这种吸附方式会显著削弱α位C-H键，让α位氢的拔除几乎变成“零能垒”过程（-0.04 eV），随后的脱水步骤同样放热（-0.49 eV）。投影态密度分析（PDOS）揭示，Ru的d带中心（-1.01 eV）在所有对比金属中最靠近费米能级，这意味着它与含氧中间体的相互作用最强，能更有效地活化α-H键。

图5. DFT研究Ru/TiO2上GLA的脱氢和脱水反应

5.反应“下半场”：为什么只有Ru能把“烂摊子”收拾干净

团队引入NH3考察还原胺化这一步时（图6），发现只有铑和钌对丙酮酸的还原胺化有明显活性（丙氨酸产率分别为63.5%和64.7%），而在脱水阶段表现优异的铂、钯却几乎没有活性。研究认为，这是因为单原子尺度下，铂、钯的稳定性明显弱于铑、钌，在氨、亚胺等物种存在下更容易失活，而铑、钌虽然反应活性略逊一筹，但胜在够耐用，最终成为还原胺化阶段真正扛把子的选手。

但是，Rh和Ru都能分别脱水和还原胺化两个单独的步骤，可在GLA一锅法转化为丙氨酸的整体反应中（图4a、b），却只有Ru能把两步真正串联起来。原因为：碱性条件下，GLA优先脱水生成2-羟基丙烯酸这种烯醇/烯醇负离子，而不是丙酮酸。这种活泼的中间体在彻底互变异构成酮式结构之前，极易与氨发生亲核偶联、缩合、交联等副反应，生成烯胺、席夫碱衍生的聚合物等一大堆含氮副产物（图6a的I）。团队特意设计了分步实验（先脱水、再单独加氢）来验证这一点（图6c），结果显示只有Ru能显著抑制这些副反应，把这些活性中间体持续稳定地转化为丙氨酸，而铑、钯、铂催化剂表面则容易产生副产物。

图6. Ru催化剂尺寸依赖性催化性能的机理研究

DFT计算（图7）从电子结构层面解释了Ru的特异性：Rh和Ru对烯醇中间体都表现出良好的结构稳定性，其中Ru对烯醇的吸附能比铑强0.28 eV，态密度分析显示Rh和Ru负载后电子结构基本保持稳定，有利于持续活化底物，而铂、钯则会发生剧烈的电子结构扰动，伴随金属-氧键的不可逆断裂和结构重排，最终导致催化剂失活。因为对“脱水中间体的稳定吸附能力”加上“持续的加氢能力”，共同造就了Ru在整个一锅法反应中的不可替代性。

图7.烯醇中间体在不同贵金属催化剂上的吸附电子结构分析

6.底物拓展

研究乳酸、3-羟基丙酸、甘油酸、赤藓糖酸、酒石酸、葡萄糖酸、葡萄糖二酸等一系列结构相似的羟基酸（表2）。结果显示，只带α-羟基的乳酸遵循传统的脱氢-还原胺化路线，而带β-羟基的3-羟基丙酸则优先走α-C-H活化、β-羟基消除的脱水路线，生成丙烯酸再加氢为丙酸，但并不产生还原胺化产物。至于赤藓糖酸、酒石酸、葡萄糖酸、葡萄糖二酸这些结构更复杂的多羟基酸，则都在β-羟基消除后发生了C-C键断裂，生成同样的关键中间体2-羟基丙烯酸，并最终转化为丙氨酸。这一发现说明，“脱水-还原胺化”绝非甘油酸的个例，而是一大类α, β-多羟基酸普遍适用的反应模式（图8）。

表2. 底物研究

图8. 反应机理图

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总结

该研究系统揭示了生物质衍生α, β-羟基酸转化为氨基酸的“脱水-还原胺化”全新路径。研究团队通过合成Ru/TiO₂单原子催化剂，结合XRD、XPS、XAS、AC-TEM等表征手段以及DFT计算，证明了单原子Ru能选择性促进碱助的α-氢拔除和β-羟基消除，生成烯醇/烯醇负离子中间体，并直接将其还原胺化为丙氨酸，同时有效抑制了传统途径中常见的酮-烯醇互变异构及各种缩合副反应。以甘油酸为模型底物，该催化体系实现了58.9%的丙氨酸产率，并成功推广到赤藓糖酸、酒石酸、葡萄糖酸等一系列多羟基酸底物，展现出良好的普适性，为多羟基生物质资源向含氨基高值化学品的绿色转化提供了一条崭新的技术路线。

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展望(巨人肩上前行)

1. 提升催化剂丙氨酸的选择性；

2. 电化学来一套？

3. “脱水-还原胺化”机制是否能推广到更复杂的体系，值得深入探索。

文献信息

Shixiang Feng, Jun Yi, Huirong Yu, Jie He, Di Xu, Xinbin Ma, Ning Yan & Li Shuai, Ru-enabled dehydration-reductive amination of α-, β-hydroxy acids into amino acids, Nature Communications, 2026, https://doi.org/10.1038/s41467-026-77053-7.

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