三氧化钨催化糖分子选择裂解新机理及其对生物质利用的重要意义

糖类化合物催化转化合成燃料和化学品为现有化石路线提供了可行的替代方案.碳化钨、氧化钨和钨酸等钨基催化剂具有催化糖分子碳-碳键选择性断裂生成乙二醇、丙二醇等C_(2,3)产物的独特性能.然而,对该催化反应的机理还一直缺乏明确的认识.最近北京大学刘海超团队报道,糖分子的羰基、α-和β-羟基与三氧化钨(WO_(3))表面的两个邻近钨原子(W-O-W结构)配位,形成一种双钨三齿螯合物;该螯合物作为反应的关键中间体,引发羰基β-位的碳-碳键断裂,从而实现糖分子的选择裂解.该新反应机理不仅为糖化学提供了新的认识,而且为糖基生物质提供了一个经乙醇醛、甘油醛等C_(2,3)中间体转化为化学品的有效策略.固体核磁表征结果表明,吸附到WO_(3)表面的^(13)Cc标记葡萄糖的C1、C2和C3三个碳原子与表面钨原子形成了C-O-W键,从而在去屏蔽作用下化学位移向低场移动,说明糖分子需要羰基以及α-和β-羟基三个官能团共同参与才具有反应活性.催化反应结果表明,含有W-O-W结构的钨基化合物均表现出催化糖分子裂解生成C_(2,3)产物的活性,例如:仲钨酸铵、磷钨酸盐和钨青铜等均相、多相催化剂都能有效地将葡萄糖转化为乙二醇.通过理论计算分别模拟L-苏阿糖和2-脱氧-L-苏阿糖在WO_(3)(001)晶面上的反应过程,发现前者形成的L-苏阿糖-三氧化钨三齿螯合物,在后续碳-碳键选择性断裂生成一分子乙醇醛和一分子表面结合的乙烯二醇中间物种过程中,只有-0.01 eV的能量变化以及0.53 eV的能垒;而2-脱氧-L-苏阿糖则不同,由于缺乏α-羟基,后续碳-碳键断裂过程中需要吸收0.20 eV的能量和克服0.62 eV的能垒.计算结果进一步证明了糖-三氧化钨三齿螯合物中间体和糖分子α-羟基在反应中发挥了至关重要的作用.刘海超团队这项开拓性的工作揭示了三氧化钨催化糖分子碳-碳键选择性断裂的新机理,扩展了教科书中对经典逆羟醛缩合反应机理的描述.在该机理指导下,来源多样、纯度不同和结构各异的糖类化合物均能够在钨基催化剂作用下经乙醇醛和甘油醛等C_(2,3)中间体转化为化学品,从而为糖基生物质高效利用提供了具有实用意义的新策略.这正如现代石油化工所普遍采用的方法,首先将石油原料经过催化裂化或水汽裂解转化为乙烯、丙烯等C_(2,3)中间体,然后进一步转化为下游丰富的化学品.因此,该项研究工作对于纤维素、半纤维素等糖基生物质的高效转化利用具有重要意义.