低共熔溶剂（Deep eutectic solvents）是一类新型的绿色溶剂，通常表现出和离子液体相似的物理化学性质以及溶解性能，而且制备方法更简单、成本更低，同时具有可再生、无毒、廉价和可生物降解等优点。近年来，低共熔溶剂作为离子液体的替代品引起了广泛的关注，在生物炼制领域已用于溶解并转化为糖类化合物，从而制备燃料和高附加值化学品。此外，使用低共熔溶剂探究生物质转化过程的机理、设计高效反应体系对于生物炼制行业也至关重要。
在诸多含氮杂环化合物中，吡嗪类化合物是药物中常见的核心结构单元之一。脱氧果糖嗪（Deoxyfructosazine, DOF）和果糖嗪（Fructosazine, FZ）是多羟基烷基吡嗪衍生物，这类化合物在高温或燃烧条件下，会释放多种挥发性致香成分，所以常在食品工业中用于调味剂以及香料潜香性物质。近年来，人们进一步研究发现，脱氧果糖嗪具有较好的医用生理活性，包括能预防以及治疗糖尿病、癌症和免疫学类疾病；而果糖嗪则可用作DNA断链剂。中国科学院山西煤炭化学研究所的侯相林、王英雄等在前期研究中发现碱性离子液体可催化氨基葡萄糖缩合得到脱氧果糖嗪和果糖嗪（Industrial & Engineering Chemistry Research, 2017, 56, 2925）；此外，作者系统性地研究了催化过程的反应条件、反应物与催化剂的相互作用机理，并通过量子化学计算（DFT）和原位核磁共振技术（in situ NMR）揭示了反应机理的路径（Applied Catalysis B: Environmental, 2017, 202, 420; Physical Chemistry Chemical Physics, 2015, 17, 23173）。
近日，该团队进一步发展了使用经济性和环境友好的低共熔溶剂（氯化胆碱/尿素）溶解并催化氨基葡萄糖（Glucosamine，GlcNH2）转化为脱氧果糖嗪和果糖嗪的反应。反应体系中低共熔溶剂同时发挥溶剂和催化剂的双重功能，可在温和的条件下催化反应。此外，作者引入绿色催化剂——氨基酸（精氨酸），结合低共熔溶剂高效地促进自缩合反应的进行，大大提高了脱氧果糖嗪的产率。最后，研究人员应用核磁共振技术对反应中间体、反应机理和反应路径进行探讨。结果表明，精氨酸表现出良好的催化活性是由于氨基葡萄糖和精氨酸之间存在着强氢键作用。原位核磁实验（in Situ NMR）成功捕获了在氨基葡萄糖转化生成脱氧果糖嗪过程中的反应中间体二氢果糖嗪（Dihydrofructosazine）。结合以上实验结果以及核磁技术，作者推断出催化氨基葡萄糖转化为脱氧果糖嗪的反应路径。低共熔溶剂催化氨基葡萄糖自聚合反应的系统性研究对拓展甲壳素生物质可持续转化的方法具有重要意义。
图1. 原位核磁共振氢谱检测反应路径和反应中间产物；反应温度：60 °C
图2. 低共熔溶剂具有双重功能：溶解并催化反应物
以上研究成果近期发表在ACS sustainable Chemistry & Engineering上，文章的通讯作者是王英雄研究员，第一作者是硕士研究生吴梦婕。该研究得到山西省重点研发计划（201703D421041）和中国科学院国际人才计划（PIFI for Christian M. Pedersen, 2015VMB052）的经费支持。
该论文作者为：Mengjie Wu, Hui Ma, Zhongyi Ma, Yufang Jin, Chunyan Chen, Xiaoya Guo, Yan Qiao, Christian Marcus Pedersen, Xianglin Hou and Yingxiong Wang
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Deep Eutectic Solvents: Green Solvents and Catalysts for the Preparation of Pyrazine Derivatives by Self-Condensation of D‑Glucosamine
ACS Sustainable Chem. Eng., 2018, 6, 9434, DOI: 10.1021/acssuschemeng.8b01788
导师介绍
侯相林
http://www.x-mol.com/university/faculty/22841
王英雄
http://www.x-mol.com/university/faculty/49723
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