李佳霖，石 堅(jiān)，余秦偉，張 前，王為強(qiáng)，楊建明，呂 劍

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

氨基酸脫羧是重要的生物質(zhì)資源，也是合成復(fù)雜有機(jī)體極具吸引力的生物基材料，通過氨基酸催化轉(zhuǎn)化制備胺及胺的衍生物是生物質(zhì)再生利用的重要途徑，一些氨基酸可以通過脫羧直接獲得具有高反應(yīng)活性的多元胺，在生物、醫(yī)藥、農(nóng)藥和材料等領(lǐng)域發(fā)揮不可替代的作用[1-2]。

酶在氨基酸化學(xué)中具有重要地位，早在20世紀(jì)50年代，就有報(bào)道利用谷氨酸棒狀桿菌和黃精短桿菌生產(chǎn)L-谷氨酸，目前生物發(fā)酵法仍然是制備大多數(shù)氨基酸的重要手段。德、日和韓等國科學(xué)家都對(duì)L-賴氨酸酶催化脫羧反應(yīng)過程及相關(guān)性能進(jìn)行了研究。秀崎友則等[3]和Lee K H等[4]利用表達(dá)賴氨酸脫氫酶的大腸桿菌催化72 h，對(duì)L-賴氨酸鹽酸鹽催化，構(gòu)建戊二胺工程菌，提高了戊二胺產(chǎn)量。生物酶能夠?qū)μ囟ǖ孜镞M(jìn)行脫羧，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物的定向轉(zhuǎn)化。然而，酶催化反應(yīng)中，蛋白酶的環(huán)境耐受性較差，容易受金屬毒化作用而失活，同時(shí)需要添加昂貴的輔因子并且嚴(yán)格控制反應(yīng)體系的pH，工業(yè)化存在很大挑戰(zhàn)。

化學(xué)催化法是實(shí)現(xiàn)氨基酸脫羧反應(yīng)的關(guān)鍵科學(xué)途徑，按照化學(xué)催化體系的相態(tài)分類，氨基酸脫羧反應(yīng)可以分為均相催化和多相催化。均相催化劑普遍負(fù)載量高，具有催化劑穩(wěn)定性差和產(chǎn)物難分離的缺點(diǎn)；非均相催化劑具有容易分離、催化劑穩(wěn)定性高和容易連續(xù)操作等特點(diǎn)，是未來氨基酸脫羧的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。受到Pd催化脂肪酸脫羧的啟發(fā)，Schouwer F D等[5]篩選了很多Pd和Pt催化劑用來對(duì)焦谷氨酸和谷氨酸脫羧。Claes L等[6]采用Ru(OH)x/γ-Al2O3催化劑，分子氧作為氧化劑，支鏈?zhǔn)侵炬湹陌被岫伎梢员谎趸擊壬呻?。Verduyckt J等[7]使用Ru/C對(duì)L-賴氨酸脫羧，選擇性僅8%，大多都生成L-賴氨醇等胺衍生物。Ru基催化劑由于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，適合對(duì)分子氫解離吸附而被廣泛用于加氫以及還原胺化反應(yīng)。

本文采用自制的Ru/TiO2催化劑對(duì)L-賴氨酸脫羧反應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，關(guān)聯(lián)催化劑性質(zhì)與脫羧反應(yīng)性能的關(guān)系，研究反應(yīng)介質(zhì)、pH、初始?jí)毫Α⒎磻?yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度等對(duì)L-賴氨酸脫羧反應(yīng)的影響，為化學(xué)法實(shí)現(xiàn)L-賴氨酸脫羧制備戊二胺提供重要基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 催化劑制備

采用液相浸漬法制備釕基催化劑。將RuCl3溶解于去離子水或無水乙醇中，使用超聲分散(1～4) h，加入TiO2(金紅石型)，攪拌(6～24) h，其中Ru元素為TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%，去離子水與TiO2質(zhì)量比為1～10∶1；然后將物料離心、洗滌和烘干，空氣氛圍，300 ℃焙燒4 h；最后將焙燒后的物料置于H2氣氛下，(300～600) ℃還原，即得氨基酸脫羧催化劑Ru/TiO2。其中，負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，金紅石型TiO2作為載體，300 ℃還原的催化劑記為5%Ru/TiO2-r-300，未還原的催化劑記為5%Ru/TiO2-r-0，純載體記為TiO2-r。

1.2 催化劑表征

采用荷蘭Quanta 600FEG 型發(fā)射掃描電鏡對(duì)催化劑樣品進(jìn)行形貌測(cè)定；

N2吸附-脫附在美國麥克儀器公司ASAP202 型分析儀上進(jìn)行，測(cè)定催化劑樣品的比表面積及孔徑分布和孔結(jié)構(gòu)。

使用日本電子株式會(huì)社JEM-2100F場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡對(duì)催化劑進(jìn)行高分辨率透射電鏡分析，確定催化劑精細(xì)形貌和晶粒尺寸。

1.3 催化劑評(píng)價(jià)

由于游離的L-賴氨酸不穩(wěn)定，選用L-賴氨酸鹽酸鹽作為模板底物，在間歇式高壓攪拌反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行脫羧反應(yīng)。操作步驟：在高壓反應(yīng)釜中加入一定量L-賴氨酸鹽酸鹽溶液和催化劑，并根據(jù)反應(yīng)條件，加入磷酸調(diào)節(jié)pH。高壓釜密封后，用氮?dú)膺M(jìn)行置換6次，隨后通入氫氣到達(dá)設(shè)定壓力，并開始程序升溫，到達(dá)預(yù)定時(shí)間，完成反應(yīng)過程，自然冷卻，打開反應(yīng)釜，過濾催化劑得到澄清的反應(yīng)溶液，使用GC-MS對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行定性和定量分析。

2 結(jié)果與討論

L-賴氨酸在Ru/TiO2催化作用下，首先發(fā)生脫羧反應(yīng)生成1，5-戊二胺。隨著反應(yīng)過程中H2的解離吸附生成大量活性H原子，1，5-戊二胺作為中間體，在活性H的作用下繼續(xù)發(fā)生脫氨和環(huán)合等一系列副反應(yīng)，生成正戊胺和六氫吡啶等副產(chǎn)物。

2.1 反應(yīng)時(shí)間

在磷酸與L-賴氨酸物質(zhì)的量比2和初始?jí)毫? MPa條件下，不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)L-賴氨酸脫羧反應(yīng)的影響如圖1所示。

圖1 不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)L-賴氨酸脫羧反應(yīng)的影響Figure 1 Effect of reaction time on L-lysine decarboxylation

由圖1可見，反應(yīng)時(shí)間小于8 h時(shí)，隨著反應(yīng)時(shí)間增加，轉(zhuǎn)化率和選擇性均增加。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間過長，如10 h，1，5-戊二胺選擇性低于3%。因此對(duì)于Ru/TiO2催化體系，最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間為8 h。

2.2 反應(yīng)壓力

在固定反應(yīng)時(shí)間6 h和磷酸與L-賴氨酸物質(zhì)的量比2條件下，不同初始?jí)毫?duì)L-賴氨酸脫羧反應(yīng)的影響如圖2所示。

作者簡(jiǎn)介： 卜琰，女，湖南常德人，常德市安鄉(xiāng)縣教師進(jìn)修學(xué)校專任教師，講師，本科學(xué)歷，研究方向：農(nóng)村中小學(xué)教師培訓(xùn)。

圖2 不同初始?jí)毫?duì)L-賴氨酸脫羧反應(yīng)的影響Figure 2 Effect of initial reaction pressure on L-lysine decarboxylation

由圖2可見，初始?jí)毫π∮? MPa時(shí)，隨著初始?jí)毫υ黾?，選擇性與轉(zhuǎn)化率都隨之增加，當(dāng)初始?jí)毫Τ^6 MPa，繼續(xù)增加反應(yīng)壓力，轉(zhuǎn)化率依舊保持99%以上，而選擇性開始下降。從熱力學(xué)平衡觀點(diǎn)來看，L-賴氨酸脫羧反應(yīng)過程中消耗的氫氣恒定。因此，適宜的初始?jí)毫? MPa。

2.3 磷酸量

在反應(yīng)時(shí)間6 h條件下，不同磷酸量對(duì)L-賴氨酸脫羧反應(yīng)的影響如圖3所示。

圖3 不同磷酸量對(duì)L-賴氨酸脫羧反應(yīng)的影響Figure 3 Effect of phosphoric acid amount on L-lysine decarboxylation

由圖3可見，加入不同磷酸量對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物組成進(jìn)行分析，表明反應(yīng)液的pH對(duì)該反應(yīng)的選擇性具有較大的影響。在不同初始?jí)毫l件下，均具有相似的變化趨勢(shì)。不加入磷酸或加入酸量較少時(shí)，L-賴氨酸鹽酸鹽的脫羧活性較低，生成的胺選擇性均小于10%。繼續(xù)增加酸量，生成的胺選擇性增加。當(dāng)磷酸與L-賴氨酸物質(zhì)的量比為3時(shí)，胺選擇性最高。繼續(xù)增加磷酸量，磷酸與L-賴氨酸物質(zhì)的量比為4時(shí)，胺選擇性降低。

2.4 還原溫度

在反應(yīng)時(shí)間6 h、磷酸與L-賴氨酸物質(zhì)的量比3和初始?jí)毫? MPa條件下，不同還原溫度對(duì)L-賴氨酸脫羧反應(yīng)的影響如圖4所示。

圖4 不同還原溫度對(duì)L-賴氨酸脫羧反應(yīng)的影響Figure 4 Effect of reduction temperature on L-lysine decarboxylation

由圖4可見，當(dāng)Ru/TiO2的還原溫度為400 ℃和500 ℃時(shí)，催化劑具有較高的反應(yīng)活性。當(dāng)催化劑還原溫度為500 ℃時(shí)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)80%，戊二胺選擇性達(dá)52%。繼續(xù)升高還原溫度，轉(zhuǎn)化率和選擇性均有所下降。因此，適宜的還原溫度為500 ℃。

2.5 物化性能

不同還原溫度下Ru/TiO2-r的比表面積、孔徑和孔容如表1所示。

表1 不同還原溫度下Ru/TiO2-r的比表面、孔徑和孔容Table 1 Specific surface areas，pore size and pore volumes of Ru/TiO2-r at different reduction temperature

①使用BET方程計(jì)算樣品的比表面積；②相對(duì)壓力=1

由表1可見，負(fù)載前TiO2比表面積為25. 6 m2·g-1，負(fù)載活性組分未還原前Ru/TiO2-r催化劑樣品(以RuO2/TiO2-r形式存在)的比表面積為28.0 m2·g-1，負(fù)載后比表面積增加。樣品的比表面積隨著還原溫度的升高逐漸減小，比表面積從29.4 m2·g-1(300 ℃還原)降至22.2 m2·g-1(600 ℃還原)，孔容變化不明顯。金紅石型TiO2為AB2型離子晶體結(jié)構(gòu)，屬于四方晶系，空間群為P4/mmm，而RuO2也是屬于金紅石型晶體，在催化劑制備過程中自發(fā)實(shí)現(xiàn)自組裝，出現(xiàn)外延生長現(xiàn)象。雖然TiO2比表面積較低[8]，但能夠更好地促進(jìn)Ru的分散，在催化反應(yīng)過程中，能夠?qū)u活性組分起到穩(wěn)定作用。

2.6 H2-TPD

Zaera F[9]研究表明，負(fù)載貴金屬的催化劑加氫作用原理為：首先氫氣吸附于金屬原子，再解離為原子形式，為加氫脫羧反應(yīng)提供活性氫物種，因此吸脫附氫的性能是研究催化劑的重要因素。圖5為不同還原溫度催化劑的H2-TPD譜圖。由圖5可以看出，樣品在(50～500) ℃具有3個(gè)H2-TPD脫附峰，分別出現(xiàn)在102 ℃、(150～200) ℃和229 ℃，分別與活性組分Ru的氫氣脫附能力相關(guān)聯(lián)[10]。低溫區(qū)域的峰是催化劑表面H2的弱吸附，高溫的2個(gè)峰分別與催化劑活性組分和載體表面對(duì)H2強(qiáng)吸附相關(guān)[11]。不同還原溫度下的Ru/TiO2催化劑，均在約102 ℃低溫區(qū)域出現(xiàn)脫附峰，即H的弱吸附作用不被還原過程改變。在(150～250) ℃高溫區(qū)域的脫附峰由高低溫兩個(gè)峰疊加而成，其中對(duì)于較低溫度的峰是強(qiáng)吸附氫出峰，并且隨著還原溫度的升高，出峰溫度降低，表明H2在高溫還原的催化劑樣品表面更易于解離；而較高溫度的峰，與氫溢流現(xiàn)象相關(guān)，峰面積越大，表明更多的氫被載體吸附分解[12]。由圖5還可以看出，隨著還原溫度升高，600 ℃還原下的催化劑具有最強(qiáng)的氫溢流現(xiàn)象，H2對(duì)TiO2載體解離有很強(qiáng)的促進(jìn)作用，導(dǎo)致在脫羧反應(yīng)中進(jìn)一步發(fā)生脫氨和環(huán)合等副反應(yīng)，表現(xiàn)為戊二胺選擇性降低。

圖5 不同還原溫度催化劑樣品的H2-TPDFigure 5 H2-TPD profiles of catalysts at different reduction temperature

2.7 SEM

圖6 不同溫度催化劑的SEM照片F(xiàn)igure 6 SEM images of catalysts prepared at different temperature

2.8 HRTEM

不同溫度催化劑的HRTEM照片通過晶格柵標(biāo)定后確定該團(tuán)簇為被還原的金屬Ru的(101)面[13]，如圖7所示。由圖7可見，負(fù)載于載體上的金屬Ru是單分散的球形納米顆粒。還原過程后有團(tuán)聚的大顆粒(白色圈內(nèi))生成，顆粒粒徑均勻，約(3～4) nm，且分散度較高。600 ℃還原時(shí)，既有一大部分小晶粒Ru顆粒，也有少量大尺寸的Ru聚集體(大于5 nm)，總體呈現(xiàn)大小顆粒并存的分散狀態(tài)。Ru聚集體的存在不利于活性位點(diǎn)的分散作用，降低了活性組分的利用率[14-15]。在加氫脫羧反應(yīng)中，大顆粒的Ru聚集體會(huì)對(duì)脫氨副反應(yīng)起催化作用，導(dǎo)致在600 ℃還原溫度下催化劑選擇性降低，這一點(diǎn)與圖5中600 ℃還原溫度下H2-TPD結(jié)果吻合。

圖7 不同溫度催化劑的HRTEM照片和500 ℃Ru/TiO2-r的標(biāo)定照片F(xiàn)igure 7 HRTEM images of catalysts at different temperature and calibration image of 500 ℃ Ru/TiO2-r

3 結(jié) 論

在Ru/TiO2催化L-賴氨酸脫羧反應(yīng)中，還原溫度是影響催化劑性能的關(guān)鍵因素。在(300～500) ℃提高反應(yīng)溫度，比表面積和吸附氫的量均增加，但是當(dāng)反應(yīng)溫度繼續(xù)升高，由于還原溫度升高，催化劑發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象，比表面積降低。結(jié)合催化劑評(píng)價(jià)結(jié)果，最優(yōu)的脫羧催化劑還原溫度為500 ℃，催化劑具有最大的比表面積、活性位點(diǎn)及最合適的氫吸附量。

整個(gè)反應(yīng)體系的熱力學(xué)平衡是反應(yīng)溫度和初始?jí)毫Φ暮瘮?shù)，當(dāng)溫度低于500 ℃，轉(zhuǎn)化率隨著反應(yīng)壓力和溫度的增加而升高。當(dāng)反應(yīng)壓力低于6 MPa，反應(yīng)時(shí)間小于8 h時(shí)，選擇性和轉(zhuǎn)化率隨初始?jí)毫头磻?yīng)時(shí)間增加而增加，繼續(xù)增加壓力和反應(yīng)時(shí)間，選擇性則降低。反應(yīng)初始pH對(duì)L-賴氨酸脫羧形成正戊胺的選擇性有明顯影響，在磷酸與L-賴氨酸物質(zhì)的量比為3時(shí)，有利于1，5-戊二胺的生成。