《Nature》高产率工艺将木质素转化为己二酸！

把木质素“炼”成尼龙原料

化工行业要真正走向低碳，不能只依赖化石资源，而需要从可再生原料中制造大宗化学品。木质素是植物生物质中最丰富的芳香族高分子之一，理论上是替代石油芳烃的重要来源，但它长期被视为生物炼制中的“硬骨头”：结构复杂，C–O键和C–C键交织，提取过程又容易降解。过去很多木质素解聚策略主要切断芳醚C–O键，得到的往往是复杂酚类单体、二聚体和低聚物混合物，单一产物收率通常难以超过20 wt%。更棘手的是，木质素中的C–C连接限制了进一步单体化，而酚类结构还会抑制工业常用的自由基氧化反应。因此，如何像石油炼制一样，把复杂木质素高效转化为单一高值产品，一直是生物基化学品制造中的核心挑战。

在此，美国国家可再生能源实验室Gregg T. Beckham教授、Allison Z. Werner教授联合威斯康星大学麦迪逊分校Shannon S. Stahl教授提出了一条“先还原、再氧化、再生物漏斗化”的串联路线，将杨木木质素转化为己二酸这一尼龙6,6关键单体。研究团队首先通过还原催化分级和加氢脱氧，把木质素转化为不含抑制性酚羟基的烷基芳烃混合物；随后利用Co/Mn/Br催化自氧化，将其高效转化为以苯甲酸和邻/间/对苯二甲酸为主的芳香羧酸单体，单体收率最高达到73 wt%。进一步地，团队工程化改造土壤细菌Pseudomonas putida KT2440，将这些混合芳香酸“汇流”转化为黏康内酯，最终经氢化得到己二酸，整体实验收率达到26 wt%木质素基，理论收率可达57 wt%。这一路线把石油化工中的红氧化思路迁移到木质素转化中，为复杂可再生芳香资源制备单一高值化学品提供了新范式。相关成果以“Lignin to adipic acid in a high-yield chemical and biological redox process”为题发表在《Nature》上，Kathryn M. Mains, Chad T. Palumbo, Davide Rigo, Matthew S. Webber为共同第一作者。

当前工业上通常以石油来源的苯为起点，先加氢得到环己烷，再氧化成环己酮/环己醇混合物，最后经硝酸氧化制备己二酸（图1a）。这条路线成熟高效，却高度依赖化石资源，并伴随碳排放与氧化副产物问题。作者的设想则是换一个“碳源入口”：用植物细胞壁中的木质素替代石油芳烃，先通过还原催化分级从生物质中取出并稳定木质素，再经加氢脱氧得到芳香烃，随后通过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谢通路将混合物收敛到黏康内酯，并进一步氢化为己二酸（图1b）。从流程图可以看出，这不是单一反应的突破，而是一套把化学催化与生物制造接起来的“生物炼厂”路线。为了证明这条路线可行，研究团队首先处理杨木生物质。还原催化分级得到的RCF油中，约42 wt%为单体，其余主要为仍由C–C键连接的低聚物。随后，作者采用Mo₂C催化加氢脱氧，将这些含氧酚类结构转化为烷基芳烃混合物。这个步骤非常关键，因为它相当于先把会干扰自由基氧化的酚羟基“拿掉”，让后续氧化反应更顺利地发生。

图1：对比传统石油基己二酸生产路线与本文提出的木质素基路线。传统路线以苯为原料，经环己烷和KA油制备己二酸；新路线则以木质素为起点，通过还原催化分级、加氢脱氧、自氧化、生物漏斗化和氢化，最终制备己二酸。

接下来，研究团队系统优化了Co/Mn/Br催化自氧化条件。随着Co、Mn、Br用量、温度、反应时间和氧气分压的调整，芳香羧酸单体收率明显提升，最终在220 ℃、6 bar O₂、3小时条件下取得较优结果（图2a）。为了看清反应本质，作者还用模型分子做了验证：丙苯可以以93 mol%的收率转化为苯甲酸，甲基丙苯异构体可以生成不同苯二甲酸异构体，茚和联苄等结构也能被有效氧化裂解，其中联苄转化为苯甲酸的结果尤其说明，原本难处理的芳香C–C连接可以被拆解为单体（图2b）。这正是木质素高值化中最难突破的一环。

当这一策略回到真实木质素油中，效果同样突出。杨木来源HDO油经自氧化后，芳香羧酸单体收率达到73 ± 5 wt%，折算到初始木质素为31 wt%，显著突破了传统只依赖C–O键断裂的收率限制（图2c）。更重要的是，这一方法并不只适用于杨木。作者将同样策略用于松木和桦木来源的HDO油，得到的芳香单体收率分别约为69 wt%和67 wt%，与杨木的67 wt%非常接近（图2d）。这说明该路线具有一定原料适应性，不局限于某一种木质素结构。

图2：展示木质素油的催化自氧化过程。作者优化Co/Mn/Br催化体系，将HDO油高效转化为芳香羧酸；模型化合物证明芳香C–C键可被氧化裂解；杨木、松木和桦木来源底物均表现出较高单体收率。

然而，化学氧化得到的是一组芳香羧酸混合物，直接分离并不容易。于是，研究团队引入了“生物漏斗化”思想：不强行把每种化合物分开，而是让微生物把它们吃进去，统一转化成一个目标分子。作者选择了耐受芳香化合物、遗传改造成熟的Pseudomonas putida KT2440，并为其整合了苯甲酸、对苯二甲酸、间苯二甲酸和邻苯二甲酸等代谢路径（图3a）。经过环境菌株挖掘、基因通路筛选和适应性进化，工程菌KMM026可以把四种主要芳香单体作为碳源利用（图3b）。在此基础上，作者进一步删除pcaD基因，使代谢流停在黏康内酯这一目标产物上，获得菌株KMM037。无论是商业标准品配制的模拟混合物，还是杨木自氧化真实底物，其主要组成均以苯甲酸和三种苯二甲酸为主（图3c）。摇瓶实验显示，KMM037可在24小时内完全消耗这些主要芳香底物，并将其转化为黏康内酯；模拟体系中摩尔收率达到95%，真实杨木底物中达到85%（图3d）。当底物换成松木和桦木来源的自氧化产物时，黏康内酯收率仍保持在相近水平（图3e），进一步说明“化学解构—生物汇流”的组合具有较好的通用性。

图3：展示工程菌Pseudomonas putida KT2440的生物漏斗化策略。通过整合苯甲酸、邻苯二甲酸、间苯二甲酸和对苯二甲酸代谢路径，并删除关键基因，工程菌可将混合芳香酸统一转化为黏康内酯。

为了进一步接近实际工艺，研究团队将生物转化放大到0.5 L生物反应器。使用模拟芳香底物时，在恒定进料条件下，黏康内酯最高滴度达到25 g L⁻¹，收率为89 mol%，生产强度为0.35 g L⁻¹ h⁻¹（图4a）。当使用真实杨木自氧化底物时，体系仍可达到18 g L⁻¹黏康内酯，收率为78 mol%，芳香底物转化率达到94 mol%（图4b）。虽然真实底物中可能存在少量未定量的芳香副产物，对细胞生长和选择性造成一定影响，但这样的结果已经证明，该路线不只是小瓶中的概念验证，而具备进一步放大优化的潜力。最后，作者把黏康内酯转化为真正的尼龙单体。通过酯化、开环、氢化和水解等步骤，黏康内酯可以以99 mol%的收率转化为己二酸；另一条路线还可以生成二甲基β-酮己二酸酯，收率达到90 mol%，后者可用于性能增强型尼龙或聚合物添加剂（图4c）。这意味着木质素不再只是被动燃烧供能的副产物，而可以成为通往高性能聚合物单体的芳香碳资源。

图4：展示黏康内酯的反应器放大生产及后续化学转化。模拟底物最高获得25 g L⁻¹黏康内酯，真实木质素自氧化底物获得18 g L⁻¹；黏康内酯可进一步高收率转化为己二酸和二甲基β-酮己二酸酯

小结

总体来看，这项工作证明了木质素可以通过一套化学—生物红氧化串联工艺，被高收率转化为单一高值产物己二酸。虽然当前工艺仍存在小规模传质损失、RCF成本约束、HDO与自氧化过程碳损失，以及真实底物中未知副产物影响微生物转化等问题，但其意义在于突破了传统木质素只切断C–O键的天花板，展示了通过先去酚化、再氧化裂解C–C键、最后微生物汇流的全新逻辑。未来，随着催化体系、连续反应器、代谢工程和底物适应性的进一步优化，这一路线有望扩展到Kraft木质素等更复杂、更廉价的工业木质素流，并将更多木质素衍生混合物转化为可设计的生物基化学品。

来源：高分子科学前沿