名校团队结合电化学氢化和生物转化，从木质素解聚单体合成尼龙生产原料

在 T 恤、长袜、衬衫、绳索、降落伞和汽车轮胎等物件的材料成分表中，聚酰胺（即尼龙）几乎随处可见。Nylon-6 和 Nylon-6.6 是两种聚酰胺，占据全球尼龙市场约 95% 的份额。到目前为止，它们主要由化石原料生产而来。

随着当今世界对可持续发展和供应链安全越来越重视，人们对尼龙生产中大量使用不可再生的化石能源以及排放破坏气候的一氧化二氮等问题的关注变得尖锐起来。根据资料，这种石化过程排放的一氧化二氮占全球的 10% 左右。

为了打造环境友好型尼龙生产链，来自亥姆霍兹环境研究中心 (UFZ) 和莱比锡大学的研究人员成立了研究小组，现已开发出一种工艺，可以使用微生物通过电化学合成从苯酚生产己二酸（生产尼龙的中间体原料）。研究小组还表明，苯酚可以被木材工业废料所取代。这一方式可以用来生产生物基尼龙。相关论文以题“Integrated electrosynthesis and biosynthesis for the production of adipic acid from lignin-derived phenols”发表在 Green Chemistry 上。该研究的第一作者是 UFZ 化学家 Mijel Chávez Morejón 博士。

（来源：Green Chemistry）

己二酸（AA）是聚酰胺的一个重要组成部分，约占 50%。迄今为止，工业上己二酸生产的原料，如环己醇和环己酮，均为化石来源。化学转化步骤概括为：第一步，苯酚转化为环己醇；第二步，环己醇转化为己二酸。这是一个能源密集型的过程，需要高温、高气压和大量的有机溶剂。它还会释放出大量的一氧化二氮和二氧化碳。

这项研究开发出一种工艺，通过结合电化学氢化和生物转化，可以从木质素衍生的原料中合成己二酸。

据研究人员解析，其背后的化学转化与既有工艺相同。然而，电化学合成用电能代替了氢气，它在水溶液中进行，只需要控制环境压力和温度条件。在这一过程中，电子和微生物是其中的决定性因素。

▲图丨对苯酚进行电化学氢化（来源：Green Chemistry）

为了最大限度地提高反应所需的电子产量和苯酚转化为环己醇的效率，需要一种合适的催化剂使这一反应尽可能快速有效地运行。

在实验室中的研究结果显示，以碳基铑为催化剂，研究获得了最好的产量（库伦效率 69%，环己醇收率 70%）。

这种“相对较短的反应时间、高效的产量、对能源的有效利用以及与生物系统的协同作用”，让研究人员看到了生产己二酸的潜力。

从环己醇到己二酸，是利用台湾假单胞菌（Pseudomonas taiwanensis）进行转化的。

▲图丨台湾假单胞菌培养（来源：Green Chemistry）

在更早期的研究中，另外两个 UFZ 研究小组发现了台湾假单胞菌（Pseudomonas taiwanensis）将环己醇转化为己二酸的方式。

研究人员指出，“直到现在，还不可能通过微生物将苯酚转化为环己醇，我们已经用电化学反应填补了这一空白。”目前，这项研究工作还在继续向下推进。

研究人员还表明，苯酚可以由木质素（一种木材工业的废品）的降解产物替代，他们使用了诸如丁香酚（syringol）、儿茶酚（catechol）和愈创木酚（guaiacol）等单体，并证明可由这些单体一路合成己二酸。

考虑到全球己二酸产量约为 450 万吨，若能够以木材工业废料完成生产原料替换，或将对全球市场产生相当大的影响。然而，在木质素基尼龙准备好进入市场之前，还有很长的路要走。

该研究中，利用微生物通过电化学反应步骤从木质素解聚单体一路到己二酸，在耗时 22 小时的整体反应过程中，联合路线的总体效率为 57%。

就这一数据来说，产量非常可观，但仍限于实验室内的毫升级规模。研究人员表示，在未来两年内，将为扩大该工艺的规模创造先决条件。

总而言之，木质素基尼龙的工艺体现了电化学-微生物工艺的巨大潜力，因为可以通过智能方式将各种成分结合起来，建立一个最佳工艺链。