作為三大合成材料之首的塑膠，其使用後被棄置對生态環境造成的影響極為嚴重。據統計至2016年人類已經生産83億噸塑膠，其中63億噸成為廢塑膠，除極少部分（<10%）被回收利用，小部分（～20%）被焚燒處理，絕大部分被棄置于自然環境中。一種可能的解決方案是采用生物可降解塑膠，如最近北京市超市廣泛采用可生物降解塑膠-聚乳酸 (PLA)作為購物袋使用，希望能減少塑膠用品對環境的影響。但是，聚乳酸塑膠在實際環境中降解過程非常緩慢，而即使廢棄的聚乳酸最終降解成為CO2和H2O，這同樣是一個碳排放過程，是碳資源的巨大浪費。将包括生物可降解塑膠在内的廢塑膠轉化為高附加值化學品是碳資源循環的重要途徑，也是目前各國科學家努力的方向。
圖1. 聚乳酸催化胺化制丙氨酸示意圖
近日，北京大學馬丁/王蒙課題組在國際上首次報道了一種将聚乳酸塑膠催化轉化為丙氨酸的新過程 (圖1)。采用Ru/TiO2催化劑，在無外加氫氣的條件下，氨水簡單加熱處理即可實作聚乳酸塑膠高效制備丙氨酸（77%收率, 反應溫度140度）。研究表明，PLA在氨水中首先氨解形成乳酰胺，接着乳酰胺水解生成乳酸铵，乳酸铵再進一步在催化劑表面胺化形成丙氨酸 (圖2a)。同位素示蹤實驗表明，乳酸铵α-H的活化是反應的重要步驟，且反應遵循脫氫-胺化-再加氫路線 (圖2d)。而金屬催化劑對于α-H的活化、後續胺化均起到了關鍵作用。通過分離-循環可以進一步提高丙氨酸的産率，丙氨酸總體選擇性可達94%，純度超過95%。使用商業PLA吸管（約含 83% PLA）評估了這種PLA到丙氨酸過程的效率，5.0 g PLA吸管經過催化轉化可獲得3.0 g的純品丙氨酸，并且全過程僅需添加氨水加熱即可實作聚乳酸轉化，無需外加氫氣。
圖2. 聚乳酸催化胺化制丙氨酸反應過程
這種在“碳循環”（carbon circulation）的思想指引下将PLA轉化為高附加值化學品的新方法具有比自然降解路徑更大的優勢，并将為其他類型廢棄塑膠循環轉化帶來啟發。該研究成果近日以“Catalytic Amination of Polylactic Acid to Alanine”為題發表于Journal of the American Chemical Society。
該研究得到國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、北京分子科學國家研究中心等的資助。北京大學馬丁教授和王蒙副研究員為該工作的通訊作者，第一作者為北京大學化學與分子工程學院博士研究所學生田樞衡和焦宇晨。
來源：北京大學
原文連結：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c08159