醇溶剂在调控型UiO-66中葡萄糖异构化与醚化反应中的作用

《ChemCatChem》：Role of Alcohol Solvents in Glucose Isomerization and Etherification in Modulated UiO-66

　　

溶剂选择显著影响葡萄糖异构化的速率及其对果糖的选择性。研究人员在甲醇和1-丙醇溶剂中考察了调控型UiO-66(Zr)上的葡萄糖异构化反应。在1-丙醇中的反应有利于葡萄糖异构化为果糖，而在甲醇中的反应则有利于葡萄糖醚化副反应生成葡萄糖苷，从而降低了果糖选择性。随后生成的果糖会与丙醇和甲醇溶剂进一步反应生成果糖苷。密度泛函理论（DFT）计算考察了关键反应以及溶剂化作用在影响果糖选择性中的重要作用。与1-丙醇相比，甲醇溶剂化环境提供的更高氢键酸性稳定了醚化路径中烷氧基进攻葡萄糖的过渡态。甲醇分子形成更紧密的氢键网络，从而在反应过程中稳定阴离子中间体。因此，酸性强于丙醇的甲醇增强了烷氧基介导的醚化反应，而非路易斯酸催化的异构化反应。在两种醇的混合溶剂中进行的实验表明，甲醇富集环境有利于葡萄糖醚化（优于异构化），而1-丙醇富集环境则有利于异构化。值得注意的是，计算得到的异构化与醚化之间的自由能差（甲醇中为+1.0 kcal/mol，1-丙醇中为–3.9 kcal/mol）与动力学实验结果（甲醇中为0.3 kcal/mol，1-丙醇中为–2.2 kcal/mol）一致。

论文解读：醇溶剂在调控型UiO-66中葡萄糖异构化与醚化反应中的作用

一、研究背景与科学问题

溶剂在催化转化过程中扮演着至关重要的角色，能够显著影响反应速率、产物选择性、催化剂失活程度以及反应机理。在生物质转化领域，Mellmer等人已证明极性非质子溶剂混合物的使用可将均相和非均相酸催化脱水反应的速率提高3至5个数量级。木质纤维素生物质转化为羟甲基糠醛（HMF）是一条重要的增值路径，其中纤维素首先水解为葡萄糖单体，葡萄糖再异构化为果糖，果糖随后脱水生成HMF。葡萄糖异构化作为该路径中的关键反应，工业上长期采用酶催化，但酶催化剂存在高温稳定性差、对pH变化敏感、对原料杂质耐受性低以及需要缓冲溶液等局限性。因此，研究人员致力于开发沸石和金属有机框架（MOF）等多相催化剂以克服上述限制并提高果糖收率。Davis等人已证明Sn-Beta等路易斯酸沸石对葡萄糖异构化具有催化活性，MIL-101(Cr)等MOF催化剂也被用于选择性催化葡萄糖异构化。此前研究已表明，甲酸调控的UiO-66(Zr)在1-丙醇溶剂中能以82%的葡萄糖转化率实现72%的果糖选择性。然而，甲醇和1-丙醇溶剂中果糖选择性的显著差异——1-丙醇中异构化占主导，甲醇中葡萄糖醚化生成甲基葡萄糖苷成为主要产物——其分子层面的原因尚不明确。对UiO-66活性位点上葡萄糖异构化和醚化路径及机理进行分子层面的研究，以及对溶剂如何影响这些路径的深入理解，对于合理选择和设计最优MOF-溶剂体系至关重要。

二、研究内容与主要结论

研究人员通过密度泛函理论（DFT）量子化学计算，采用包含2至3个显式溶剂分子的簇模型结合隐式溶剂化表示，以及全显式溶剂DFT模拟，系统研究了醇溶剂对UiO-66中葡萄糖异构化和醚化基元步骤能量学的影响。计算得到的吉布斯自由能垒与实验估算的甲醇和1-丙醇中的能垒及选择性一致，证实了1-丙醇中异构化更有利而甲醇中醚化更有利的结论。更为严格的约束从头算分子动力学（AIMD）模拟在含800余个原子的周期性MOF体系中进行，进一步证实了1-丙醇中葡萄糖醚化能垒高于甲醇。实验方面，研究人员在甲醇和1-丙醇及其混合物中开展了催化反应，测定了初始反应速率，并通过13C NMR定量产物分布，实验结果与计算结果吻合良好。

三、关键技术方法

本研究采用了多种关键技术方法。静态电子结构计算采用M06-L局域密度泛函，C、H、O原子使用6-31G(d)基组，Zr原子使用Stuttgart-Dresden（SDD）基组和有效核势，构建了Zr6O5(OH)3(C6H5CO2)4(HCO2)7簇模型模拟UiO-66的缺陷位点。采用SMD连续溶剂化模型考虑甲醇和1-丙醇的溶剂化效应，并使用Grimme准谐振近似计算363.15 K下的热力学量。全显式溶剂模拟采用Vienna从头算模拟程序包（VASP）和CP2K软件进行周期性从头算分子动力学模拟，其中使用了84个甲醇或46个1-丙醇显式溶剂分子填充调控型UiO-66晶胞。实验部分采用甲酸调控法合成了UiO-66(Zr)，在90°C下以D-[13C-C1]-葡萄糖或D-[13C-C1]-果糖为底物进行催化反应，产物经水解后用13C NMR定量分析。

四、研究结果

催化剂静止态。 调控型UiO-66中配位不饱和Zr位点被醇溶剂分子封端。DFT计算表明，烷氧基/醇配对比烷氧基/烷氧基或醇/醇配对在Zr位点对上能量上更有利（超过9 kcal/mol），因此研究人员以Zr位点对结合烷氧基和醇中间体作为实验反应条件下的静止态。该静止态由两个醇分子在裸UiO-66缺陷位点上的吸附形成，其中一分子解离吸附在Zr和μ3-O位点上形成μ3-OH基团，另一分子以分子形式结合在第二个Zr位点上。结合的烷氧基物种作为布朗斯特碱，而μ3-OH基团上的质子和结合的醇分子作为弱布朗斯特酸位点。

葡萄糖异构化机理。 路易斯酸催化的葡萄糖到果糖异构化包含三个主要步骤：葡萄糖环状形式吸附并开环为无环形式，随后发生C2到C1氢负离子迁移形成无环果糖，最后闭环形成环状果糖。研究人员提出了一种协同的C2到C1氢负离子迁移耦合邻近醇分子向结合葡萄糖O1位点质子转移的路径。葡萄糖以其O2氧原子结合Zr位点，吸附时去质子化并将质子转移至邻近Zr位点的结合烷氧基中间体。氢负离子迁移步骤在1-丙醇中的本征能垒为11.5 kcal/mol，比甲醇中的14.6 kcal/mol低3.1 kcal/mol。能垒差异主要来自熵贡献（–1.0 kcal/mol）和溶剂化贡献（–1.7 kcal/mol）。甲醇较高的酸性和氢键能力使异构化反应物和过渡态中带负电的氧中心获得不同的稳定化作用，导致甲醇中异构化本征能垒较高。计算得到的甲醇和1-丙醇中异构化表观能垒分别为22.1和21.0 kcal/mol，表明1-丙醇溶剂中葡萄糖异构化和果糖生成速率略高。

葡萄糖醚化机理。 无环葡萄糖的醚化通过烷氧基对C1=O碳的进攻进行，葡萄糖通过O5-H基团结合Zr节点，使C1=O基团能自由与邻近Zr位点上结合的烷氧基反应。醚化通过结合烷氧基的碱性氧进攻C1羰基碳，同时μ3-OH质子被结合葡萄糖的O1氧夺取，生成半缩醛醚化产物。甲醇中的本征自由能垒为14.6 kcal/mol，低于1-丙醇中的16.5 kcal/mol。能垒差异来自焓贡献（0.2 kcal/mol）、熵贡献（0.5 kcal/mol）和溶剂化稳定化（1.2 kcal/mol）在1-丙醇中均较低。通过系统修改SMD隐式溶剂化模型参数，研究人员发现氢键酸性是最主导的影响因素。甲醇较高的氢键酸性（α=0.43）比1-丙醇（α=0.37）更能稳定醚化过渡态中碱性更强的烷氧基。甲醇中醚化表观能垒为21.1 kcal/mol，低于1-丙醇中的24.9 kcal/mol，表明甲醇溶剂中葡萄糖苷生成速率更高。从头算分子动力学模拟显示，甲醇溶剂分子与甲氧基负离子之间形成更紧密的氢键结构（平均距离1.54 ?），而丙醇与丙氧基负离子之间距离为1.61 ?，证实甲醇对碱性阴离子的稳定化作用更强。

果糖醚化。 果糖在甲醇和丙醇中的醚化表观自由能垒分别为13.5和17.8 kcal/mol，分别比葡萄糖醚化能垒低7.6和7.1 kcal/mol。果糖醚化能垒较低的原因在于其羰基位于C2位置，末端C1-OH基团可围绕C1─C2键自由旋转，沿反应坐标通过氢键稳定烷氧基和O2羰基氧原子。而葡萄糖的羰基位于C1位置，围绕C1─C2键的二面角旋转受到极大限制，因为C2与结合在邻近Zr上的C2─C6葡萄糖链共价连接，导致葡萄糖过渡态中C2-OH与C1羰基之间不存在相互作用。

混合溶剂实验。 在甲醇和1-丙醇混合溶剂中进行的催化实验表明，随着甲醇含量增加，果糖收率显著下降。在低甲醇与1-丙醇比例时，醇/糖之间存在对Zr位点的竞争；随着比例增加，甲醇的溶剂化效应有利于葡萄糖醚化生成甲基葡萄糖苷。甲醇富集环境中醚化（优于异构化）的促进作用比1-丙醇富集环境更明显。

五、结论与意义

密度泛函理论计算结合实验研究阐明了甲醇和1-丙醇溶剂作为反应物和溶剂化介质对葡萄糖异构化和醚化基元步骤及果糖形成选择性的影响。研究结果表明，甲醇溶剂较高的氢键酸性和甲氧基反应物较强的碱性有利于醚化反应，这归因于过渡态中碱性烷氧基在甲醇溶剂化下获得比1-丙醇溶剂化更大的稳定化作用。计算得到的异构化和醚化活化自由能差在甲醇中为+1.0 kcal/mol、在丙醇中为–3.9 kcal/mol，与实验测定的初始异构化和醚化速率得到的0.3和–2.2 kcal/mol吻合良好。果糖比葡萄糖更容易与醇溶剂反应生成烷基果糖苷，这些果糖苷可轻易水解回果糖。混合溶剂实验进一步证实了甲醇富集溶剂化环境比1-丙醇富集环境更有利于葡萄糖醚化。该研究为通过探索具有不同氢键酸性的溶剂或溶剂混合物来调控溶剂化环境、进一步提高果糖选择性提供了机会。