催化学报 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (6): 1013-1016.DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63093-1
张涛
Tao Zhang
摘要：
在著名的1953年米勒实验中，甲烷、氨气、氢气和水在持续电火花的作用下被转换成一系列天然氨基酸混合物，包括甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和α-氨基丁酸等等.这种化学转化过程奠定了现代人们对地球生命起源的认知基础.氨基酸作为蛋白质的基本组成成分，在生产生活中有广泛的应用，扮演着不可或缺的角色.目前，微生物发酵过程是氨基酸的主要生产途径，其生产受到许多限制.通过高效的催化方法将氨气和丰富的可再生碳资源直接转化成一系列氨基酸的化学路径尚未实现.
近日，新加坡国立大学颜宁教授课题组与厦门大学王野教授课题组等数个国内外研究小组合作，开辟了一种用化学方法将木质生物质转化成一系列氨基酸的新路径.转化策略分两步：首先将纤维素、葡萄糖等转化为α-羟基酸，再将α-羟基酸在氨水和氢气作用下制备对应的氨基酸.第二步是核心步骤，可以被看作是一种改进版的米勒实验：即采用特定的木质生物质衍生物替代甲烷作为底物，而负载的钌催化剂则取代电火花实现定向高效转化.该系统已经成功用于6种氨基酸制备，包括丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸、天冬氨酸和苯丙氨酸等.
将α-羟基酸转化成氨基酸的反应遵循先脱氢再还原胺化途径，其中脱氢是速率控制步骤.在该反应中，碳纳米管上负载的钌催化剂比其他贵金属催化剂表现出显著优异的活性.这主要得益于氨分子对钌纳米颗粒的配位作用增强了钌脱氢反应的活性.基于新开发的催化体系，葡萄糖经由两步化学反应转化成43%丙氨酸，产率与微生物发酵过程相当.文章作者还使用膜蒸馏作为产物分离提纯技术，完成了概念性工艺设计，并用实验加以验证.考虑到氨基酸的高价值，这项报道不仅代表了近年来生物质催化转化的一项重要学术突破，在进一步开发和优化后还具有很好的应用潜力.
