【科研进展】奥地利格拉茨大学Katalin Barta教授生物质领域研究汇总

Katalin Barta教授长期从事生物质的催化转化特别是木质素的催化降解及降解产物的高值化利用等方面的研究工作。

课题组网站：http://bartagroup.org/

个人简介

Katalin Bata于2008年在亚琛工业大学获得博士学位，导师是前Green Chemistry主编Walter Leitner教授。2008到2010年在加州大学圣芭芭拉分校Peter Ford教授课题组从事博士后研究，随后又在耶鲁大学Paul T. Anastas教授课题组担任助理研究员。2013年，她来到荷兰格罗宁根大学担任tenure track助理教授并于2017年成功晋升为副教授。2019年她来到奥地利格拉茨大学担任全职教授，并组建可再生能源与化学研究团队。

学术兼职

ChemSusChem主编，Chem Catalysis 和ACS Sustainable Chemistry & Engineering 期刊编委。

欧洲化学会绿色和可持续化学分会秘书长，欧洲青年科学家协会会员

学术奖励

2015-ERC Starting Grant

2016-Talent Scheme VIDI

2019-ERC Proof of Concept Grant

2019-The Netherlands’ Catalysis and Chemistry Conference Award (NCCC)

2020-ACS Sustainable Chemistry & Engineering Lectureship Awards

代表性成果简介

1. Nature Catalysis-木质纤维素的完全催化降解与高值化精细化利用

木质纤维素作为一种不可食用的含碳可再生能源被认为是化石燃料的最佳替代品。木质纤维素通常包括木质素、纤维素和半纤维素三部分。纤维素和半纤维素结构较为简单，可以通过化学或生物方法转化为乙醇、乙二醇和糠醛等小分子化合物或转化成汽油、柴油以及航空燃油等高价值燃料。木质素由于其复杂的结构和缺少有效的降解方法长久以来一直没能得到充分利用，通常只被当做固体燃料，其价值远远被低估。

2018年，该课题组在Nature Catalysis 上报导了一种利用固体铜催化剂完全转化木质纤维素制备精细化学品和燃料的方法。这个方法利用该课题组之前报导的多孔铜镁铝复合催化剂在木质素降解和纤维素催化转化中的优异性能，实现了木质纤维素的完全转化。

Katalin Barta教授和孙卓华等人提出的“LignoFlex”方法，通过廉价易得的铜镁铝催化剂实现了木质纤维素的完全转化并得到了高选择性的苯酚类化合物和脂肪醇混合物。此方法操作简便，有很大的潜力应用于未来的工业生产。通过灵活选用不同的催化体系，作者又将得到的化合物进一步升级并得到了各种精细化学品和高价值的燃料。整个过程充分利用了纤维素，半纤维素和木质素的结构特点，极大的提高了木质纤维素的价值和利用率。

Nat. Catal., 2018, 1, 82-92, DOI: 10.1038/s41929-017-0007-z

2. Chemical Reviews-新一代木质素平台化合物的开发与利用

生物质平台化合物是指那些以生物质为原料生产的，廉价易得且应用广泛的小分子化合物。长期以来，生物质平台化合物都是通过纤维素和半纤维素进行制备的。作为同样储量丰富且可再生的木质素，其降解得到的小分子化合物却从未有人将其定义为平台化合物。

近些年，随着催化解聚技术的不断发展，越来越多的木质素降解产物被报道出来，其产率和选择性也在逐步提高，很多化合物有望在未来成为新一代的木质素平台化合物。本文从木质素的催化降解到降解产物的综合利用，详细阐述了可能的木质素平台化合物的生产与利用方式。为未来木质素的催化降解及降解产物的高值化利用提供了指导。

Chem. Rev. 2018, 118, 2, 614–678, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00588

3. ACS Central Science-从木头到苯并氮杂卓类药物分子的绿色高效合成

药物活性分子结构复杂，其合成过程往往涉及到多种不同类型的有机反应。传统的药物分子合成方法以结构较为简单的大宗化学品为原料，往往需要通过十几步甚至几十步的合成路径且反应过程中产生大量的废弃物和污染物。

本文突破传统药物分子合成的策略束缚，率先采用可再生的木头为原料，以木质素优先降解得到的木质素单体为中间体进行药物分子的合成。相比于大宗化学品，木质素降解产物官能团丰富，其进一步转化所需步骤更少。通过合理设计合成路线，作者仅仅通过三步转化就实现了从木头到苯并氮杂卓类药物的合成，且反应过程无任何有害废弃物产生。所得到的药物分子通过生物活性测试表现出很好的抗菌抗癌活性。

该篇论文入选当期ACS Central Science的封面论文，并被C&EN news等国际媒体报道。

ACS Cent. Sci. 2019, 5, 10, 1707–1716, DOI: 10.1021/acscentsci.9b00781

4. Nature Reviews Chemistry-木质素催化降解中的保护策略

本文中，Katalin Barta课题组和瑞士洛桑联邦理工大学的Jeremy S. Luterbacher课题组联合发文，将生物质降解中的化学保护策略进行了系统的归纳与总结。作者通过总结生物质降解过程中化学保护策略，对生物质的降解和利用进行了再次梳理。多种化学保护策略的提出是化学家们集体智慧的结晶也是生物质领域绿色可持续发展的大势所趋。然而生物质的降解不是目的，更好的利用降解产物才能正在发挥生物质的价值。

Nat Rev Chem 4, 311–330 (2020). DOI: 10.1038/s41570-020-0187-y 

5. JACS-二醇保护下木质素的选择性降解

将木质素转化为明确的芳香族化学品是一个非常吸引人的目标，但木质素的降解过程中往往受到降解产物再缩合的阻碍，尤其是在酸解过程中。本文中，作者描述了新的木质素保护策略，显著抑制在缩合反应的发生，从而高产率地得到不同的芳香化合物。模型化合物研究表明，三氟甲磺酸催化剂对裂解木质素中储量丰富的β-O-4结构单元非常有效。在裂解条件下，醛类产物是引起副反应的主要原因。通过与二醇反应或原位催化氢化或脱羰反应捕获这种不稳定的化合物，可以得到高产率的缩醛、乙醇和乙基芳烃以及甲基芳烃三个不同的芳香化合物基团。值得注意的是，当这些方法成功地推广到真实的木质素时，得到了相同的产物组成。此外，高分子量副产物的形成明显受到抑制，说明醛中间体在这些过程中起着重要作用。所述策略有可能普遍适用于从木质素生产有用的芳香化合物。

J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 23, 7456–7467，DOI: 10.1021/jacs.5b03693

6. JACS-复杂木质素模型化合物的合成与应用

木质素中芳香族生物聚合物的复杂性对木质素解聚新方法的开发提出了挑战。虽然过度简化的模型化合物往往与木质素的化学性质缺乏相关性，但直接使用木质素进行研究对方法论的发展提出了重大的挑战。理想情况下，新方法应该在模型化合物上进行测试，这些模型化合物需要足够复杂，能够反映木质素的结构多样性，但仍然具有足够低的分子量，便于分析。在本文中，作者提出了一类先进的(β-O-4)-(β-5)双溶解模型，它们是木质素片段的高度真实的还原。结合选定的β-O-4、β-5和β -β结构，这些化合物提供了对酸催化中各种木质素键的反应活性的详细解析，以及使用乙二醇稳定的反应中间体的捕获。这些新模型的使用允许识别新的反应途径和中间体，并导致了后续木质素解聚研究中新的二聚产物的表征。模型和木质素实验之间的良好相关性突出了这类新的模型化合物在催化研究中更广泛的应用的相关性。最后作者认为，只有了解木质素中各种连接键的反应活性，才能充分优化木质素解聚策略。

J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 28, 8900–8911, DOI: 10.1021/jacs.6b04144

代表性著作列表

2021

The thousand faces of Cu-doped porous mixed oxides (Cu-PMO) in the conversion of renewable resources and beyond

M. De bruyn, Z. Sun, K. BartaIn press in Advances in Inorganic Chemistry.2021,

Elsevier Inc.

Pharmaceutically relevant (hetero)cyclic compounds and natural products from lignin-derived monomers: present and perspectives

A. Afanasenko, K. Barta

iScience, 2021, 24(3), 102211

New Mechanistic Insights into the Lignin β-O-4 Linkage Acidolysis with Ethylene Glycol Stabilization Aided by Multilevel Computational Chemistry

A. De Santi, S. Monti, G. Barcaro, Z. Zhang, K. Barta, P. J. Deuss

ACS Sustainable Chem. Eng., 2021, 9(5), 2388–2399

Guidelines for performing lignin-first biorefining

M. M. Abu-Omar, K. Barta, G. T. Beckham, J. Luterbacher, J. Ralph, R. Rinaldi, Y. Roman-Leshkov, J.Samec, B. Sels, F. Wang

Energy Environ. Sci., 2021, 14, 262-292

2020

Downstream processing strategies for the lignin‐first biorefinery

Z. Sun, J. Cheng, D. Wang T. Yuan, G. Song, K. Barta

ChemSusChem, 2020, 13, 5199-5212

Development of ’Lignin-First’ Approaches for the Valorization of Lignocellulosic Biomass

T. I. Korányi, B. Fridrich, A. Pineda, K. Barta

Molecules, 2020, 25, 2815.

Stabilization strategies in biomass depolymerization using chemical functionalization.

Y. M. Questell-Santiago, M. V. Galkin, K. Barta, J. S. Luterbacher

Nat Rev Chem, 2020, 4, 311–330

Lignin‐first fractionation of softwood lignocellulose using a mild dimethyl carbonate and ethylene glycol organosolv process

A. De Santi, M. V. Galkin, C. W. Lahive, P. J. Deuss, K. Barta

ChemSusChem, 10.1002/cssc.201903526

2019

From Wood to Tetrahydro-2-benzazepines in Three Waste-Free Steps: Modular Synthesis of Biologically Active Lignin-Derived Scaffolds

S. Elangovan, A. Afanasenko, J. Haupenthal, Z. Sun, Y. Liu, A. K. H. Hirsch, K. Barta

ACS Cent. Sci. 2019, 5, 10, 1707-1716

First reactions about the paper:A Road to Profitability from Lignin via the Production of Bioactive MoleculesW. Lan, J. S. Luterbacher

ACS Cent. Sci. 2019, 5, 10, 1642-1644

The paper was highlighted in C&EN news, you can read the press release here:Turning lignin into bioactive molecules in three green steps

Q&A with Katalin about the paper in The Medicine Maker:Waste Not… How can wood be used to produce pharmaceutically relevant compounds?

Two-step catalytic conversion of lignocellulose to alkanes

Z. Sun, D. Buwaldaa and K. Barta

RSC Adv., 2019, 9, 23727-23734

Primary benzylamines by efficient N-alkylation of benzyl alcohols using commercial Ni catalysts and easy-to-handle ammonia sources

Y. Liu, A. Afanasenko, S. Elangovan, Z. Sun, K. Barta

ACS Sustainable Chem. Eng., 2019, 7, 13, 11267-11274

Extraction of Lignin with High β-O-4 Content by Mild Ethanol Extraction and Its Effect on the Depolymerization Yield

D.S. Zijlstra, A. de Santi, B. Oldenburger, J. de Vries, K. Barta, P. J. Deuss

Journal of visualized experiments: JoVE, 143 (January 2019), 1-12. [e58575]

2018

Efficient nickel-catalysed N-alkylation of amines with alcohols

A. Afanasenko, S. Elangovan, M.C.A. Stuart, G. Bonura, F. Frusteric, K. Barta

Catal. Sci. Technol., 2018,8, 5498-5505

Bio-enriching gasoline

K. Barta

Nature Energy, 2018, 3(11), 917-918

Cleave and couple: toward fully sustainable catalytic conversion of lignocellulose to value added building blocks and fuels

Z. Sun, K. Barta

Chem. Commun., 2018,54, 7725-7745

Selective coupling of bio-derived aliphatic alcohols with acetone using hydrotalcite derived Mg-Al porous metal oxide and Raney Nickel

B. Fridrich, M.C.A. Stuart, K. Barta

ACS Sustainable Chem. Eng., 2018, 6 (7), 8468-8475

Bright side of lignin depolymerization: toward new platform chemicals

Z. Sun, B. Fridrich, A. de Santi, S. Elangovan, K. Barta

Chemical reviews 118 (2), 614-678

Complete lignocellulose conversion with integrated catalyst recycling yielding valuable aromatics and fuels

Z. Sun, G. Bottari, A. Afanasenko, M.C.A. Stuart, P.J. Deuss, B. Fridrich, K. Barta

Nature Catalysis 1 (1), 82-92

2017

Direct N-alkylation of unprotected amino acids with alcohols

T. Yan, B.L. Feringa, K. BartaScience Advances, 2017, 3 (12), eaao6494

Phenolic acetals from lignins of varying compositions via iron (iii) triflate catalysed depolymerisation

P.J. Deuss, C.S. Lancefield, A. Narani, J.G. de Vries, N.J. Westwood, K. Barta

Green Chemistry, 2017, 19 (12), 2774-2782

Efficient Catalytic Conversion of Ethanol to 1-Butanol via the Guerbet Reaction over Copper- and Nickel-Doped Porous

Z. Sun, A. Couto Vasconcelos, G. Bottari, M. C. A. Stuart, G. Bonura, C. Cannilla, F. Frusteri, K. Barta

ACS Sustainable Chem. Eng., 2017, 5(2), 1738-1746

Pre-treatment of lignocellulosic feedstocks using biorenewable alcohols: towards complete biomass valorisation

C.S. Lancefield, I. Panovic, P.J. Deuss, K. Barta, N.J. Westwood

Green Chemistry, 2017, 19 (1), 202-214

2016

Metal triflates for the production of aromatics from lignin

P.J. Deuss, C.W. Lahive, C.S. Lancefield, N.J. Westwood, P.C.J. Kamer, K. Barta, J.G. de Vries

ChemSusChem, 2016, 9(20), 2974-2981

Sustainable Pathways to Pyrroles through Iron‐Catalyzed N‐Heterocyclization from Unsaturated Diols and Primary Amines

T. Yan, K. Barta

ChemSusChem, 2016, 9 (17), 2321-2325

Advanced model compounds for understanding acid-catalyzed lignin depolymerization: Identification of renewable aromatics and a lignin-derived solvent

C.W. Lahive, P.J. Deuss, C.S. Lancefield, Z. Sun, D.B. Cordes, C.M. Young, F. Tran, A.M.Z. Slawin, J.G. de Vries, P.C.J. Kamer, N.J. Westwood, K. Barta

Journal of the American Chemical Society, 2016, 138 (28), 8900-8911

From models to lignin: Transition metal catalysis for selective bond cleavage reactions

P.J. Deuss, K. Barta

Coordination Chemistry Reviews, 2016, 306(2), 510-532

Benzylamines via iron-catalyzed direct amination of benzyl alcohols

T. Yan, B.L. Feringa, K. Barta

ACS Catalysis, 2016, 6 (1), 381-388

New insights into the catalytic cleavage of the lignin β-O-4 linkage in multifunctional ionic liquid media

M. Scott, P.J. Deuss, J.G. de Vries, M.H.G. Prechtl, K. Barta

Catalysis Science & Technology, 2016, 6 (6), 1882-1891

Mapping reactivities of aromatic models with a lignin disassembly catalyst. Steps toward controlling product selectivity

C.M. Bernt, G. Bottari, J.A. Barrett, S.L. Scott, K. Barta, P.C. Ford

Catalysis Science & Technology, 2016, 6 (9), 2984-2994

2015

Aromatic monomers by in situ conversion of reactive intermediates in the acid-catalyzed depolymerization of lignin

P.J. Deuss, M. Scott, F. Tran, N.J. Westwood, J.G. de Vries, K. Barta

Journal of the American Chemical Society, 2015, 137 (23), 7456-7467

Catalytic upgrading of sugar fractions from pyrolysis oils in supercritical mono-alcohols over Cu doped porous metal oxide

W. Yin, R.H. Venderbosch, G. Bottari, K.K. Krawzcyk, K. Barta, H.J. Heeres

Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 166, 56-65

Copper–Zinc Alloy Nanopowder: A Robust Precious‐Metal‐Free Catalyst for the Conversion of 5‐Hydroxymethylfurfural

G. Bottari, A.J. Kumalaputri, K.K. Krawczyk, B.L. Feringa, H.J. Heeres, K. Barta

ChemSusChem, 2015, 8(8), 1323-1327

Efficient catalytic hydrotreatment of Kraft lignin to alkylphenolics using supported NiW and NiMo catalysts in supercritical methanol

A. Narani, R.K. Chowdari, C. Cannilla, G. Bonura, F. Frusteri, H.J. Heeres, K. Barta

Green Chemistry, 2015, 17(11), 5046-5057

Solvent free depolymerization of Kraft lignin to alkyl-phenolics using supported NiMo and CoMo catalysts

C.R. Kumar, N. Anand, A. Kloekhorst, C. Cannilla, G. Bonura, F. Frusteri, K. Barta, H.J. Heeres

Green Chemistry, 2015, 17 (11), 4921-4930

Supercritical methanol as solvent and carbon source in the catalytic conversion of 1, 2-diaminobenzenes and 2-nitroanilines to benzimidazoles

Z. Sun, G. Bottari, K. Barta

Green Chemistry, 2015, 17 (12), 5172-5181

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