大化所李昌志/北京化工大学雷鸣Angew. Chem. | 木质素基喹啉衍生物定向制备

第一作者和单位：丁杨铭（大化所），郭腾龙博士（大化所），李哲伟（北京化工大学）

通讯作者和单位：李昌志研究员（大化所），雷鸣教授（北京化工大学），张波副研究员（大化所）

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背景简介

木质素降解方法主要包括氢解、氧化、酸/碱催化降解、微生物降解、热解、氧化-还原两步法等，以上手段都是通过断裂木质素C-O/C-C键生成只含C、H或O小分子化合物。除以上策略，通过杂原子如N原子参与解聚木质素获得高附加值含N芳香化学品成为木质素解聚新方向。目前，大多数策略局限于木质素解聚单体或氧化修饰后的β-O-4木质素模型化合物转化，生成相应环己胺和芳香胺类化学品。以上体系往往需要外加氢源或氧源，步骤相对复杂，产物类型受限。基于此，中科院大连化学物理研究所张涛院士团队李昌志研究员与北京化工大学雷鸣教授合作发展了一锅法利用有机胺参与解聚β-O-4木质素模型化合物定向制备喹啉衍生物新策略，避免对木质素预处理，操作过程简单；并且无外加氢源与氧源参与，原子经济性高。

图1.木质素β-O-4片段直接制备喹啉衍生物策略

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图文解读

该团队对木质素β-O-4模型化合物底物和邻氨基苄醇的普适性进行考察，图2显示，带不同官能团的木质素β-O-4模型化合物和邻氨基苄醇皆可有效转化为喹啉衍生物。说明：1）该体系对木质素模型化合物的C-O键断裂和喹啉环的构建中均具有较好的表现；2）该体系一锅实现多组分串联耦合反应，高选择性地获得喹啉衍生物；3）该体系可高收率副产芳香酚衍生物。

图2.底物扩展.

该团队通过羟基保护策略解聚木质素β-O-4聚合物定向制备喹啉衍生物，首先利用双铑催化剂将木质素β-O-4聚合物解聚为对羟基苯乙酮，再与苄溴反应使对羟基保护，生成化合物（6），再与2-氨基-4-氯苄醇反应生成最终喹啉衍生物（7）。

图3. 转化木质素β-O-4聚合物定向制备喹啉衍生物

研究团队通过控制实验推测出反应路径（图4），首先木质素β-O-4模型化合物断裂解聚为苯乙酮8与愈创木酚4a，苯乙酮8与2-氨基-4-氯苄醇2a反应生成亚胺中间体12（I），再经历脱氢反应（II）生成化合物13后成环（III）获得喹啉衍生物3a；另两条可能的路径为2-氨基-4-氯苄醇脱氢为2-氨基-4-氯苯甲醛14（IV），苯乙酮与2-氨基-4-氯苯甲醛缩合反应生成化合物15（V）或13（VII），再成环脱水得到最终喹啉衍生物3a。

图4. 反应路径

团队对该反应机理进行了理论研究，计算结果表明，该反应经过中间体12的反应过程为优势反应路径，即沿着酮胺缩合(I)à脱氢(II)àC-C偶联(III)的反应途径（图5到图7）。并指出在酮胺缩合过程以及C-C偶联过程底物笼效应会有效地降低了C-O键断裂的反应自由能垒，脱氢过程中氧气作为该过程的氢受体，中间体12的脱氢过程为整个反应的决速过程，反应自由能能量跨度为22.9 kcal/mol（A9→TSA11-12）。

图5. 酮胺缩合反应过程的自由能面图（单位：kcal/mol）

图6. 脱氢反应过程的自由能面图（单位：kcal/mol）

图7. C-C偶联反应过程的自由能面图（单位：kcal/mol）

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总结与展望

该团队实现了一锅串联耦合反应，实现木质素模型化合物定向制备生物基喹啉衍生物这一创新路径。该体系具有鲜明特色：1）这是首例将木质素主要结构片段定向转化为喹啉衍生物反应体系；2）该反应无需外加氢源或氧源参与，一锅串联耦合反应，操作简便，原子经济性高。

目前，N参与解聚策略局限于木质素模型化合物，实现真实木质素转化为含氮芳香化合物极具挑战。下一阶段可利用多步反应或开发与设计多功能催化剂来攻克真实木质素定向制备高价值含氮芳香化合物的难题。

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李昌志，大连化物所研究员，博士生导师，张涛院士团队木质素转化研究方向负责人。国家重点研发计划项目（基础前沿类）首席科学家，辽宁省木质纤维生物质精炼协同创新中心首席科学家，中科院特聘研究员，辽宁省生物质能源与材料专业委员会委员，大连市领军人才。针对木质素复杂结构中C-O、C-C键精准活化的关键问题，发展了单原子催化氢解、木质素自供氢解聚等系列绿色催化新体系，实现木质素高效转化为酚类化合物；创制了抗硫催化新材料，形成以工业木质素为原料直接制芳烃和航煤段高密度多环烷烃新路线；建立了路径调控与结构重组新方法，实现木质素官能化降解制备含氮芳香化学品。上述成果在Chem. Rev., Nat. Commun.，Angew. Chem.，Energy Environ. Sci.，ACS Energy Lett.，Appl. Catal. B: Environ.，Chem. Sci.，ACS Catal.等期刊发表一作/通讯作者论文60余篇，授权发明专利25件，国内外学术会议邀请报告20余次，近两年连续入选爱思唯尔中国高被引学者榜单。主持国家重点研发计划项目、基金委重大项目子课题等10项，获首届“闵恩泽能源化工奖-青年进步奖”、“大连市技术发明一等奖”、“辽宁省自然科学二等奖。任Frontiers 期刊 Catalytic Engineering 副主编、催化学报青年编委、Journal of Energy Chemistry责任客座编辑。

雷鸣，北京化工大学化工有效资源国家重点实验室、化学学院及计算化学研究所教授，博士生导师。研究方向：计算催化化学。近年在面向小分子活化的均相催化、多相催化催化机制、基于机理的催化剂的分子设计领域进行了一系列的探索性学术研究工作。雷鸣在湖南师范大学、北京师范大学和北京化工大学分别取得学士、硕士和博士学位。2000博士毕业后任教北京化工大学，2002年到2005年在美国Clark大学从事博士后研究。工作期间在美国Emory大学，日本京都大学做短期访问学者。雷鸣教授2005年入选北京市科技新星计划，共主持国家自然科学基金6项，省部级科研项目及企业合作横向项目多项。在PNAS, J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem.，ACS Catal.，J. Chem. Theory Comput., Inorg. Chem.，J. Phys. Chem. C，Dalton Trans.等学术期刊上发表论文142篇，其中第一作者（含通讯作者）SCI论文100篇。

张波，中国科学院大连化学物理研究所副研究员，硕士生导师，2013年获得德国慕尼黑工业大学博士学位后加入到中国科学院大连化学物理研究所从事木质素催化转化研究工作，发展了系列Re基催化剂实现木质素高效转化为芳香化合物和多环烷烃方法；建立了路径调控与结构重组新方法，实现木质素官能化降解制备含氮芳香化学品。在Angew. Chem. Int. Ed., Nature Commun., ACS Catal., Green Chem., ChemSusChem., J. Energy Chem.等国际著名杂志上发表30余篇SCI学术论文，已授权专利9件。作为项目负责人先后主持国家自然科学基金青年项目，国家自然科学基金面上项目，留学回国人员科研启动基金项目，大连市高层次人才创新支持计划；并作为项目骨干参与国家自然科学基金重大项目，国家重点研发计划重点专项，中国科学院洁净能源创新研究院合作基金。2019年荣获“大连市青年科技之星称号”，2019年被认定为“大连市高层次人才青年才俊”。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202206284

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