多巴胺是一种能够让人感到快乐和幸福的神经传导物质，可以用来治疗帕金森病，精神分裂症，注意力缺陷综合征等多种疾病；同时，聚多巴胺是一种非常强的离子和电子导体，广泛应用于多巴胺基氮掺杂碳的电极材料。从生物质资源木质素出发高选择性合成多巴胺，是一种绿色可持续的合成策略，同时具有极大的挑战。
近日，南京林业大学陈祖鹏课题组提出了一种从木质素到多巴胺的四步催化转化策略，经过解聚、脱保护、胺化和水解，高选择性得到多巴胺，单体收率高达74.5%。同时，多巴胺产物可以自动沉降，经过简单的离心和过滤，即可获得纯度高于98%的盐酸多巴胺，显著降低了分离成本。经济核算结果证明，该策略得到的盐酸多巴胺的成本价格远低于目前的市场价格。
Figure 1 Lignin to-dopamine hydrochloride route developed in this work.
本工作以含有愈创木基结构较多的软木木质素为研究对象，采用木质素酸解聚策略，选择性将木质素解聚为苯乙烷单元结构。为了避免解聚产物的聚合，加入二醇类化合物作为保护剂。例如：当以云杉木质素为底物时，目标产物化合物1的质量收率最高，约为10.3 wt.%，木质素解聚效率为95.4%。化合物1进一步脱保护得到苯乙醇单元结构，研究者同时加入水和Ru/C催化剂，在低压氢气气氛中，化合物1首先发生水解，进一步加氢得到化合物2。化合物2的收率高达90.3%。
Figure 2 Catalytic hydrogen-borrowing amination of 2 to 3 and stability test.
化合物2与氨气发生还原氨化反应生成化合物3。研究者对比了几类常见的镍基和钌基催化体系，包括10%Ni/TiO2, 10%Ni/Al2O3, 65%10Ni/Al2O3，雷尼镍，5%Ru/CeO2和5%Ru/C。在固定床反应器上，优化了几种催化剂的反应条件，研究发现10%Ni/TiO2催化剂表现出最佳的还原胺化催化性能，在160℃反应条件下，转化率为100%，化合物3的收率高达88.2%。综合考虑金属负载量和金属价格，研究者选用10%Ni/TiO2催化剂。此外，该催化剂在连续运行20h后，依然保持良好的稳定性。
Figure 3 Catalytic hydrolysis of 3 to 4 and product separation.
化合物3在酸的作用下发生水解反应，生成多巴胺。首先，对比了氢溴酸、氢碘酸和盐酸，发现只有在氢溴酸体系中，产生大量的白色固体。该固体为多巴胺氢溴酸盐，最高收率高达94.5%，经过简单的过滤和干燥即可以得到高纯度多巴胺氢溴酸盐。为了得到应用更为广泛的盐酸多巴胺，研究者将多巴胺氢溴酸盐溶于热乙醇中，并加入盐酸，充分搅拌，静置得到盐酸多巴胺固体。再次经过简单的过滤和干燥，得到纯度大于98%的盐酸多巴胺。通过核磁进一步证明了盐酸多巴胺的结构和纯度。
Figure 4 Catalytic conversion of lignin to dopamine hydrochloride.
从软木木质素出发，经过解聚、脱保护、胺化和水解得到盐酸多巴胺，盐酸多巴胺的质量收率约占木质素的6.4 wt.%, 摩尔收率为341 μmol/g，纯度高于98.0%。同时直接以云杉木质素为原料，将反应过程放大10倍，并以前一步的产物为底物进行连续化反应，盐酸多巴胺的质量收率为3.3 wt.%。基于反应过程进行了技术经济核算，该策略生产的盐酸多巴胺成本远低于目前的市场价格。
该研究最大的意义在于，提供了一个由可再生生物质资源转化为高附加值多巴胺的先例，在医药领域和电极领域中具有重要应用，显著提高了生物质精炼工厂的经济性。
参考文献：
Dong, L.; Wang, Y.; Dong, Y.; Zhang, Y.; Pan, M.; Liu, X.; Gu, X.; Antonietti, M.; Chen, Z., Sustainable production of dopamine hydrochloride from softwood lignin. Nat. Commun. 14, 4996 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-40702-2.
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