馬丁、王蒙課題組實現聚乳酸塑料製備丙氨酸新過程

作為三大合成材料之首的塑料,其使用後被棄置對生態環境造成的影響極為嚴重。據統計至2016年人類已經生產83億噸塑料,其中63億噸成為廢塑料,除極少部分(<10%)被回收利用,小部分(~20%)被焚燒處理,絕大部分被棄置於自然環境中。一種可能的解決方案是採用生物可降解塑料,如最近北京市超市廣泛採用可生物降解塑料-聚乳酸(PLA)作為購物袋使用,希望能減少塑料用品對環境的影響。但是,聚乳酸塑料在實際環境中降解過程非常緩慢,而即使廢棄的聚乳酸最終降解成為CO2和H2O,這同樣是一個碳排放過程,是碳資源的巨大浪費。將包括生物可降解塑料在內的廢塑料轉化為高附加值化學品是碳資源循環的重要途徑,也是目前各國科學家努力的方向。

圖1.聚乳酸催化胺化制丙氨酸示意圖

近日,北京大學馬丁/王蒙課題組在國際上首次報道了一種將聚乳酸塑料催化轉化為丙氨酸的新過程(圖1)。採用Ru/TiO2催化劑,在無外加氫氣的條件下,氨水簡單加熱處理即可實現聚乳酸塑料高效製備丙氨酸(77%收率,反應温度140度)。研究表明,PLA在氨水中首先氨解形成乳酰胺,接着乳酰胺水解生成乳酸銨,乳酸銨再進一步在催化劑表面胺化形成丙氨酸(圖2a)。同位素示蹤實驗表明,乳酸銨α-H的活化是反應的重要步驟,且反應遵循脱氫-胺化-再加氫路線(圖2d)。而金屬催化劑對於α-H的活化、後續胺化均起到了關鍵作用。通過分離-循環可以進一步提高丙氨酸的產率,丙氨酸總體選擇性可達94%,純度超過95%。使用商業PLA吸管(約含83% PLA)評估了這種PLA到丙氨酸過程的效率,5.0 g PLA吸管經過催化轉化可獲得3.0 g的純品丙氨酸,並且全過程僅需添加氨水加熱即可實現聚乳酸轉化,無需外加氫氣。

這種在“碳循環”(carboncirculation)的思想指引下將PLA轉化為高附加值化學品的新方法具有比自然降解路徑更大的優勢,並將為其他類型廢棄塑料循環轉化帶來啓發。該研究成果近日以“Catalytic Amination of Polylactic Acid to Alanine”為題發表於Journal of the American Chemical Society

圖2. 聚乳酸催化胺化制丙氨酸反應過程

該研究得到國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、北京分子科學國家研究中心等的資助。北京大學馬丁教授和王蒙副研究員為該工作的通訊作者,第一作者為北京大學化學與分子工程學院博士研究生田樞衡和焦宇晨。

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