甲殼素生物質是地球上僅次於纖維素的第二大生物質，以其為原料合成含氮化學品具有天然的優勢，具有巨大潛力。氨基葡萄糖酸（GlcNA）是一種高價值的含氮有機酸，在食品、製藥、醫療、水處理等眾多領域都有重要的應用。氨基葡萄糖（GlcN）是一種甲殼素單糖，氧化轉化GlcN可以直接得到氨基葡萄糖酸（GlcNAc）。本課題組（上海交通大學陳熙副教授）提出了一種以空氣為氧化劑，在接近常溫常壓下催化氧化氨基葡萄糖製備氨基葡萄糖酸的綠色方法（圖1）。
圖1氨基葡萄糖在空氣中接近室溫條件下氧化製備氨基葡萄糖酸示意圖
在不額外添加鹼或者氧化劑的情況下，採用納米氧化鋅負載的納米金（Au/ZnO）催化劑，以氨基葡萄糖水溶液為底物，在最優條件下反應2小時可以獲取~85%產率的氨基葡萄糖酸 （圖2）。採用沉積沉澱法（DP）製備的Au/ZnO催化劑性能顯著優於採用沉積還原法（DR），使得氨基葡萄糖酸產率提高了兩倍以上，而實驗發現沉積沉澱法製備的催化劑用於氨基葡萄糖氧化具有更低的活化能。通過對比試驗和催化劑表徵分析，金納米粒子的平均粒徑和表面氧空位是影響催化活性的關鍵因素。在具有較高氧空位含量的ZnO載體表面上有利於形成小尺寸、均勻分散的納米金粒子，有利於提高催化劑活性。該實驗可以通過改變金前驅體濃度、催化劑煅燒溫度等方式來調整納米金催化劑的性質，從而提高其催化性能。該方法具有簡單、高效、綠色溫和的優點，採用兩性氧化物ZnO作為載體有利於催化劑後續在酸性條件下工作，為未來一步從甲殼素水解氧化製取氨基葡萄糖酸提供了可能行。該研究為甲殼素生物質資源化利用開闢了新的方法途徑，同時也為納米金氧化劑的製備設計提供了參考思路。
圖2不同金納米催化劑轉化氨基葡萄糖製備氨基葡萄糖酸產率與TOF
論文信息
Base-free Air Oxidation of Chitin-derived Glucosamine to Glucosaminic Acid by Zinc Oxide-supported Gold Nanoparticles
Yue Zheng, Dr. Di Xu, Lei Zhang, Prof. Xi Chen
Chemistry – An Asian Journal
DOI:10.1002/asia.202200556
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Chemistry – An Asian Journal
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