生物质原料温和条件下可持续合成α-酮戊二酸和甲烷三乙酸的一锅法策略

这篇研究报道了通过生物质衍生的丙酮酸和乙醛酸在水溶液中一锅法高效合成α-酮戊二酸（KGA）和甲烷三乙酸（MTA）的创新策略。采用交叉羟醛缩合-氢化脱氧级联反应，在Pd/TiO2和MoOx/TiO2催化剂作用下，分别实现85.4%和86.2%的高收率。该路线突破传统多步合成瓶颈，具有原子经济性高、条件温和（110-200°C，1.0-2.0 MPa H2）、水相反应等优势，为多功能羧酸的绿色合成提供新范式。

　　

可持续合成α-酮戊二酸和甲烷三乙酸的研究突破

引言
α-酮戊二酸（KGA）和甲烷三乙酸（MTA）作为含多官能团的羧酸，在生物材料、医药和配位化学领域具有重要应用。KGA是合成热稳定涂层、可降解弹性体和温敏聚合物的关键单体，还可直接用作膳食补充剂和光引发剂；MTA则因其稳定的C₃对称性骨架，成为金属有机框架和有机催化剂的理想三足配体。然而传统合成方法面临步骤繁琐、收率低（碳原子经济性仅20-28%）、强酸强碱消耗和有机溶剂污染等问题。

KGA的合成创新
研究团队设计了两步串联反应路径：

1. 羟醛缩合步骤：丙酮酸与乙醛酸在近中性水溶液（pH≈8）中发生交叉缩合，当底物摩尔比提升至4:1时，中间体2-羟基-4-氧代戊二酸（C5）选择性达96.3%，副产物C5-GA（缩合副产物）降至2.8%。
2. 氢化脱氧步骤：采用1.7 nm粒径的Pd/TiO₂催化剂，在110°C/1.0 MPa H₂条件下，C5经脱水生成4-氧代戊-2-烯二酸（C5-DH）后选择性氢化，KGA收率高达85.4%。机理研究表明，Pd位点优先活化C=C键（活化能15.1 kJ/mol），而对C=O键（活化能68.2 kJ/mol）几乎无作用，这种选择性避免了过度氢化。

MTA的高效构建
通过类似策略实现KGA与乙醛酸的延伸缩合：

1. 空间位阻控制：在50°C高浓度（2.0 mol/L）条件下，中间体3-(羧甲基)-2-羟基-4-氧代戊二酸（C7）选择性>98%，其庞大的羧甲基基团有效抑制了二次缩合副反应。
2. 双催化剂协同：Pd/TiO₂与MoO_x/TiO₂物理混合体系在200°C/2.0 MPa H₂下表现卓越。XPS和H₂-TPR证实MoO_x部分还原为Mo⁵⁺形成氧空位，特异性裂解α-C-OH键，而Pd负责氢活化，最终MTA收率达86.2%。

技术优势与意义
该研究突破性地实现了：

• 原子经济性：碳基收率较传统方法提升3-4倍
• 绿色工艺：水相反应、可循环底物（丙酮酸回收率>97%）
• 催化剂稳定性：Pd/TiO₂循环5次活性无衰减，金属溶出量低于检测限
• 普适性启示：为其他多官能团羧酸（如酒石酸、柠檬酸衍生物）的合成提供模板

应用前景
KGA和MTA的规模化绿色合成将推动生物可降解材料、抗癌药物载体（如负载α-酮戊二酸的缓释聚合物）和仿生催化剂的发展。特别是MTA作为硝基三乙酸替代品，在重金属螯合和废水处理领域具有环保优势。未来通过优化MoO_x分散度和开发流动反应器，有望进一步降低能耗和成本。