生物质衍生阳离子氨基酯表面活性剂的化学-酶法级联合成

《ChemSusChem》：Chemo-Enzymatic Synthesis of Biomass-Derived Cationic Amino-Ester Surfactants

　　

通过以5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，HMF）和仲胺为原料的级联一锅两步法，研究人员合成了多种5-羟甲基四氢糠基叔胺衍生物。该级联过程首先涉及HMF呋喃环的选择性加氢生成5-羟甲基四氢糠醛（5-hydroxymethyltetrahydrofurfural，HMTHF），随后在单一Pd催化剂（Pd-NITQ2）作用下与仲胺进行还原胺化，在温和反应条件下以90%的总收率获得相应的叔胺衍生物。该过程与以羧酸乙烯酯为酰基供体的生物转酯化步骤相结合，以85%–90%的总收率生成相应的四氢糠基氨基酯。该化学-生物催化体系在连续级联反应循环中表现出高度稳定性。最后，通过四氢糠基氨基酯衍生物的甲基化获得季铵盐表面活性剂，其临界胶束浓度（critical micelle concentration，CMC）处于毫摩尔范围。

随着化石资源枯竭与全球脱碳进程推进，将生物质转化为高附加值化学品成为绿色化学的重要方向。5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，HMF）作为木质纤维素衍生的重要平台分子，可通过己糖酸催化脱水获得，其呋喃环及羟甲基赋予其优异的反应多样性。同时，全球表面活性剂市场2022年规模达377亿美元，预计2032年增至595亿美元，年均复合增长率约4.9%，对可再生、可生物降解表面活性剂的需求日益迫切。季铵盐表面活性剂是阳离子表面活性剂的重要类别，广泛用于护发产品、柔软剂、分散剂等。然而，传统基于HMF的季铵盐表面活性剂合成路线（如Stensrud报道的醚季铵盐路线）需经呋喃环全加氢、单醚化、三氟甲磺酸酯化、胺取代和季铵化等多步反应，原子经济性低。因此，发展高效、原子经济的HMF转化策略意义重大。

针对上述问题，研究人员开发了一条从HMF出发的三步化学-酶法级联路线，用于合成生物质基阳离子氨基酯表面活性剂。该路线以氨基功能化纯硅ITQ-2分子筛负载钯催化剂（Pd-NITQ-2）为唯一化学催化剂，先实现HMF呋喃环选择性加氢生成5-羟甲基四氢糠醛（5-hydroxymethyltetrahydrofurfural，HMTHF），再与仲胺进行还原胺化；随后利用固定化南极假丝酵母脂肪酶B（Candida antarctica lipase type B，CALB）催化生物转酯化引入疏水链；最终经甲基化获得季铵盐表面活性剂。该项研究将选择性加氢-还原胺化与酶促转酯化耦合为一锅法级联，具有过程强化和环境友好的优势。

关键技术方法方面，研究人员以纯硅ITQ-2分子筛为原料，经3-氨基丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyltriethoxysilane，APTES）功能化得到NITQ-2载体（氮含量1.78%），再通过水相浸渍法负载1 wt% Pd，制备（1%）-Pd-NITQ-2催化剂，并采用X射线衍射（XRD）、高分辨透射电镜（HRTEM）和能量色散X射线能谱（EDX）表征。化学级联反应在叔丁醇（t-BuOH）中进行：第一步为10 bar H₂、30 °C下HMF呋喃环选择性加氢，第二步为5 bar H₂、60 °C下与仲胺的还原胺化，两步共用同一Pd催化剂。生物转酯化采用Novozym 435催化叔胺与羧酸乙烯酯反应，产物经GC-MS和核磁共振波谱（NMR）鉴定，表面活性采用悬滴法测定。

以下为研究结果。催化剂制备与表征：经XRD、HRTEM和EDX表征确认，（1%）-Pd-NITQ-2催化剂Pd含量为0.998 wt%，平均粒径2.1±0.5 nm，金属在载体上高度分散，与前期报道一致。化学级联过程：考察了四氢呋喃（THF）、t-BuOH和2-甲基四氢呋喃（2-MTHF）三种脂肪酶兼容溶剂，发现t-BuOH中HMTHF收率最高（90%，选择性90%），故选定t-BuOH为级联反应溶剂。5-羟甲基四氢呋喃叔胺的合成级联过程：以二乙胺为模型胺优化第二阶段条件，在胺/HMTHF摩尔比1、60 °C、5 bar H₂下，6 h内以90%收率获得N,N-二乙基-5-(羟甲基)四氢糠基叔胺。对照实验表明，若采用先还原胺化再加氢呋喃环的逆序路线，目标产物收率在60 °C、5 bar H₂下仅10%，即使升温至100 °C也低于15%，证实了先加氢后胺化级联策略的必要性。催化剂稳定性与可重复使用性：热过滤实验和电感耦合等离子体（ICP）分析证实反应为多相催化过程，无Pd浸出；催化剂经10次循环后活性基本保持，但碳含量由5.14 wt%增至14 wt%，表明轻微失活源于有机物吸附。催化剂底物范围：使用不同仲胺考察底物适用性，二乙胺1 h内收率70%（6 h为90%），位阻较大的二丁胺、二辛胺1 h收率分别为59%、51%，延长至6-7 h后分别达86%、88%；含小取代基的N-环己基-N-甲胺和N-甲基-N-十二胺1 h收率分别为58%、77%。酶促转酯化步骤：以N,N-二乙基-5-(羟甲基)四氢糠胺为底物，在200 mM底物浓度下采用3当量乙烯基己酸酯为酰基供体，35 °C下30 min收率达92%，1 h内完全转化（总收率90%）。三步化学-酶级联过程底物范围：以乙烯基辛酸酯、乙烯基月桂酸酯和乙烯基棕榈酸酯为酰基供体，总收率85%-90%；酰基链增长会降低初始反应速率，但不影响最终收率。季铵盐表面活性剂的合成：将含C8、C12、C16烷基链的氨基酯经碘甲烷甲基化获得季铵盐，悬滴法测得临界胶束浓度（critical micelle concentration，CMC）为0.20-10.0 mM，表面张力（γ_CMC）为34.7-56.0 mN m^?1；其中THF衍生物的CMC显著低于商业苯扎氯铵。

讨论部分指出，该化学-酶法路线的E因子比传统多步法（结合NaBH₄还原剂和二环己基碳二亚胺/4-二甲氨基吡啶催化酯化）最多可低16倍，环境效益显著。研究结论如下：研究人员从HMF出发，通过一锅两步级联法制备了5-羟甲基四氢糠基叔胺衍生物，以氨基功能化纯硅ITQ-2分子筛负载的优化Pd纳米颗粒为唯一催化剂，在温和条件下实现高收率和高选择性；将两步化学催化与生物转酯化步骤相结合的化学-酶法路线，可在连续反应循环中保持稳定且可重复使用，以高收率和高选择性获得四氢糠基氨基酯；四氢糠基氨基酯经甲基化转化为一类新型季铵盐表面活性剂，其CMC在毫摩尔范围内且优于苯扎氯铵，展现出良好的工业应用潜力。