华南理工李宁教授团队Chin J Catal | 用于糠醛和废物高值化转化为手性N-芳基天冬氨酸的化学/酶级联反应

体娱   2024-12-20 08:30   北京  
糠醛是一种重要的生物基平台化合物,由秸秆和玉米芯等农业废弃物中的半纤维素水解/脱水得到,具有碳中性和可再生等绿色化学属性。硝基酚(NPs)是工业废水中一类常见的污染物,具有强烈的致畸性和致癌性。化学催化具有官能团耐受性好、反应性强、底物谱宽等优点,而酶催化具有反应条件温和、绿色可持续、区域选择性及对映选择性高等优势。化学/酶级联反应可以提供一种全新的合成模式,实现优势互补。从而能够从现成的起始材料中容易地生产出高附加值的手性化学物质。
为此,华南理工大学食品科学与工程学院李宁教授团队提出了一种用于糠醛和废物高值化转化为手性N-芳基天冬氨酸的化学/酶级联反应。利用催化剂工程,反应工程策略,连续流技术,提高溶氧和成对电合成策略强化同步光/电催化氧化糠醛合成马来酸(MA)和富马酸(FA)效率。在此反应模式下,通过分批补料工艺使得MA/FA的总时空产率(STY)接近2.8 g/L·h,产品滴度达28.3 g/L。此外,研究还发现可以直接利用太阳光驱动MA/FA的光/电合成,其STY高达3.6 g/L·h。MA的选择性可以通过改变缓冲液浓度实现调控;当碳酸盐浓度降至0.25 mol/L时,MA选择性和产率可提高到89%。成对电合成策略不仅大大提高了阳极室MA的合成效率,而且还能使废物硝基苯酚(NPs)在阴极上还原为有用的氨基苯酚(APs)。最后,借助马来酸顺反异构酶(MiaA)和乙二胺-N,N'-二丁二酸裂解酶(EDDS lyase)构成的双酶级联反应,将两个电极室中形成的产物进一步转化为高附加值的手性N-芳基(S)-天冬氨酸。


图文解读

同步光/电催化氧化糠醛制备MA和FA
TCPP(5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉)和ACT(4-乙酰氨基-2,2,6,6-四甲基哌啶-N-氧基)分别为光催化剂和电催化剂,在高底物浓度负载量(100 mmol/L)的情况下通过批式电催化和连续流式光催化顺利将糠醛同步光/电催化转化为MA和FA。MA和FA的产率分别为71%和14%(图1(A))。此外,可以通过降低碳酸盐缓冲液浓度来提高MA选择性。分别在0.5和0.25 mol/L的碳酸盐缓冲液中进行光/电催化糠醛氧化(图1(B)、(C))。可以发现,通过降低碳酸盐缓冲液浓度,MA产率和选择性都得到了显著提高。如在0.25 mol/L碳酸盐缓冲液中,在4 h内MA的产率为89%,同时FA产率约为3%。MA的时空产率(STY)约为2.6 g/L·h(图1(C))。
图1. 在不同浓度的碳酸盐缓冲液中,糠醛被光/电催化氧化为MA。(A)1 mol/L Na2CO3/1 mol/L NaHCO3;(B)0.5 mol/L Na2CO3/0.5 mol/L NaHCO3;(C)0.25 mol/L Na2CO3/0.25 mol/L NaHCO3
太阳光驱动的光/电合成MA和FA
鉴于TCPP在400-635 nm范围内的良好吸光度,在太阳光和电力的驱动下对糠醛进行光/电催化转化(图2(A))。在太阳光照射下,糠醛在3 h内完全转化为MA和FA,产率分别为76%和16%(图2(B))。MA和FA的总STY接近3.6 g/L·h。


图2. 阳光驱动下MA的光/电合成:(A)装置图;(B)糠醛光/电催化氧化的时间过程。
光/电/生物催化生产高滴度MA和FA
高滴度产品的积累不仅可以提高STY,还可以简化下游产物分离纯化工序。因此,采用分批补料策略生产高滴度MA和FA(图3)。在第2 h和第3 h,分别向阳极电解液中补充约100 mmol/L的糠醛,同时每小时用2 mol/L NaOH将阳极电解液的pH值调至约为10。糠醛在10 h内完全转化为MA和FA。MA的浓度达到225 mmol/L,FA的浓度达到19 mmol/L。MA和FA的总STY约为2.8 g/L·h。
此外,本团队先前的研究发现,在绿光和有机染料(如EY)存在的情况下,酶会发生显著失活,这主要是由光氧化形成的1O2引起的。在本实验中,我们也研究发现在黑暗条件和TCPP存在下,MaiA在1 h内催化95%的MA转化为了FA。相比之下,在没有任何有机染料的情况下,MA可以在20分钟内完全转化为FA。这主要是因为TCPP是一种强效的光敏剂,在取样过程中TCPP产生的1O2导致酶部分失活。因此,在酶促MA异构化为FA之前,需要首先除去TCPP。得益于TCPP在酸性条件下的极低溶解度,通过添加酸进行沉淀即可有效去除TCPP。在通过酸沉淀去除TCPP后,将反应液pH值调至8.5,加入MaiA以引发MA异构化。最终,FA在1 h内定量产生,滴度为28.3 g/L(图3),其STY约为2.6 g/L·h。

图3. 高滴度MA和FA合成

N-芳基化(S)-天冬氨酸的化学/酶法合成
随后,进行了MA和APs的成对光/电合成(图4(A)、(B))。需要注意的是,NPs的电还原是在N2氛围下进行的,这是因为产物APs很容易被空气氧化。如图4(A)所示,在阳极电解液中,MA和FA的总收率在3 h内达到约85%,而在阴极电解液中,PAP的收率为85%。在MA/FA和OAP的配对合成中,二元羧酸的总产率为89%(OAP产率为96%)(图4(B))。当糠醛的光/电催化氧化在较低浓度的碳酸盐缓冲液(0.25 mol/L)中进行时,MA选择性大大提高。阳极电解液中MA和FA的产率分别接近约88%和5%,而AP的产率几乎没有变化。
EDDS裂合酶已被成功用于不对称合成各种N-取代(S)-天冬氨酸以及FA和胺的衍生物。因此,本研究尝试用EDDS裂解酶从FA和APs合成N-芳基化(S)-天冬氨酸(图4(C))。值得注意的是,中间体是在水溶液中生产的;因此,在简单的酸碱中和后,加入酶以启动APs和FA的氢胺化反应。不幸的是,没有形成所需的产物。然而,市售PAP和FA在酶促作用下却成功发生了氢胺化反应,生成了所需产物(S)-N-(4-羟基苯基)天冬氨酸(图4(D),Asp1)。这可能是反应混合物中存在的ACT导致了酶的失活。因此,在通过有机溶剂萃取去除ACT后,再次进行了酶促氢胺化反应。最终,得到了产率约为20%的(S)-N-(4-羟基苯基)天冬氨酸。据手性分析,形成的产物的对映体过量(ee)约为49%。同样地,进行了OAP和FA的酶促氢胺化反应,成功制得(S)-N-(2-羟基苯基)天冬氨酸,产率为12%。根据前人的研究可知,EDDS裂解酶对OAP和FA的酶促氢胺化可以提供>99% ee的加成产物。

图4. MA和PAP(A)、MA和OAP(B)的成对光/电合成,N-芳基化(S)-天冬氨酸(C)的酶法合成方案和HPLC分析(D)


总结

该研究展示了集成化学/酶催化在有机合成中的巨大潜力,提出的一种集成催化方法可将生物质转化和废物升级再造结合起来,从而实现可持续生产,将为生物质和废物的高值化转化提供新思路。

该研究以“A chemoenzymatic cascade for sustainable production of chiral N-arylated aspartic acids from furfural and waste”为题发表于Chinese Journal of Catalysis。华南理工大学食品科学与工程学院博士研究生路光辉为第一作者,李宁教授为唯一通讯作者。



原文链接:

https://doi.org/10.1016/S1872-2067(24)60146-4



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