南京林业大学陈祖鹏教授课题组在木质素源多巴胺合成领域取得新进展

南京林业大学陈祖鹏教授课题组在木质素源多巴胺合成领域取得新进展

介绍

木质素是自然界中最丰富的芳香族生物质资源，将其转化为高附加值化学品具有重要的科学意义和实用价值。多巴胺是一种神经递质，能使人感到快乐、愉悦，从而治疗帕金森病、精神分裂症、注意力缺陷综合症等疾病；同时，聚多巴胺是一种非常强的离子和电子导体，被广泛应用于多巴胺基氮掺杂碳电极材料。从植物化学物质中合成昂贵的多巴胺是一种绿色可持续的合成策略，非常有吸引力且具有挑战性。近日，南京林业大学陈祖鹏教授课题组在该领域取得新进展（Nat..14, 4996 ( 2023)）。

前沿科研成果

从木质素合成多巴胺的新工艺

多巴胺是一种用于调节肾功能、血压和神经行为障碍的商业化药物，被广泛应用于治疗阿尔茨海默病、帕金森病、精神分裂症、躁狂症、抑郁症、药物滥用和饮食失调等。同时由于其生物相容性和自聚合能力，在聚多巴胺基材料领域也有应用，尤其是多巴胺基氮掺杂碳电极材料。传统的多巴胺合成路线以化石资源为原料，需要强酸的参与，反应条件苛刻，产品产率低，分离困难，使得多巴胺价格昂贵，限制了其广泛应用。木质素是自然界中最丰富的芳香族生物质资源，主要来源于农林废弃物或纸浆、造纸黑液，将其转化为高附加值的医药化学品具有重要的科学意义和实用价值。值得注意的是，木质素中的芳香族单元结构与多巴胺非常相似。因此，合成价格昂贵的多巴胺，非常有吸引力和挑战性。 通过设计合理的催化反应工艺，精准调控木质素单体中的功能基团，定向将木质素转化为多巴胺，是一种绿色、可持续的多巴胺合成策略（图1）。

本作品中的路线。（图片来源：Nat. .）

本工作以含有大量愈创木结构的软木木质素为研究对象，采用木质素酸解聚策略，将木质素选择性解聚为苯乙烯单元结构。为了避免解聚产物发生聚合，加入 Diol 化合物作为保护剂。例如，以云杉木质素为底物时，目标产物化合物 1 的质量产率最高，约为 10.3 wt.%，木质素解聚效率为 95.4%，化合物 1 进一步脱保护后得到苯乙醇单元结构。研究人员同时加入水和 Ru/C 催化剂，在低压氢气氛围下，化合物 1 先水解，进一步加氢得到化合物 2，化合物 2 的产率高达 90.3%。

- 测试。（图片来源：Nat. .）

化合物2与氨发生还原胺化反应生成化合物3。研究人员比较了几种常见的镍基和钌基催化体系，包括10%Ni/TiO2、10%Ni/Al2O3、65Ni/Al2O3、雷尼镍、5%Ru/CeO2和5%Ru/C。在固定床反应器中，对几种催化剂的反应条件进行优化发现，10%Ni/TiO2催化剂在160 ℃反应条件下表现出最好的还原胺化催化性能，转化率为100%，化合物3的产率高达88.2%。综合考虑金属负载量和金属价格，研究人员选择了10%Ni/TiO2催化剂。此外，连续运行20小时后，催化剂仍保持良好的稳定性。

。（图片来源：Nat. 。）

化合物3在酸的作用下发生水解反应生成多巴胺。首先对比了氢溴酸、氢碘酸和盐酸，发现只有在氢溴酸体系中，有大量白色固体生成，该固体即为多巴胺氢溴酸盐，最高收率高达94.5%，经过简单的过滤干燥后即可得到高纯度的多巴胺氢溴酸盐。为了得到用途更广的多巴胺盐酸盐，科研人员将多巴胺氢溴酸盐溶解在热乙醇中，加入盐酸，充分搅拌，静置后即可得到固体多巴胺盐酸盐。再次经过简单的过滤干燥后便得到了纯度大于98%的多巴胺盐酸盐。通过核磁共振进一步证实了多巴胺盐酸盐的结构和纯度。

的。（图片来源：Nat. .）

以软木木质素为原料，经解聚、脱保护、胺化、水解得到多巴胺盐酸盐，多巴胺盐酸盐的质量产率约为木质素的6.4 wt.%，摩尔产率341 μmol/g，纯度高于98.0 %。同时直接以云杉木质素为原料，将反应工艺放大10倍，以上步产物为底物进行继续反应，多巴胺盐酸盐的质量产率为3.3 wt.%，基于该反应工艺，经技术经济学测算，采用该策略生产多巴胺盐酸盐的成本远低于目前市场价格，极具经济性。

综上所述，陈祖鹏课题组首次提出了一种从木质素到多巴胺的四步催化转化新策略，经过解聚、脱保护、胺化和水解，高选择性地得到了多巴胺，单体产率高达74.5%，纯度为，该工作为将可再生生物质资源转化为高附加值的多巴胺提供了先例，在医药、电极等领域有着重要的应用，并显著提高了经济效益。

研究成果发表在国际知名期刊《 》上。论文第一作者为南京林业大学董林副教授，通讯作者为南京林业大学陈祖鹏教授和华东理工大学王彦勤教授。该项研究资金由江苏省自然科学基金青年项目、江苏省自然科学基金青年项目、江苏高校面上项目启动经费和中国博士后科学基金面上项目资助。

关于研究小组

陈祖鹏教授课题组长期致力于高效非均相催化剂的设计与开发，以及生物质/木质素催化转化、能源催化等领域的应用研究，主要研究方向包括：

1. 高效非均相催化剂（单原子、团簇、纳米颗粒）的设计与合成

2.生物质催化转化：木质素选择性转化、生物质能源高值化及化学品、生物质炭制备与利用

3. 选择性加氢和氧化

4. CO2催化制备高附加值化合物

5. 流动化学技术推动部分化学反应的工业化探索

6. 非均相反应：CC、CN、CO键的选择性断裂与构建

7. 光催化与电和热的结合

8. 能源小分子活化与催化转化过程（如水分解产氢/氧、CO2还原/转化/加氢反应、人工固氮、甲烷氧化活化能储存与转化等）

教授简介

陈祖鹏，教授，博士生导师。南京林业大学化工学院林产化学工程系（国家重点学科、双一流A+建设学科）“可持续纳米催化”课题组PI。专注于高效非均相催化剂的设计与开发，以及材料/木质素催化转化、能源催化等领域的应用研究。曾获马普学会博士奖学金、德国洪堡学者、江苏省特聘教授。在材料化学、光电催化、选择性加氢、有机碳碳偶联、生物质转化等领域取得重要进展。在ACS Nano、Small、Nano、Small等期刊发表SCI论文83篇、封面文章13篇、ESI高被引论文9篇、热点论文3篇。引用次数>6300（H-index 32）。 其中39人为第一作者或通讯作者，研究工作被《自然》杂志、《化学》杂志、《化学学报》、 《 ...

自2020年5月起，陈祖鹏以江苏特聘教授身份加入南京林业大学化工学院，结合其个人研究背景及南京林业大学研究特点，课题组将重点开展以下研究内容：

• 高效非均相催化剂的设计与合成

• 生物质催化转化：木质素选择性转化、生物质能源高值化及化学品、生物质炭制备与利用

• 选择性氢化和氧化

• 利用二氧化碳将生物质催化转化为高附加值化合物

董林，南京林业大学化工学院林产化学工程系副教授，硕士生导师。主要研究方向为多功能催化剂的设计、合成及催化性能、木质素催化转化制备高附加值化学品。曾参与国家自然科学基金青年科学基金项目、国家重点实验室开放基金、博士后基金、南京林业大学高层次人才科研启动基金等科研项目。以第一或通讯作者发表期刊论文14篇，包括Chem, , ACS, B: , Green , of , of , , &等。

招聘启事

因学科发展需要，南京林业大学陈祖鹏课题组现招聘副教授、博士后、博士、硕士，欢迎具有化学、化工、材料等专业背景，对纳米材料、异相催化、生物质催化转化、光（电）催化诱导等研究感兴趣的人员加入课题组，也欢迎各位同仁来信探讨合作课题。

有兴趣者可以电邮联系：

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