第一作者：杨若枫 硕士、许曙光 副研究员
通讯作者：李建梅 副教授、胡常伟 教授
通讯单位：四川大学化学学院
论文DOI：10.1002/anie.202403547
本研究发展了“生物质手性结构保留”新策略，创制了高效的Ag/γ-Al
2
O
3
催化剂，在保留生物质戊糖部分天然手性结构的同时实现了C-C键的选择性高效断裂，在不添加传统手性催化剂的条件下，获得高收率（86.8%）和高光学纯度（
ee
值>99%）的手性甘油酸。
不可再生化石资源的过度开采和利用所造成的资源短缺和环境污染问题日益严重，引起了人们的高度重视。寻求新的可再生资源，替代传统化石资源，已经迫在眉睫。
生物质资源是除化石资源外唯一含有C、H、O元素的可再生资源，将廉价的生物质资源高值化转化为化学品是实现能源可持续供给的重要路径之一，也是化学品可持续生产的重要方法。目前，已有大量的研究聚焦于以生物质为原料制备精细化学品，以新的技术不断推动生物质高值化发展以完成材料、能源、环境的升级转型。手性羧酸位于生物质高值化金字塔顶端，实现天然生物质高值化制备手性羧酸产品，对于现代化学合成以及“碳中和”具有重要意义。
手性甘油酸是一种重要的手性羧酸化学品，相较于外消旋体甘油酸具有显著的生物活性。手性甘油酸的传统制备方法是生物发酵法，但生产成本高，生产效率低；而化学催化法普遍使用甘油作为原料，构建手性中心难度大，制备的甘油酸产物以外消旋体为主。
生物质衍生糖类具有丰富的天然立体结构以及大量的羟基基团。充分利用生物质基糖的天然立体结构，制备手性甘油酸产品，无需重新构建手性中心，具有显著优势。然而糖类结构通常以环状构型存在，其羰基（醛基）官能团以半缩酮（半缩醛）形式存在，削弱了其本身的电子效应，大大增加了逆羟醛缩合反应发生的难度，同时分子内存在的羟基官能团也使其更易发生脱水、聚合等副反应生成寡聚物，以生物质基糖为原料制备手性甘油酸仍有巨大挑战。
本文设计了一种高效Ag/γ-Al
2
O
3
催化体系，以D-木糖为原料、氧气为氧化剂，获得高收率、高光学纯度的D-甘油酸产物。具体的反应体系筛选和优化过程请在原文中查看。
通过同位素示踪实验和底物拓展实验（图1），发现Ag/γ-Al
2
O
3
可催化不同戊糖转化获得相应的高光学纯度手性甘油酸，证明了反应过程中D-木糖C4原子的手性中心保留并传递到D-甘油酸的C2中，结合中间体探究实验提出了D-木糖到D-甘油酸的反应路径：(i) 环式D-木糖通过开环反应转化为直链D-木糖；(ii) 部分直链D-木糖直接发生C2-C3断键，另一部分直链D-木糖发生氧化生成D-木糖酸然后发生C2-C3键断裂生成C3中间体（D-甘油醛）和C2中间体（羟基乙醛、乙二醛等）；(iii) 随后在氧气的参与下，D-甘油醛迅速氧化生成D-甘油酸，C2中间体氧化生成羟基乙酸和草酸。
Figure 1.
The results of
isotopic labeling experiment and substrate expansion. (a) quasi-Operando
13
C-NMR spectra of the liquid mixture derived from
13
C4-D-xylose
conversion over Ag/γ-Al
2
O
3
catalyst. (b) The catalytic
conversion of different substrates to chiral glyceric acid.
对催化剂本征结构进行了深入探究（图2），发现Ag负载在γ-Al
2
O
3
上时会导致Al
3+
的配位数变化以及催化剂表面重构，并形成三种Ag物种，分别为Ag
0
簇、Ag
2
O簇以及消耗其表面羟基形成的Ag-O-Al结构。同时，通过改变催化剂焙烧温度调控催化剂表面不同Ag物种的比例对催化剂的催化活性有明显影响，发现催化剂中不同的Ag物种之间存在协同作用，且高含量Ag
0
物种附带少量必要的Ag
+
物种更有利于催化D-木糖转化生成D-甘油酸。
Figure 2.
The characterization of Ag/γ-Al
2
O
3
catalyst (8 wt% loading) and γ-Al
2
O
3
support (if
mentioned).
(a) XRD spectra. (b) XPS spectra. (c)
1
H
MAS NMR and (d)
27
Al MAS NMR spectra. (e) UV-vis spectra of fresh
and used Ag/γ-Al
2
O
3
catalyst. (f) TEM image and the
distribution of particle size. (g) HRTEM image. (h) SAED image. (i) SEM and
EDS-mapping. The measurement conditions could be found in the Supporting
information.
结合实验和理论计算（图3），发现催化剂中的Ag
0
簇可以吸附并活化O
2
生成活性氧物种O*；Ag
2
O簇可以吸附D-木糖底物；Ag-O-Al具有最强的Lewis酸性，可以在O*的协助下有效促进环式D-木糖发生C-O键断裂形成链式D-木糖以及链式D-木糖发生C-C键断裂形成D-甘油醛中间体并快速氧化生成D-甘油酸产物；体系中的Na
2
CO
3
可以充当质子转移的桥梁对D-木糖底物进行活化，以促进后续的C-O键和C-C键断裂。
Figure 3.
The multi-scale
theoretical calculations to unveil the roles of Ag species. (a) The calculation
model of Ag/γ-Al
2
O
3
. (b) Differential charge density
analysis of Ag/γ-Al
2
O
3
. (c) The typical Bader charge of
Ag atom in Ag
0
cluster, Ag-O-Al structure, and Ag
2
O cluster
before/after loading on γ-Al
2
O
3
(400). (d) Partial
density of states (PDOS) analysis of typical Ag atom in Ag/γ-Al
2
O
3
.
(e) Molecular dynamics investigation of O
2
on Ag/γ-Al
2
O
3
.
(f) The favorable reaction pathway for the conversion of ring-D-xylose to
D-glyceric acid. (g) The energy profile for the conversion of ring-D-xylose to
chain-D-xylose. (h) The energy profile for the conversion of chain-D-xylose to
D-glyceric acid.
本文采用化学催化法替代传统的生物发酵法制备手性甘油酸产物，有效利用了生物质天然立体结构，为生物质高值化发展提供了一种新的思路，同时也是对目前手性甘油酸制备方法的一次重大改进。避免了传统的不对称催化对手性中心的重新构建，也克服了目前化学催化方式对映选择性低、成本高的缺点。这一成果是向攫取可再生生物质的最大价值迈出的重要一步，将为手性化学合成开辟一个新的领域。
李建梅
博士、副教授、硕士生导师，现任职于四川大学化学学院。主要研究内容：针对“生物质组成结构复杂及天然手性结构难以保持，造成产品选择性差、光学纯度低、过程C原子利用率低”的难题，构建了多功能催化体系，实现了生物质基糖类C-C、C-O键的多路线可控转化，获得不同种类羟基羧酸产品。尤其是，首次发展了“生物质手性保留”策略，在不添加传统不对称催化剂的条件下，由生物质基糖高对映选择性制备D-乳酸、D-甘油酸；在提高手性产物光学纯度、转化过程C原子利用率方面取得突破性进展。以第一/通讯作者（含共同通讯作者）在本领域主流期刊发表SCI论文约50篇，包括
Angew. Chem. Int. Ed.
(Hot Paper)
、ACS Catal.、Appl. Catal. B: Environ.、Chem. Eng. J.、J. Catal.、ACS Sustainable Chem. Eng.
等，包括高被引论文、VIP论文、Hot Paper等，单篇最高引用超过200次。
胡常伟
博士、
教授、博士生导师，现任职于四川大学化学学院。中国化学会会士，英国皇家化学会会士，国家级教学名师，享受国务院特殊津贴，四川省学术和技术带头人，爱思唯尔中国2021-2023高被引学者。现任中国化学会理事，应用化学学科委员会委员，绿色化学学科委员会委员；国家教学指导委员会大学化学课程教学指导委员会副主任委员，四川省普通本科高等学校教学指导委员会化学类专业教学指导委员会主任委员；四川省化学化工学会理事长，绿色化学与技术教育部重点实验室主任。国际可持续发展化学合作中心（ISC3）学术委员会成员（德国），ChemSusChem杂志国际顾问委员会（International Advisory Board）委员，Sustainable Chemistry for the Environment、Innovation Discovery副主编，Catalysts、Biomass、Current Organocatalysis、Journal of Moedern Agriculture and Biotechnology等杂志编委，英国皇家学会绿色化学系列丛书顾问（RSC Green Chemistry series Editorial Board，Editorial advisor）。主要从事物理化学/绿色化学教学科研工作。《绿色化学》国家教学团队负责人，主持编写了国家《大学化学》“十一•五”规划、“十二•五”规划教材，主持首批国家级一流本科课程《大学化学》建设；主持建设《绿色化学》国家精品课程、国家双语示范课程、国家资源共享课程和全英文MOOC建设。围绕资源有效利用和从源头上消除环境污染开展研究工作，承担国家973项目课题、国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金重点项目等研究项目。已发表SCI收录论文约500篇，部分论文发表在
Nat. Comm., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Appl.Catal. B. ACS Catal., Renew. & Sust. Energ. Rev., Green Chem., ChemSusChem, ACS Sustainable Chem. Eng., Bioresource Technol.
等刊物上。已获国家发明专利近40项，10余次获得省部级以上教学科研奖励及荣誉。
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