于衛(wèi)峰 孟祥光 劉 瑩 李小紅

(四川大學化學學院，綠色化學與技術教育部重點實驗室，成都610064)

1 引言

木質纖維素廣泛存在于木本和草本植物中，是地球上最豐富的可再生資源.木質素是含有大量芳香二級醇結構單元的天然高分子化合物.1，2木質素主要含有香豆醇、松柏醇、芥子醇三種組成結構單元.3，4將木質素催化降解成有價值的化學品，對解決當前的資源和能源問題以及降低造紙工業(yè)對環(huán)境污染問題都有重要意義.5目前在生物質開發(fā)和利用中有效降解木質素仍是一個具有挑戰(zhàn)性的難題.6，7在自然界中木質素降解酶(包括木質素過氧化物酶、8錳過氧化物酶9和漆酶10)被發(fā)現(xiàn)能夠有效降解木質素，這三類酶都是金屬酶，其活性中心分別含有鐵、錳和銅離子.天然酶具有反應條件溫和、高選擇性和轉化率、對環(huán)境無污染等優(yōu)點，11但天然酶也存在容易失活、成本高和操控不方便等問題.因此在溫和條件下利用金屬配合物來模擬金屬酶的活性中心，對了解天然酶的作用機理以及設計理想的模擬酶體系都具有重要意義.

木質素組成中含有大量芳香二級醇結構單元，通過斷裂側鏈二級醇結構單元中的Cα―Cβ鍵來降解木質素是一種重要的有效途徑.12對甲氧基苦杏仁酸(4-MMA)是木質素降解酶的典型作用底物.近年來許多研究者通過研究H2O2氧化4-MMA的反應來檢測分析天然木質素降解酶的活性及其影響因素.13?16Favier和Dunach17報道了高溫條件下Bi(0)/O2體系對4-MMA的氧化反應表現(xiàn)出高的轉化率，結果顯示主要生成對甲氧基苯甲醛(AAD)和對甲氧基苯甲酸(4-MBA)兩種產(chǎn)物，他們還討論了其催化反應機理.

最近我們提出了一種選擇性氧化芳香二級醇和芳香酮來達到降解木質素的方法，18，19在本文中我們選取了4-MMA作為木質素模擬底物，合成了一系列銅、鈷、錳金屬配合物，研究它們在溫和條件下對4-MMA選擇性氧化脫羧生成芳香醛的催化活性、選擇性及其他影響因素.

2 實驗部分

2.1 實驗試劑

對甲氧基苦杏仁酸(99%)、過氧化氫(30%(w))、對甲氧基苯甲醛(AAD)(99%)、對甲氧基苯甲酸(4-MBA)(98%)、丙二酸二乙酯(99%)、乙醇胺(99%)、N(2-羥乙基)乙二胺(99%)、無水硫酸銅(99%)、硝酸鈷(99%)、硫 酸 錳 (99%)、氫 氧 化 鈉 (99%)、酒 石 酸(99.5%)、磷酸(85%)、醋酸(99.5%)均為市售分析純試劑，所有其他化學藥品及溶劑都是分析純級，在使用前都做了一定純化處理.

2.2 金屬配合物的制備

配體N，N'-(2-羥乙基)丙二酰胺(L1)的合成及其銅、鈷、錳單核金屬配合物L1Cu、L1Co、L1Mn的制備參考文獻方法，20，21并用元素分析及電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)進行了表征，其結構如圖1所示.

元素分析計算值(%)，C7H12N2O4Cu:C，33.40;H，4.80;N，11.13;實測值(%):C，33.49;H，4.76;N，11.17;ICP-AES，Cu:25.26%(質量分數(shù)).

元素分析計算值(%)，C7H12N2O4Co:C，34.02;H，4.89;N，11.34;實測值(%):C，34.09;H，4.94;N，11.27;ICP-AES，Co:23.92%(質量分數(shù)).

元素分析計算值(%)，C7H12N2O4Mn:C，34.58;H，4.98;N，11.52;實測值(%):C，34.59;H，4.93;N，11.47;ICP-AES，Mn:22.65%(質量分數(shù)).

配體N，N'-{2-(2-羥乙基氨基)乙基}丙二酰胺(L2)的合成及其銅、鈷、錳雙核金屬配合物L2Cu、L2Co、L2Mn的制備參考文獻方法，20，22并用元素分析及電感耦合等離子體發(fā)射光譜法進行了表征，其結構如圖1所示.

元素分析計算值(%)，C11H20N4O4Cu2:C，33.08;H，5.05;N，14.03;實測值(%):C，33.10;H，5.08;N，14.09;ICP-AES，Cu:31.88%(質量分數(shù)).

元素分析計算值(%)，C11H20N4O4Co2:C，33.86;H，5.17;N，14.36;實測值(%):C，33.92;H，5.18;N，14.32;ICP-AES，Co:30.28%(質量分數(shù)).

元素分析計算值(%)，C11H20N4O4Mn2:C，34.57;H，5.27;N，14.66;實測值(%):C，34.60;H，5.32;N，14.59;ICP-AES，Mn:28.80%(質量分數(shù)).

2.3 儀器與測量方法

圖1 單、雙核金屬配合物的化學結構Fig.1 Chemical structures of mononuclear and binuclear metal complexes

Hitachi U-2910紫外-可見光光度計(Tokyo，Ja-pan);GC-MS(Agilent 5973 Network 6890N，USA);HPLC(Waters 1525，USA);元素分析儀(Carlo Erba 1106，USA);1H NMR(Bruker，Switzerland)CDCl3作標準;傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR，Nexus 6700，USA).

典型反應和檢測方法:盛有15 mL 0.05 mol·L?1緩沖溶液的反應瓶中依次加入催化劑LM(M=Cu，Co，Mn)、H2O2、反應底物 4-MMA，各物質的初始濃度分別為:[LM]0=5×10?5mol·L?1，[H2O2]0=0.03 mol·L?1，[4-MMA]0=1×10?3mol·L?1，控制反應溫度為35 °C，每隔一定時間間隔從反應瓶中取出0.5 mL反應溶液并稀釋10倍.對甲氧基苯甲醛(AAD)(ε300=9500 L·mol?1·cm?1)在300 nm處有很強光譜吸收，而4-MMA和4-MBA在300 nm處沒有光譜吸收，因此可以用Hitachi U-2910紫外-可見光光度計通過檢測300 nm處的吸光度定量分析測得AAD的濃度.用GC-MS(Agilent 5973 Network 6890N，USA)定性和用HPLC(Waters 1525，USA)定量檢測最終的反應溶液.GCMS測試條件:DB-5毛細管柱;載氣，N2(速率60 cm3·min?1)，He(速率2.0 cm3·min?1);氣化室溫度，300 °C;柱溫程序升溫模式，40°C保持4 min，40?260°C(升溫速率15 °C·min?1);進樣體積，0.1 μL.HPLC測試條件:C18柱;流動相，甲醇/水(V/V=1:1)，0.5 mL·min?1;柱溫，30 °C;進樣體積，20 μL;UV-Vis檢測波長，280 nm.

3 結果和討論

3.1 金屬配合物催化H2O2選擇性氧化4-MMA反應

圖2 4-MMA選擇性催化氧化生成AAD和4-MBAFig.2 Selective catalytic oxidation of 4-MMA toAAD and 4-MBA

圖3 反應溶液的UV-Vis光譜圖隨時間的變化Fig.3 UV-Vis spectral changes of reaction solution with time

本文選取芳香二級醇4-MMA作為木質素的模型底物，金屬配合物選擇性催化H2O2氧化4-MMA的反應如圖2所示.在pH=3.0，35°C時L1Cu催化H2O2氧化4-MMA隨時間的UV-Vis光譜變化如圖3所示，從圖3中可以發(fā)現(xiàn)在300 nm波長處AAD的光譜吸收強度隨反應時間而增大，并且L1Cu的催化反應速率快，AAD能夠快速生成.為了進一步分析反應的最終產(chǎn)物，對反應溶液進行了HPLC色譜檢測，圖4是L1Cu催化H2O2氧化4-MMA反應1 h后反應溶液的HPLC圖，從圖4中可以清楚地看到反應的主要產(chǎn)物為AAD以及少量的AAD繼續(xù)被進一步氧化產(chǎn)物4-MBA，根據(jù)HPLC圖譜數(shù)據(jù)以及與標準物質作對照可以進行定量分析.

圖4 反應1 h后溶液的HPLC圖Fig.4 HPLC profile of the reaction solution after reaction for 1 h

為了調查催化體系對反應的影響，在pH=3.0，35°C的酒石酸緩沖溶液中研究了六種單雙核金屬配合物催化H2O2氧化4-MMA的反應.研究表明六種金屬配合物對該反應表現(xiàn)出明顯不同的催化活性，但對AAD的選擇性卻較為相似，計算和分析結果如表1所示.從表1中可以看到銅、鈷、錳金屬配合物對4-MMA氧化成AAD都有高的選擇性，選擇性大于96%.銅金屬配合物的催化效率最高，4-MMA在1 h內轉化率可以達到80%以上，而對同一種金屬配合物而言，雙核配合物顯示了比單核配合物更高的催化活性.這可能是由于雙核金屬配合物能更好地活化H2O2以及與底物良好的結合和協(xié)同作用所致.

為了進一步調查緩沖溶液對反應的影響，選擇了酒石酸、磷酸、醋酸三種緩沖液作為研究體系，研究結果列于表2.出人意料的是，緩沖溶液的種類對反應速率以及產(chǎn)物選擇性都有很大影響.從表2中可以看到酒石酸體系下的4-MMA的轉化率、AAD的生成量、AAD的選擇性及催化反應效率都最優(yōu).這可能是由于在酒石酸環(huán)境下金屬配合物的配位環(huán)境有利于H2O2對金屬配合物中的金屬離子或配體進行活化，使得電子在金屬離子與配體間更容易轉移，有利于活性物種的形成和氧化還原反應的進行.

表1 pH=3.0，35°C時在酒石酸緩沖溶液中金屬配合物催化反應的產(chǎn)物產(chǎn)率以及選擇性Table 1 Yields and selectivity of products of reaction catalyzed by metal complexes in tartaric acid buffer solution at pH=3.0 and 35°C

表2 pH=3.0，35°C時不同緩沖溶液對選擇性氧化4-MMA的影響Table 2 Effect of different buffer solutions on the selective oxidation of 4-MMAat pH=3.0 and 35°C

3.2 pH效應和動力學分析

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在H2O2大大過量情況下，ln[(A∞?A0)/(A∞?At)]?t為很好的直線關系(相關系數(shù)大于0.995)，如圖5所示，其中A0、At、A∞分別為在反應時刻t=0，t，∞時反應溶液在300 nm處的吸光度，說明反應對底物4-MMA是表觀擬一級的.這樣可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)獲得反應的表觀一級速率常數(shù)kobs.表觀反應速率常數(shù)kobs由下列公式求得:kobst=ln[(A∞?A0)/(A∞?At)].為了避免產(chǎn)物干擾以及H2O2分解產(chǎn)生的影響，采用初始反應速率法來計算表觀反應速率常數(shù)，表3為計算得到的AAD生成的表觀一級反應速率常數(shù).從表3中可以看到AAD生成的表觀反應速率常數(shù)隨pH值的降低而增大，這可能是由于在酒石酸弱酸性環(huán)境下4-MMA上的羰基容易被質子化以及金屬配合物與過氧化氫作用容易形成“可控過氧自由基”(LM-·OOH)活性氧物種，23，24有利于選擇性氧化反應的進行.在此基礎上我們也調查了堿性條件下的催化氧化反應，結果發(fā)現(xiàn)在堿性條件下更易生成活潑的羥基自由基、超氧自由基等活性氧物種，由于這些活性氧物種更活潑，25，26既可以進行親核反應又可以進行親電反應，因此使得氧化反應產(chǎn)物沒有選擇性，最終被氧化為小分子酸和二氧化碳等物質.

圖5 35°C時酒石酸緩沖溶液體系下L1Cu催化H2O2氧化4-MMA的ln[(A∞?A0)/(A∞?At)]?t線性關系圖Fig.5 Plots of ln[(A∞?A0)/(A∞?At)]vs reaction time t for the oxidations of 4-MMAby H2O2using L1Cu as catalyst in tartaric acid solution at 35°C

表3 35°C時酒石酸緩沖溶液下金屬配合物催化AAD生成反應的表觀一級反應速率常數(shù)(kobs)Table 3 Apparent first-order rate constants(kobs)of AAD formation catalyzed by metal complexes in tartaric acid buffer solution at 35°C

為了了解H2O2在催化反應中的作用，進一步研究了H2O2濃度對催化反應速率常數(shù)的影響，在以L1Cu作為催化劑，pH=2.5的酒石酸緩沖溶液中，H2O2濃度(在 0.01?0.05 mol·L?1范圍內)對表觀反應速率常數(shù)kobs的影響如圖6所示.實驗測得lgkobs?lg[H2O2]為直線關系(相關系數(shù)大于0.99)，由公式kobs=k[H2O2]α，其中α為H2O2濃度的冪級數(shù)，經(jīng)計算得到α=0.03，k=8.64×10?4s?1，計算結果表明α值相對較小，說明H2O2濃度對此氧化反應影響較小.這可能是由于H2O2先與金屬配合物作用生成“可控的過氧自由基”(LM-·OOH)活性氧物種，然后此活性氧物種再與底物4-MMA反應生成AAD，這也進一步暗示了H2O2與金屬配合物作用速率很快，不是反應的限速步驟，而“可控的過氧自由基”活性氧物種與4-MMA的反應才是整個反應的限速步驟.

3.3 六種金屬配合物催化活性的比較

圖6 H2O2濃度對表觀一級反應速率常數(shù)的影響Fig.6 Effect of the concentration of H2O2on the apparent first-order rate constants

從表1中發(fā)現(xiàn)六種單雙核金屬配合物作為催化劑對4-MMA的催化效率為L1Cu＞L1Co＞L1Mn，L2Cu＞L2Co＞L2Mn，雙核＞單核.從表2中發(fā)現(xiàn)六種金屬配合物在酒石酸體系下的催化效率和選擇性最高.這可能是由于金屬配合物的活性中心與H2O2作用形成活性物種以及它們電子轉移的能力不同而引起的.在酒石酸緩沖溶液體系下金屬配合物的配位環(huán)境更有利于H2O2對金屬配合物的中心離子或配體進行活化，更易形成穩(wěn)定的“可控的過氧自由基”物種，使得電子在金屬離子與配體間更容易發(fā)生轉移，從而加快反應活性氧物種的形成和氧化還原反應的進行;雙核金屬配合物具有兩個金屬離子，更易與H2O2作用而被活化使之形成更多的“可控的過氧自由基”活性物種，從而加快了反應速率.

4 結論

以4-MMA作為木質素的模型底物，系統(tǒng)地研究了六種制備的單雙核金屬配合物催化H2O2氧化4-MMA的反應.研究表明:六種金屬配合物對4-MMA的氧化有很好的選擇性，4-MMA氧化為AAD的選擇性大于96%;然而金屬種類以及單雙核配合物的類型對反應速率影響很大;緩沖溶液的種類對反應速率和選擇性影響都很大;在本文條件下，生成的“可控的過氧自由基”(LM-·OOH)活性氧物種可能是產(chǎn)生良好選擇性的主要原因.

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