综述：通过木质素优先生物炼制方法获取增值芳香胺的策略

这篇综述聚焦木质素优先生物炼制法生产芳香胺。阐述了木质素衍生酚类催化胺化进展、一锅法策略，介绍了木质素解聚（如 RCF、AAF、DAF 法）及产物胺化应用，还探讨了木质素基 N - 杂环化合物合成及药用潜力，为相关研究提供思路。

　　

引言

从依赖化石的传统化学制造向更可持续的可再生化学制造转型，带来了诸多挑战，其中就包括利用生物质生产含氮结构单元。木质纤维素生物质获得的含氧平台化学品，以及其他可再生资源，为增值生物基胺的合成提供了机遇。近年来，由（半）纤维素衍生的可再生平台化学品催化胺化制备脂肪胺已取得成功，但木质素衍生芳烃的胺化研究相对较少。

木质素优先（lignin-first）策略的发展为高价值芳烃（包括胺衍生物）的生产提供了有力工具，有助于提高木质纤维素生物炼制厂的经济可行性。在制浆造纸工业中，木质纤维素加工主要关注生产高质量纤维素，同时会得到结构改变且难以处理的木质素。虽然有多种提取方法可分离高质量木质素，但往往会引发木质素缩合反应。而木质素优先加工方法能够克服缩合反应，且不影响（半）纤维素组分质量，其中最典型的是还原催化分馏（RCF）、醛辅助分馏（AAF）和二醇辅助分馏（DAF）。这些方法在木质素从细胞壁释放时，利用催化稳定或保护基团化学阻止反应性中间体形成，防止缩合现象，且所得到的单酚类化合物在胺化反应中潜力巨大。

木质素解聚及胺化反应

1. 还原催化分馏（RCF）：RCF 能将木质纤维素生物质同时转化为木质素的单酚类化合物、半纤维素的还原 C5 和 C6 糖以及富含纤维素的多糖浆。该过程通常在还原气氛和金属催化剂存在下，通过溶剂解和木质素提取，原位稳定中间体，生成 4 - 烷基取代的愈创木酚和丁香酚。不同金属催化剂对产物选择性不同，如 Pd 或 Cu 基催化剂下，对 4 - 丙醇愈创木酚 / 丁香酚（1G/S）选择性较高；Ru 或 Ni 催化剂则对 4 - 丙基愈创木酚 / 丁香酚（2G/S）选择性更高 。溶剂选择也会影响脱木质素程度、（半）纤维素浆保留率以及单酚类产物选择性。例如，在软木木质素中使用 Pd/C 和二氧六环 / H₂O 混合溶剂时，对 4 - 丙醇愈创木酚（1G）选择性高，但水会引发缩合反应；将溶剂换为 MeOH 后，单体产率提高且对 1G 仍有高选择性。此外，Sun 等人提出使用非贵金属催化体系，如 Cu₂₀PMO 催化剂，能在更温和条件下从软木中高选择性生产 1G，但总单体产率低于 Pd 或 Ru 基催化剂。
2. 醛辅助分馏（AAF）：AAF 由 Luterbacher 等人建立，通过在游离 α-OH/γ-OH 基团与醛（如甲醛）之间形成环状缩醛结构，稳定木质素 β-O-4 片段，同时使半纤维素片段功能化。缩醛稳定的木质素经还原催化方法解聚，主要产物为 4 - 丙基愈创木酚 / 丁香酚（2G/S）和 4 - 丙醇愈创木酚 / 丁香酚（1G/S）。4 - 丙醇愈创木酚 / 丁香酚（1G/S）中的脂肪醇基序可通过 “氢转移” 方法，以 NH₃或 NH₄OH 为氮源、阮内镍（Raney Ni）为催化剂，构建伯脂肪胺。将该方法与 Cu 催化的 RCF 过程结合，可从松木木质纤维素中制备 4-(3 - 氨基丙基) 愈创木酚（1Ga）。此外，1G/S 还可在 MeOH 中进行环境友好的阳极氧化，生成环己二烯酮（1-2G/Sb），再与甘氨酸乙酯反应，在温和条件下合成具有挑战性的邻甲氧基取代苯胺衍生物（1-2G/Sc），该方法已在粗木质素解聚生物油的选择性生产中得到验证。不过，目前催化胺化方法在原子经济性（AE）和过程质量强度（PMI）方面还有提升空间，如减少化学计量试剂使用和优化纯化方法。
3. 二醇辅助分馏（DAF）：Barta 等人开发了二醇辅助木质素酸解方法，以乙二醇为稳定 / 捕获剂，在 1,4 - 二氧六环中，以 HOTf 或 Fe (OTf)₃为催化剂进行有机溶剂木质素酸解，可通过缩醛形成稳定反应性 C2 - 醛。该方法后来扩展到以木质纤维素为底物，使用乙二醇和碳酸二甲酯（DMC）为绿色溶剂，H₂SO₄为催化剂，从松木木质纤维素中可高效获得 C2 - 缩醛单体，还能形成乙二醇功能化木糖并保留富含纤维素的浆，且该体系已适应半连续流动装置。木质素衍生的 C2 - 缩醛经 Ru 基催化剂（如 Ru/Al₂O₃或 Ru/C）高效脱保护 / 氢化，可生成 C2 - 醇（高香草醇），再经阮内镍催化与 NH₃反应，能以较高产率得到所需的伯胺产物。Ni/TiO₂催化剂在固定床反应器中也表现出良好稳定性，C2 - 胺是合成重要药物多巴胺的理想中间体，经酸性介质中的简单去甲基化反应，可高产率生成多巴胺，从木质素生产高价值芳香产品具有经济竞争力。

木质素基 N - 杂环化合物的合成及应用

N - 杂环化合物是药物的基本组成部分，将木质素衍生的结构单元升级为与药物相关的化合物，既能提高木质纤维素生物炼制厂的盈利能力，又能为制药行业提供更原子经济的合成途径。近年来，从木质素构建 N - 杂环化合物取得了显著进展。

研究团队开发了从软木木质纤维素构建七元四氢 - 2 - 苯并氮杂卓的方法。先通过 Cu₂₀PMO 介导的还原催化分馏，高选择性形成 4 - 丙醇愈创木酚（1G），再与一系列苯胺衍生物胺化反应生成氨基烷基酚衍生物 C3-Aminoalkyl，最后经 Pictet–Spengler 反应环化，使用低共熔溶剂（DES）为绿色反应介质，构建四氢 - 2 - 苯并氮杂卓（3G_n）。多种 C3 - 氨基烷基和 3G_n化合物显示出有前景的抗菌（大肠杆菌 K12 或金黄色葡萄球菌）和抗癌活性（HepG2 细胞）。

类似方法也应用于 C2 - 缩醛，将其转化为更稳定的醇类似物，再通过氢转移机制，使用低负载 Ru 催化剂合成 C2 - 氨基烷基中间体，然后设计不同催化策略，使用绿色溶剂，构建了包括 3 - 芳基吲哚、四氢异喹啉和喹唑啉在内的三类 N - 杂环化合物。广泛的细胞活性筛选显示，四氢喹啉类，尤其是卤素取代衍生物，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和 Hep G2 细胞具有显著活性，在体内条件下对肺炎链球菌也有有效抑制作用。带有 - CF3 取代基的 C2 - 氨基烷基和四氢喹啉还表现出显著的抗 γ- 疱疹病毒活性。这些策略为获得多种 N - 杂环化合物提供了可持续途径，在绿色指标方面优于传统方法，同时为从木质素构建生物活性产品创造了新策略。

结论与展望

木质素作为自然界最大的芳烃来源，在生产芳香胺和增值衍生物方面潜力巨大。过去几年，相关研究的发展推动了高效、多样的合成胺化策略的进步。从即用型化学品到生物活性化合物，木质素衍生的平台化学品可模块化转化为有价值的产品，未来有望在该领域取得更多突破，进一步提升木质纤维素生物炼制的经济和环境效益。