南开新闻网讯（通讯员 候其东）近日，国际顶级期刊德国应用化学（Angew. Chem. Int. Ed.）在线发表了南开大学环境科学与工程学院/生物质资源化利用国家地方联合工程研究中心候其东副教授、鞠美庭教授的最新研究成果《Engineering of Lewis Acid Sites in Mesoporous Zeolite Achieves Record Fructose Yield of 71.5% for Glucose Isomerization in Ethanol》。
葡萄糖异构制备果糖是生物质催化炼制的关键环节，也是制备高价值产品的重要基础。葡萄糖异构制备果糖的催化剂主要有葡萄糖异构酶、路易斯酸和碱三类，但他们都面临稳定性差、难以持续使用的问题，而且受到反应平衡的制约。其中，葡萄糖异构酶的成本高、缺乏自主知识产权，仅适合应用于利润高的食品行业。碱性材料普遍具有催化活性，但他们也很容易催化逆羟醛缩合反应生成有机酸，进而中和碱性位点，导致催化剂失活。路易斯酸面临稳定性差、难以批量制备的瓶颈。由于缺乏定向构筑路易斯酸位点并调控其微观化学环境的通用方法，对路易斯酸构效关系的认识仍然不足。
针对这些挑战，研究者提出通过磷酸化辅助在介孔分子筛中构筑路易斯酸位点的新策略。通过将少量磷酸根和锡物种依次引入 KIT-6 介孔沸石，得到兼具丰富路易斯酸位点、极低布朗斯特酸位点和有序介孔结构的SnPO/KIT(80)材料。SnPO/KIT(80)材料中Sn位点更倾向于形成Sn-O-Si和Sn-O-P键，其配位环境与传统Sn改性沸石材料和磷酸锡存在显著差异，这有助于促进异构反应并避免副反应。在此基础上，在乙醇体系中通过两步反应策略促进葡萄糖异构的反应平衡向果糖移动，实现了最高记录的果糖产率(71.5%)。此外，这种催化剂制备方法可以复制推广到其他沸石材料和金属物种，具有很好的可拓展性。
图1. 催化反应性能
图2. 反应路径和机制
这项研究表明精确调控路易斯酸位点的配位环境对提升催化性能至关重要，不仅为生物质高效转化提供有力工具，而且丰富了沸石基复合材料的设计和调控方法，有望拓展到更多重要领域。本工作得到了国家自然科学基金、天津市自然科学基金和南开大学科研启动项目的支持，第一作者为环境科学与工程学院2022级博士研究生余冠杰，候其东副教授和鞠美庭教授为共同通讯作者。
论文连接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202524977
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