基于非催化光解脱羧的植物油与动物脂肪制备可持续航空燃料（SAF）

《Biomass and Bioenergy》：Production of Sustainable Aviation Fuels (SAF) from vegetable oils and animal fats via non-catalytic photodecarboxylation

　　

研究人员实现了无金属且无分子氢条件下衍生化脂肪酸的光解脱羧。所得C9–C17烃类产率最高达83%。不饱和底物生成烯烃的产率中等（≤48%）。一锅法策略可应用于多种水解脂质生物质，产率为31–79%。该方法具有温和条件、耐空气和兼容太阳光照照射的特征。

研究背景方面，交通运输是全球温室气体（Greenhouse Gas，GHG）重要排放源，航空部门因高能量密度需求和短期内难以电气化，成为能源转型中的难点。传统可持续航空燃料（Sustainable Aviation Fuels，SAF）路线如加氢处理酯和脂肪酸（Hydroprocessed Esters and Fatty Acids，HEFA）与费托（Fischer–Tropsch，FT）合成，需要高温高压、大量氢气、贵金属催化剂或大型气化与合成装置，资本与运行成本较高。脂质生物质包括植物油与动物脂肪，具有碳含量高、氧含量低、可与食品工业副产物协同利用的优势，但现有转化路径仍依赖苛刻条件。因此，研究人员希望发展金属自由、分子氢自由、空气耐受、可见光驱动的低能耗脱氧平台，将脂肪酸转化为SAF碳数范围内的烃类。

该研究由研究人员提出一种基于电子供体-受体（Electron Donor–Acceptor，EDA）复合物介导的非催化光解脱羧路线：将脂肪酸先转化为N-羟基邻苯二甲酰亚胺（N-hydroxyphthalimide，NHPI）酯等氧化还原活性酯，再以汉斯酯（Hantzsch ester）同时作为EDA形成单元与氢供体，在蓝光或可见光照、常温常压、开放空气下脱羧生成直链烃。论文发表在《Biomass and Bioenergy》。

主要关键技术方法上，研究人员采用脂质生物质乙醇碱解法获取真实脂肪酸混合物；将脂肪酸衍化为氧化还原活性酯；以汉斯酯构建EDA复合物并进行光解脱羧；建立一锅法连接酯化与脱羧步骤；使用气相色谱火焰离子化检测（Gas Chromatography–Flame Ionization Detector，GC-FID）与气相色谱质谱联用（Gas Chromatography–Mass Spectrometry，GC-MS）分析产物碳数与组成；以核磁（¹H NMR）确认前驱体结构，并以紫外可见光谱表征原位EDA复合物。

3.1. Synthesis of the reaction precursors

3.1.1. Redox-active esters

研究人员合成饱和与不饱和脂肪酸的NHPI酯。饱和脂肪酸酯为白色固体，分离收率51–81%；癸酸（C10:0）酯因本征不稳定性收率最低。油酸与亚油酸酯含双键，为无色油状，分离收率均为42%，双键使体系在弱氧化、硅胶与空气接触时易发生不期望反应，降低衍生化与纯化效率。¹H NMR可明确归属信号并确认结构。

3.1.2. Hantzsch's ester

研究人员按文献多组分反应制得汉斯酯，黄色固体，收率70%。该分子既是EDA复合物形成单元，也是C–H键构建的氢供体，¹H NMR确认其结构。

3.2. Optimization of the photodecarboxylation protocol

研究人员以月桂酸（C12:0）为模型底物，因其产物正十一烷（n-undecane，C₁₁）处于SAF相关碳数范围，且NHPI酯收率较高。通过对溶剂、光照、汉斯酯用量等条件优化，确定异丙醇（isopropanol，iPrOH）为较低毒、低沸点、易得的溶剂，蓝光发光二极管（Light Emitting Diode，LED）约450 nm照射，常温常压开放空气可行。优化后饱和脂肪酸可高效转化为少一个碳的直链烷烃。

Application of the photodecarboxylation protocol in a one-pot methodology

研究人员将脂肪酸衍生化与光解脱羧整合于一锅。单个脂肪酸与饱和、不饱和及混合脂肪酸体系均可处理，避免中间体分离纯化损失，提升操作简便性，并显示该方法对复杂脂肪酸组合具有适应性。

Hydrolysis procedure of lipidic biomasses

研究人员对植物油与动物脂肪进行碱性乙醇水解，酸化后获得真实脂肪酸混合物。该方法使后续光化学步骤面向工业可用原料，而非仅模型化合物。

Photodecarboxylation of the real fatty acid mixture derived from vegetable oils and animal fats

研究人员将水解所得真实脂肪酸混合物进行NHPI酯化与光解脱羧，获得C₉–C₁₇直链烃，产率31–79%。动物脂肪作为此前类似光解脱羧方案中未被探索的原料被纳入，证明该平台可处理化学多样性脂质原料。

讨论部分指出，传统HEFA与FT路线受氢气供应、金属催化剂成本、高压高温设备限制；已有光催化脱羧方案存在光催化剂成本高、需惰性气体、反应时间长等问题。本研究将EDA复合物介导活化、氧化还原活性酯、一锅处理、开放空气与真实生物质估值结合，形成金属自由、分子氢自由、条件温和的脱氧平台。其意义在于把分子水平光氧化还原活化与过程强化联系起来，为SAF与先进液体燃料提供可扩展潜力。

结论部分译为：研究人员开发了一种无金属且无分子氢的光解脱羧方案，将植物油与动物脂肪来源脂肪酸转化为主要为直链C₉–C₁₇烃类。该方法以汉斯酯形成EDA复合物并供氢，在常温常压、开放空气和可见光下运行，适用于水解脂质生物质的一锅转化；饱和底物烃产率可达83%，真实植物油与动物脂肪混合物产率为31–79%。该工作拓展了光解脱羧从孤立模型底物走向复杂生物质脂肪酸混合物，为SAF相关可再生烃生产提供了简化、低资源强度的替代路径。