今年春夏,色彩斑斓的“多巴胺穿搭”火爆全网,但你知道多巴胺有哪些获取路径吗?日前,南京林业大学化学工程学院陈祖鹏教授科研团队在《自然·通讯》上发表研究论文,创新提出一种从木质素到多巴胺的四步催化转化策略。通过这种方法,木头屑等农林废弃物可变废为宝,变成让人快乐的多巴胺。
相似化学结构,引发“多巴胺”设想
众所周知,多巴胺是一种神经传导物质,可以让人“感到快乐”。除了我们大脑会分泌多巴胺,还有一种人工制作的多巴胺,常作为一种药物,可用来治疗帕金森病、精神分裂症等多种疾病。
这类多巴胺从何而来?论文第一作者、团队青年教师董琳介绍,工业上,多巴胺主要从化石原料里提取加工,用锌或汞作为催化剂。“这种方式不仅贵,还不环保。”此外,还可通过生物酶作催化剂进行加工,但这种方法反应时间长,成本较高。一般市场上一克多巴胺需要1000元,比黄金还要贵。
在南京林业大学,陈祖鹏教授科研团队主要专注于高效多相催化剂设计开发,以及在生物质/木质素催化转化、能源催化等领域应用研究,团队成员常年和废弃木头、秸秆等生物质打交道。而这类生物质中含有大量的木质纤维素,在木质纤维素中,木质素是三大成分之一。三年前,董琳比较木质素和多巴胺的化学结构后,发现二者极为相似。
于是,他开始设想:“能否把木质素‘变’成多巴胺?”在团队负责人陈祖鹏教授的支持下,董琳开始了长达3年的探索。
四步催化转化,废木变“快乐源泉”
陈祖鹏告诉新江苏记者,就化学结构而言,木质素是一种复杂的酚类聚合物,由各种碳氧键和碳碳键将许多单体链接而成,当聚合物完全解聚后,就成了苯酚类化合物。“这和多巴胺的关键结构非常相似,因为多巴胺中也有相似的苯酚结构。”
相似并不相同,想要木质素变为多巴胺,还需对分子结构进行调控。“解聚后的木质素单体和多巴胺结构有很多的相似性之处,他们都是碳、氢、氧元素组成,都含有酚类结构,”董琳介绍,多巴胺与木质素最大的不同在于多了胺基官能团。除了调控木质素中原有的化学结构中,还需要引入胺基官能团。
如何把胺基加进去?对木质素进行解聚、脱保护之后,借助催化剂进行胺化即可。陈祖鹏说,胺化是决定木质素质变的关键步骤,也是整个研究中最难的阶段。
“我们想要转化率和选择率都较高的催化剂,这样成本会比较低,最好还要绿色无污染。”董琳说,除了对不同催化剂进行对比,还需在多轮实验中通过控制用量、反应时间、温度和溶剂等变量摸索最佳反应条件。经过上百轮尝试后,他们选定了镍基催化剂。
在没有相似研究可参考的背景下,团队用时3年,通过解聚、脱保护、胺化和水解四步催化转化,最终成功将木头屑“变”成了多巴胺。
成本降低一半,极具应用前景
作为化工领域学者,陈祖鹏和董琳早已习惯在费时的实验中等待结果。“现在回过头来看,这3年总算没有白费。”董琳感慨,在反复的实验和论证中,除了明晰多巴胺的合成新路径外,他们还获得了令人惊喜的发现。
“多巴胺产物可以在溶液里自动沉降,不需要再用其他的装置去分离,经过简单的离心和过滤,就能获得纯度高于98%的盐酸多巴胺。”董琳解释,这意味着在进行量产时,不需要复杂的分离步骤。他们测算,整个流程花费的成本是目前大多数多巴胺合成方式的一半。
在陈祖鹏看来,使用团队探索出的路径来合成多巴胺,不论原料还是流程,都较其他方式更绿色、经济。该研究成果在《自然·通讯》上发表后,已有企业前来咨询。“一些公司很感兴趣,我们也希望这条路线能用于工业生产,因为那不仅大大节约成本,还十分环保,能把废弃的木头屑再利用。”
目前,在陈祖鹏鼓励下,董琳仍在聚焦这一方向开展研究。他表示,希望能进一步优化四步催化转化路径,对合成流程改进升级。陈祖鹏认为,这样做十分有必要:“我们想把每一步都做得完美,最好不需要这么多步骤。因为,我们在科研前端减少的1-2步,对后面工业生产而言就是一大笔成本。”
新江苏·中国江苏网 记者 苑青青/文
编辑: 苑青青
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