有机氮化学制品在现代生活的许多方面都是必不可少的。排名前200位的处方药中，80%以上的分子中至少含有一个氮原子，而排名前10位的农用化学品中都含有氮。
目前，生产有机氮化学品的主流工业流程是从不可再生的化石资源开始的，但最终人类必须以更可持续的方式生产这些化学品。
来自上海交通大学中英国际低碳学院的陈熙副教授，与来自新加坡国立大学的颜宁教授等组成课题组团队，近日发表相关论文成果，介绍了在生物质转化制备一系列高附加值有机含氮化学品方面的最新研究进展，并提出了两种主要的策略。
论文中提出，生物质（Biomass）是地球上最大的可再生碳资源，价格低廉，可广泛获得。将生物质融入有机氮化工供应链将减轻碳足迹，使产品流多样化，增强生物炼制的经济竞争力。利用生物质资源中固有的氧功能，可以为含氧有机氮化合物的合成开辟一条捷径。此外，对于含氮的生物质成分，如甲壳素（chitin），一个独特的机会来制造有机氮化学品，绕过能源密集型的“哈伯法”制备氨（Haber–Bosch ammonia）合成过程。
据估计，甲壳素在世界上的年产量为1000亿吨，其聚合物侧链上以酰胺官能团的形式吸收的氮，比哈伯-博施工艺更多。
研究团队希望建立新的反应路线，以从可再生资源合成宝贵的有机氮化合物。
他们通过定制设计的催化系统，从一系列生物质原料中直接或通过中间平台化合物获得了多种含氮产品，包括胺、氨基酸、腈和N-杂环。
研究人员提出了生产有机氮化合物的两种策略。对于纤维素、半纤维素、木质素、脂类等富含氧功能尤其是羟基的平台化学品而言，以NH3为氮源催化羟基转化为含氮基团是需要开发的关键化学技术。沿着这一思路，研究人员开发了Ru和ni基非均相催化剂，通过热催化途径将醇转化为胺和/或腈，探索了CdS纳米材料在可见光照射下促进−OH转化为−NH2。之后他们进一步建立了金属-沸石多功能体系，使邻杂环合成N-杂环成为可能。
第二种策略是使用几丁质及其衍生物作为起始材料。在天然甲壳素生物炼制的概念下，已经建立了独特的协议，将甲壳素作为唯一的原料化学转化为氨基糖、氨基醇、呋喃酰胺和N-杂环。
通过将机械化学与生物转化相结合，研究人员还演示了一个将虾壳废弃物转化为复杂的、高价值的手性化合物，包括酪氨酸和左旋多巴的综合过程。
上述研究题为“Expanding the Boundary of Biorefinery: Organonitrogen Chemicals from Biomass”，近日发表在化学领域权威期刊《Accounts of Chemical Research》上。
译/前瞻经济学人APP资讯组
参考来源：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.0c00842
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