把木質素“煉”成尼龍原料

化工行業要真正走向低碳，不能只依賴化石資源，而需要從可再生原料中制造大宗化學品。木質素是植物生物質中最豐富的芳香族高分子之一，理論上是替代石油芳烴的重要來源，但它長期被視為生物煉制中的“硬骨頭”：結構復雜，C–O鍵和C–C鍵交織，提取過程又容易降解。過去很多木質素解聚策略主要切斷芳醚C–O鍵，得到的往往是復雜酚類單體、二聚體和低聚物混合物，單一產物收率通常難以超過20 wt%。更棘手的是，木質素中的C–C連接限制了進一步單體化，而酚類結構還會抑制工業常用的自由基氧化反應。因此，如何像石油煉制一樣，把復雜木質素高效轉化為單一高值產品，一直是生物基化學品制造中的核心挑戰。

在此，美國國家可再生能源實驗室Gregg T. Beckham教授、Allison Z. Werner教授聯合威斯康星大學麥迪遜分校Shannon S. Stahl教授提出了一條“先還原、再氧化、再生物漏斗化”的串聯路線，將楊木木質素轉化為己二酸這一尼龍6,6關鍵單體。研究團隊首先通過還原催化分級和加氫脫氧，把木質素轉化為不含抑制性酚羥基的烷基芳烴混合物；隨后利用Co/Mn/Br催化自氧化，將其高效轉化為以苯甲酸和鄰/間/對苯二甲酸為主的芳香羧酸單體，單體收率最高達到73 wt%。進一步地，團隊工程化改造土壤細菌Pseudomonas putida KT2440，將這些混合芳香酸“匯流”轉化為黏康內酯，最終經氫化得到己二酸，整體實驗收率達到26 wt%木質素基，理論收率可達57 wt%。這一路線把石油化工中的紅氧化思路遷移到木質素轉化中，為復雜可再生芳香資源制備單一高值化學品提供了新范式。相關成果以“Lignin to adipic acid in a high-yield chemical and biological redox process”為題發表在《Nature》上，Kathryn M. Mains, Chad T. Palumbo, Davide Rigo, Matthew S. Webber為共同第一作者。

當前工業上通常以石油來源的苯為起點，先加氫得到環己烷，再氧化成環己酮/環己醇混合物，最后經硝酸氧化制備己二酸（圖1a）。這條路線成熟高效，卻高度依賴化石資源，并伴隨碳排放與氧化副產物問題。作者的設想則是換一個“碳源入口”：用植物細胞壁中的木質素替代石油芳烴，先通過還原催化分級從生物質中取出并穩定木質素，再經加氫脫氧得到芳香烴，隨后通過自氧化生成可被微生物利用的芳香羧酸，最后借助工程菌的代謝通路將混合物收斂到黏康內酯，并進一步氫化為己二酸（圖1b）。從流程圖可以看出，這不是單一反應的突破，而是一套把化學催化與生物制造接起來的“生物煉廠”路線。為了證明這條路線可行，研究團隊首先處理楊木生物質。還原催化分級得到的RCF油中，約42 wt%為單體，其余主要為仍由C–C鍵連接的低聚物。隨后，作者采用Mo?C催化加氫脫氧，將這些含氧酚類結構轉化為烷基芳烴混合物。這個步驟非常關鍵，因為它相當于先把會干擾自由基氧化的酚羥基“拿掉”，讓后續氧化反應更順利地發生。

圖1：對比傳統石油基己二酸生產路線與本文提出的木質素基路線。傳統路線以苯為原料，經環己烷和KA油制備己二酸；新路線則以木質素為起點，通過還原催化分級、加氫脫氧、自氧化、生物漏斗化和氫化，最終制備己二酸。

接下來，研究團隊系統優化了Co/Mn/Br催化自氧化條件。隨著Co、Mn、Br用量、溫度、反應時間和氧氣分壓的調整，芳香羧酸單體收率明顯提升，最終在220 ℃、6 bar O?、3小時條件下取得較優結果（圖2a）。為了看清反應本質，作者還用模型分子做了驗證：丙苯可以以93 mol%的收率轉化為苯甲酸，甲基丙苯異構體可以生成不同苯二甲酸異構體，茚和聯芐等結構也能被有效氧化裂解，其中聯芐轉化為苯甲酸的結果尤其說明，原本難處理的芳香C–C連接可以被拆解為單體（圖2b）。這正是木質素高值化中最難突破的一環。

當這一策略回到真實木質素油中，效果同樣突出。楊木來源HDO油經自氧化后，芳香羧酸單體收率達到73 ± 5 wt%，折算到初始木質素為31 wt%，顯著突破了傳統只依賴C–O鍵斷裂的收率限制（圖2c）。更重要的是，這一方法并不只適用于楊木。作者將同樣策略用于松木和樺木來源的HDO油，得到的芳香單體收率分別約為69 wt%和67 wt%，與楊木的67 wt%非常接近（圖2d）。這說明該路線具有一定原料適應性，不局限于某一種木質素結構。

圖2：展示木質素油的催化自氧化過程。作者優化Co/Mn/Br催化體系，將HDO油高效轉化為芳香羧酸；模型化合物證明芳香C–C鍵可被氧化裂解；楊木、松木和樺木來源底物均表現出較高單體收率。

然而，化學氧化得到的是一組芳香羧酸混合物，直接分離并不容易。于是，研究團隊引入了“生物漏斗化”思想：不強行把每種化合物分開，而是讓微生物把它們吃進去，統一轉化成一個目標分子。作者選擇了耐受芳香化合物、遺傳改造成熟的Pseudomonas putida KT2440，并為其整合了苯甲酸、對苯二甲酸、間苯二甲酸和鄰苯二甲酸等代謝路徑（圖3a）。經過環境菌株挖掘、基因通路篩選和適應性進化，工程菌KMM026可以把四種主要芳香單體作為碳源利用（圖3b）。在此基礎上，作者進一步刪除pcaD基因，使代謝流停在黏康內酯這一目標產物上，獲得菌株KMM037。無論是商業標準品配制的模擬混合物，還是楊木自氧化真實底物，其主要組成均以苯甲酸和三種苯二甲酸為主（圖3c）。搖瓶實驗顯示，KMM037可在24小時內完全消耗這些主要芳香底物，并將其轉化為黏康內酯；模擬體系中摩爾收率達到95%，真實楊木底物中達到85%（圖3d）。當底物換成松木和樺木來源的自氧化產物時，黏康內酯收率仍保持在相近水平（圖3e），進一步說明“化學解構—生物匯流”的組合具有較好的通用性。

圖3：展示工程菌Pseudomonas putida KT2440的生物漏斗化策略。通過整合苯甲酸、鄰苯二甲酸、間苯二甲酸和對苯二甲酸代謝路徑，并刪除關鍵基因，工程菌可將混合芳香酸統一轉化為黏康內酯。

為了進一步接近實際工藝，研究團隊將生物轉化放大到0.5 L生物反應器。使用模擬芳香底物時，在恒定進料條件下，黏康內酯最高滴度達到25 g L?1，收率為89 mol%，生產強度為0.35 g L?1 h?1（圖4a）。當使用真實楊木自氧化底物時，體系仍可達到18 g L?1黏康內酯，收率為78 mol%，芳香底物轉化率達到94 mol%（圖4b）。雖然真實底物中可能存在少量未定量的芳香副產物，對細胞生長和選擇性造成一定影響，但這樣的結果已經證明，該路線不只是小瓶中的概念驗證，而具備進一步放大優化的潛力。最后，作者把黏康內酯轉化為真正的尼龍單體。通過酯化、開環、氫化和水解等步驟，黏康內酯可以以99 mol%的收率轉化為己二酸；另一條路線還可以生成二甲基β-酮己二酸酯，收率達到90 mol%，后者可用于性能增強型尼龍或聚合物添加劑（圖4c）。這意味著木質素不再只是被動燃燒供能的副產物，而可以成為通往高性能聚合物單體的芳香碳資源。

圖4：展示黏康內酯的反應器放大生產及后續化學轉化。模擬底物最高獲得25 g L?1黏康內酯，真實木質素自氧化底物獲得18 g L?1；黏康內酯可進一步高收率轉化為己二酸和二甲基β-酮己二酸酯

小結

總體來看，這項工作證明了木質素可以通過一套化學—生物紅氧化串聯工藝，被高收率轉化為單一高值產物己二酸。雖然當前工藝仍存在小規模傳質損失、RCF成本約束、HDO與自氧化過程碳損失，以及真實底物中未知副產物影響微生物轉化等問題，但其意義在于突破了傳統木質素只切斷C–O鍵的天花板，展示了通過先去酚化、再氧化裂解C–C鍵、最后微生物匯流的全新邏輯。未來，隨著催化體系、連續反應器、代謝工程和底物適應性的進一步優化，這一路線有望擴展到Kraft木質素等更復雜、更廉價的工業木質素流，并將更多木質素衍生混合物轉化為可設計的生物基化學品。

來源：高分子科學前沿