基于密度泛函理論的海藻熱解中美拉德反應(yīng)機(jī)理研究

程曉雪，蔣鼎，何志霞，王爽

(1.江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué)能源研究院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

由于石油、天然氣和煤炭等化石能源的過度開發(fā)，造成嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染。出于緩解當(dāng)前的嚴(yán)峻形勢，可再生能源成為了全球關(guān)注的熱點(diǎn)[1-2]。作為化石燃料的替代品的生物質(zhì)能越來越受全世界的重視，生物質(zhì)能的利用方式多種多樣且理論上作為光合作用固碳的產(chǎn)物又促進(jìn)新一輪排放的溫室氣體的固碳過程，生物質(zhì)能的廣泛利用可以有效改善目前的能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)節(jié)能經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[3-5]。生物質(zhì)具有來源廣泛，儲量豐富和可再生的特點(diǎn)使其成為第四大能源[6-7]。

生物質(zhì)的利用方式多種多樣，熱解是生物質(zhì)利用的重要手段。生物質(zhì)熱解主要產(chǎn)生焦油、焦炭和熱解氣，其中焦油與焦炭因?yàn)槠涮兼滈L度及其不飽和結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)生成更多高價(jià)值產(chǎn)物[8-10]。熱解制油的原料主要為陸上生物質(zhì)和海洋生物質(zhì)。海洋生物質(zhì)包含藻類等裸子植物，因不占用耕地，生長周期短和種類繁多等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為熱解制油突破點(diǎn)[11-12]。海洋生物質(zhì)主要包括大型海藻和微藻。海藻的主要成分是蛋白質(zhì)，脂類和多糖，主要元素為碳、氫、氧和氮[13-14]。熱分解產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物中有很多含氮組分，會嚴(yán)重影響環(huán)境，而且熱解得到的焦油和焦炭中也含有大量氮元素，這樣對生物油的直接利用和進(jìn)一步加工都很不利。

美拉德反應(yīng)(Maillard reaction) 是食品中的氨基化合物(胺、氨基酸、肽和蛋白質(zhì)) 和羰基化合物(糖類)在食品加工和儲藏過程中自然發(fā)生的反應(yīng)[15-16]。Maillard反應(yīng)能賦予食品獨(dú)特的風(fēng)味和色澤，并成為食品研究的熱點(diǎn)[17-18]。影響美拉德反應(yīng)的因素主要有：反應(yīng)體系里要有廣義的糖類和氨基原料；反應(yīng)體系要有合適的酸堿度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間；金屬可促進(jìn)氧化還原反應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)美拉德反應(yīng)的進(jìn)行[19-20]。美拉德反應(yīng)化學(xué)過程十分復(fù)雜，至今，研究者只是對該反應(yīng)產(chǎn)生低分子和中分子化合物的過程，即反應(yīng)產(chǎn)生香味的過程比較清楚，但對該反應(yīng)產(chǎn)生高分子聚合物的化學(xué)過程還不甚清楚，研究尚在起步階段[21-22]。

近年來，作為一種有效的量子化學(xué)計(jì)算方法，密度泛函理論(DFT)在研究生物質(zhì)熱解中的美拉德反應(yīng)機(jī)理得到了應(yīng)用。FRAU等人[23-24]利用DFT計(jì)算每個(gè)分子體系的化學(xué)反應(yīng)描述符，評估多重密度泛函在計(jì)算參與美拉德反應(yīng)中涉及氨基酸和蛋白質(zhì)的非酶糖基化的簡單碳水化合物的分子結(jié)構(gòu)和固有性質(zhì)。REN等人[25]以葡萄糖和甘氨酸為起始反應(yīng)物。在前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，用密度泛函理論計(jì)算了美拉德反應(yīng)在氣相和水溶液中的反應(yīng)機(jī)理，并通過計(jì)算不同pH條件下反應(yīng)不同步驟的相對能量變化，評價(jià)了形成不同化合物的可能性。ABUL等人[26]利用DFT研究了在不同條件下α-果糖(α-Fru)/β-果糖(β-Fru)/開鏈果糖(O-Fru)與甘氨酸(Gly)美拉德反應(yīng)初始反應(yīng)機(jī)理。JALBOUT等人[27]以開鏈葡萄糖(O - Glu)/閉鏈葡萄糖(A- Glu和B- Glu)和甘氨酸(Gly)為美拉德反應(yīng)模型，計(jì)算了不同機(jī)理假設(shè)下不同中間體形成Amadori重排產(chǎn)物(ARPs)的理論能量變化。密度泛函理論(DFT)計(jì)算已應(yīng)用于不同pH條件下所提出的機(jī)理。盡管該反應(yīng)已為人們所知，但仍不清楚氨基酸類型是如何影響美拉德反應(yīng)的反應(yīng)速率。

海藻生產(chǎn)焦油和焦炭的過程滿足美拉德反應(yīng)發(fā)生的條件，所以美拉德反應(yīng)也存在于海藻生物質(zhì)熱解液化過程中[28-29]。熱解得到的焦油和焦炭中也含有大量氮元素，這樣對生物油的直接利用和進(jìn)一步加工很不利。而且不同的氨基酸類型對美拉德反應(yīng)也會產(chǎn)生不同的影響。所以探究涉及不同氨基酸類型的美拉德反應(yīng)機(jī)理，解析海藻生物質(zhì)在熱解中氮元素的轉(zhuǎn)化機(jī)理，對于調(diào)控反應(yīng)條件以提高生物油品質(zhì)是具有重要指導(dǎo)意義的。

1 計(jì)算方法

1.1 模型化合物的選擇

海藻生物質(zhì)的主要糖類成分為鼠李糖和葡萄糖，其中鼠李糖含量最高。葡萄糖由于醛基作用，α-氫原子顯酸性易脫去形成不飽和烯醇結(jié)構(gòu)，隨后發(fā)生共振形成果糖，而美拉德反應(yīng)會基于葡萄糖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)發(fā)生醛基到羰基的轉(zhuǎn)化。鼠李糖，又名6-脫氧-左旋甘露糖，在美拉德反應(yīng)中會發(fā)生兩次脫水反應(yīng)形成高度不飽和產(chǎn)物。海藻生物質(zhì)中的N元素都包含在蛋白質(zhì)大分子中。蛋白質(zhì)大分子受熱分解為各種氨基酸，其中含量較多的是纈氨酸、脯氨酸及亮氨酸。葡萄糖、鼠李糖、纈氨酸、亮氨酸和脯氨酸的結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

圖1 葡萄糖、鼠李糖、纈氨酸、亮氨酸和脯氨酸的結(jié)構(gòu)式

1.2 計(jì)算方法

本文是基于量子力學(xué)的密度泛函理論(DFT)來研究的。通過在B3LYP / 6-31G +(d,p)計(jì)算水平上優(yōu)化反應(yīng)物、中間體、過渡態(tài)和產(chǎn)物的平衡幾何形狀(穩(wěn)定構(gòu)型)[30]。B3LYP作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化和過渡態(tài)計(jì)算研究的常用泛函，有著準(zhǔn)確的精度和合理的計(jì)算時(shí)間[31]。通過Opt+TS方法定位過渡態(tài)，計(jì)算得到的過渡態(tài)有且僅有唯一虛頻，并且所有的穩(wěn)態(tài)都沒有虛頻。通過觀察過渡態(tài)的振動方向和IRC(內(nèi)部反應(yīng)坐標(biāo))方法來確定過渡態(tài)結(jié)構(gòu)是合理的。反應(yīng)的能壘(活化自由能，ΔG*)用相對能量估算，包括過渡態(tài)和反應(yīng)物之間的零點(diǎn)能量校正(ZPE)[32]。這意味所提出的反應(yīng)途徑可行，結(jié)果有可靠依據(jù)。反應(yīng)條件為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下298.15 K和101.325 kPa。所有的計(jì)算均使用Gaussian 09程序來完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 葡萄糖可能的反應(yīng)路徑設(shè)計(jì)

葡萄糖與氨基酸反應(yīng)遵循基本反應(yīng)。第一步是氨基化合物中的氨基的親核性氮原子對糖羰基碳的進(jìn)攻，加成為一個(gè)羥基胺(1i1)。第二步是糖基胺在酸催化下異構(gòu)為相應(yīng)的1-氨基-1-脫氧-2-酮糖的Amadori重排反應(yīng)。其中糖基胺首先失水生成Schiff堿(1i2)，然后氮被質(zhì)子化，相鄰的碳被去質(zhì)子化，通過烯醇-酮互變異構(gòu)得到Amadori重排產(chǎn)物(1i5)。隨后，糖鏈分解成3+3的兩個(gè)小分子化合物(1i6和1i8)。最后，1i6脫去氨基酸，得到丙酮醛(1i7)。后面的兩種氨基酸反應(yīng)原理與上述反應(yīng)類似。葡萄糖的有胺參與美拉德路徑如圖2所示。

圖2 葡萄糖的有胺參與美拉德路徑

葡萄糖在熱解時(shí)也會自身發(fā)生環(huán)化反應(yīng)。葡萄糖的直鏈?zhǔn)紫劝l(fā)生彎曲，然后脫去一分子水得到烯醇結(jié)構(gòu)，由于烯醇結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，繼而發(fā)生烯醇-酮互變異構(gòu)轉(zhuǎn)化為雙酮結(jié)構(gòu)中間體(1i20)。隨后發(fā)生了分子內(nèi)的醇-酮加成反應(yīng)得到五元含氧雜環(huán)。隨后連續(xù)脫去兩分子水得到5-羥甲基糠醛(1i23)。葡萄糖無胺參與的自成環(huán)生成5-羥甲基糠醛如圖3所示。

圖3 葡萄糖無胺參與的自成環(huán)生成5-羥甲基糠醛

2.1.1 葡萄糖-纈氨酸的反應(yīng)路徑

過渡態(tài)根據(jù)其反應(yīng)順序在圖4中按照TS1-TS7排序，中間產(chǎn)物按照1i1-1i8排序，下面原理解釋中請按照圖3中順序進(jìn)行對號入座。圖1中纈氨酸與葡萄糖路徑中，葡萄糖與纈氨酸發(fā)生胺醛縮合生成TS1過渡態(tài)，轉(zhuǎn)化為1i1，并脫水生成1i2。1i2隨后進(jìn)行成環(huán)反應(yīng)，其中6號位羥基加成在氮-碳雙鍵上生成TS3，再轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的1i3吡喃葡萄糖。隨后水分子發(fā)生取代開環(huán)產(chǎn)生TS4，吡喃醚鍵打開生成鏈狀多羥基化合物。后1號位的羥基與2號位的氫脫水生成過渡態(tài)TS5，再轉(zhuǎn)化為烯醇式結(jié)構(gòu)，烯醇式結(jié)構(gòu)共振成為α-酮化合物1i5。1i5經(jīng)過縮醛逆反應(yīng)生成1i6及1i7結(jié)構(gòu)。1i7水解生成1i8甘油醛，其中經(jīng)過過渡態(tài)TS7。葡萄糖-纈氨酸反應(yīng)路徑中的中間產(chǎn)物及過渡態(tài)如圖4所示。

圖4 葡萄糖-纈氨酸反應(yīng)路徑中的中間產(chǎn)物及過渡態(tài)

葡萄糖-纈氨酸路徑的能壘分布如圖5所示。葡萄糖和纈氨酸的縮合反應(yīng)所需的能量很小，反而是氨基化合物的脫除反應(yīng)能壘最高，說明Amadori重排產(chǎn)物相對比較穩(wěn)定，低溫模擬的條件下，不利于Amadori重排產(chǎn)物的裂解。

圖5 葡萄糖-纈氨酸路徑的能壘分布(單位：kJ/mol)

2.1.2 葡萄糖-脯氨酸的反應(yīng)路徑

在脯氨酸葡萄糖反應(yīng)路徑中，脯氨酸與葡萄糖發(fā)生醛胺縮合，醛基轉(zhuǎn)化為羥基生成TS8a,隨之轉(zhuǎn)化為1i9穩(wěn)定形態(tài)。α位羥基與β位氫脫水生成TS8b烯醇結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過共振生成1i10 β-酮結(jié)構(gòu)。由于脯氨酸α氨基上之存在一個(gè)氫原子且成環(huán)，故無法再繼續(xù)進(jìn)行氮原子上的脫水反應(yīng)。葡萄糖-脯氨酸路徑的中間產(chǎn)物及過渡態(tài)如圖6所示，葡萄糖-脯氨酸路徑的能壘分布如圖7所示。

圖6 葡萄糖-脯氨酸路徑的中間產(chǎn)物及過渡態(tài)

圖7 葡萄糖-脯氨酸路徑的能壘分布(單位：kJ/mol)

2.1.3 葡萄糖-亮氨酸的反應(yīng)路徑

亮氨酸葡萄糖反應(yīng)路徑中，亮氨酸與葡萄糖全胺縮合生成TS9，再轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物1i12。后氮上氫原子與α碳原子的羥基脫水形成TS10過渡態(tài)，再生成1i13氮碳雙鍵化合物。1i13的6號位羥基進(jìn)行加成成環(huán)經(jīng)過渡態(tài)TS11生成亮氨酸吡喃葡萄糖1i14。1i14的5號位碳經(jīng)水取代開環(huán)斷裂醚鍵(TS12)生成鏈狀亮氨酸葡糖1i15。隨后α、β號位碳進(jìn)行脫水(TS13)生成β-烯醇結(jié)構(gòu)，再經(jīng)共振生成穩(wěn)定的1i16。葡萄糖-亮氨酸路徑中間產(chǎn)物及過渡態(tài)如圖8所示，亮氨酸-葡萄糖反應(yīng)能壘分布如圖9所示。

圖8 葡萄糖-亮氨酸路徑中間產(chǎn)物及過渡態(tài)

圖9 亮氨酸-葡萄糖反應(yīng)能壘分布(單位：kJ/mol)

2.1.4 葡萄糖自成環(huán)生成5-羥甲基糠醛的反應(yīng)路徑

萄糖2、萄糖3號位脫水(TS16)生成烯醇式結(jié)構(gòu)在經(jīng)共振轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的1i20。萄糖2、萄糖5號位加成共振(TS17)生成1i21。萄糖4、萄糖5號位脫水(TS18)形成1i22。再進(jìn)行萄糖2、萄糖3號位脫水(TS19)形成最終產(chǎn)物糠醛1i23[33]。葡萄糖自身成環(huán)生成5-羥甲基糠醛的中間產(chǎn)物及過渡態(tài)如圖10所示，葡萄糖自身成環(huán)生成糠醛能壘分布如圖11所示。

圖10 葡萄糖自身成環(huán)生成5-羥甲基糠醛的中間產(chǎn)物及過渡態(tài)

圖11 葡萄糖自身成環(huán)生成糠醛能壘分布(單位：kJ/mol)

2.2 鼠李糖可能的反應(yīng)路徑

2.2.1 鼠李糖-纈氨酸的反應(yīng)路徑

鼠李糖在阿馬多利重排階段，前五個(gè)產(chǎn)物與過渡態(tài)路徑相同。從第六步開始氨基酸部分共振形成C=N，而后水加成于雙鍵，形成酮酸。鼠李糖纈氨酸途徑中在形成β酮后，萄糖3、萄糖4號位碳發(fā)生脫水(TS26)生成2i6。二酮經(jīng)共振后雙鍵轉(zhuǎn)移到氨基酸部分氨碳鍵上，先后一次水加成二次水加成生成2i7最終到2i8、2i9(TS27，TS28)[34]。鼠李糖的纈氨酸、脯氨酸和亮氨酸過程如圖12所示，鼠李糖-纈氨酸反應(yīng)中間產(chǎn)物及過渡態(tài)如圖13所示，鼠李糖-纈氨酸反應(yīng)能壘分布如圖14所示。

圖12 鼠李糖的纈氨酸、脯氨酸和亮氨酸過程

圖13 鼠李糖-纈氨酸反應(yīng)中間產(chǎn)物及過渡態(tài)

圖14 鼠李糖-纈氨酸反應(yīng)能壘分布(單位：kJ/mol)

2.2.2 鼠李糖-亮氨酸的反應(yīng)路徑

鼠李糖亮氨酸途徑中在形成β酮后，3、4號位碳發(fā)生脫水(TS33)生成2i15。二酮經(jīng)共振后雙鍵轉(zhuǎn)移到氨基酸部分氨碳鍵上，先后一次水加成二次水加成生成2i16最終到2i17、2i18(TS34，TS35)。鼠李糖-亮氨酸反應(yīng)中間產(chǎn)物及過渡態(tài)如圖15所示，鼠李糖-亮氨酸的能壘分布如圖16所示。

圖15 鼠李糖-亮氨酸反應(yīng)中間產(chǎn)物及過渡態(tài)

圖16 鼠李糖-亮氨酸的能壘分布(單位：kJ/mol)

2.2.3 鼠李糖-脯氨酸的反應(yīng)路徑

鼠李糖-脯氨酸直接發(fā)生醛胺縮合反應(yīng)生成縮醛化合物，經(jīng)TS36到2i19。鼠李糖-脯氨酸路徑的反應(yīng)中間產(chǎn)物及過渡態(tài)如圖17所示，鼠李糖-脯氨酸路徑的能壘分布如圖18所示。

圖17 鼠李糖-脯氨酸路徑的反應(yīng)中間產(chǎn)物及過渡態(tài)

圖18 鼠李糖-脯氨酸路徑的能壘分布(單位：kJ/mol)

3 結(jié)語

本文主要是利用密度泛函理論研究了纖維素單元(葡萄糖和鼠李糖)與生物質(zhì)含氮組分(脯氨酸、亮氨酸和纈氨酸)的共熱解機(jī)理，得出主要結(jié)論如下：

1)葡萄糖有胺參與路徑中脯氨酸由于其吡咯環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使得后續(xù)脫水無法進(jìn)行，故在這步終止。而亮氨酸與纈氨酸的路徑中由于共振結(jié)構(gòu)使得可以脫水形成共振結(jié)構(gòu)從而消旋或產(chǎn)生其他脫氧多羥基酮。

2)通過比較能壘分布得出葡萄糖與脯氨酸之間最不易發(fā)生反應(yīng)，其次是纈氨酸，而亮氨酸比較容易發(fā)生反應(yīng)。并且葡萄糖自身也較易發(fā)生閉環(huán)反應(yīng)生成糠醛。鼠李糖由于其L型手性結(jié)構(gòu)及6-脫氧特殊結(jié)構(gòu)。在Amadori重排后會有二重脫水形成多不飽和度化合物。其中糖胺化合物被水解為脂肪醛酮及多羥基胺。與葡萄糖路徑相反的是，脯氨酸第一個(gè)基元反應(yīng)的過渡態(tài)形成的自由能能壘極高，而后生成相當(dāng)穩(wěn)定的縮合產(chǎn)物，纈氨酸與鼠李糖為最不易發(fā)生反應(yīng)而亮氨酸次之。