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生物基材料：为有机合成添绿
[提要] 生物基材料具有价廉、低毒、可生物降解、对环境友好等特点，这些特点使得它们在绿色化学和有机合成中受到越来越多的关注。生物基材料原料来源简单多样、生产条件温和、产品具有多样性，主要包括生物基聚合物、生物基单体、生物质功能高分子材料、油脂基功能材料、蛋白质材料等。
生物基材料具有价廉、低毒、可生物降解、对环境友好等特点，这些特点使得它们在绿色化学和有机合成中受到越来越多的关注。生物基材料原料来源简单多样、生产条件温和、产品具有多样性，主要包括生物基聚合物、生物基单体、生物质功能高分子材料、油脂基功能材料、蛋白质材料等。
■ 张占辉
生物基材料具有价廉、低毒、可生物降解、对环境友好等特点，这些特点使得它们在绿色化学和有机合成中受到越来越多的关注。
有机反应的绿色溶剂
以生物质为原料（主要包括各种纤维素类木本作物、农作物残余物、油料作物种子、糖类作物、草料作物以及谷类等），利用物理、化学、生物等转化技术生产的生物基产品，目前已广泛应用于有机化工、造纸、纺织、能源、中草药加工等多个行业。其中，生物制备法在实践中的应用最为广泛，生物法因其反应条件温和、副产物少、环境友好等特点，比应用物理或化学法更具有优势。
从严格意义上来说，生物基材料属于一种高分子材料，主要是通过生物技术将再生原料转化为生物高分子材料或单体等中间产物，然后通过中间产物进一步聚合而形成的。
生物基材料原料来源简单多样、生产条件温和、产品具有多样性，主要包括生物基聚合物、生物基单体、生物质功能高分子材料、油脂基功能材料、蛋白质材料等。
许多有机反应是酸碱催化反应，传统的酸碱催化反应容易产生严重的环境污染，具有催化剂不易回收、反应条件苛刻、后处理繁杂、产率和选择性低等缺点。
经过研究发现，利用生物基材料作为催化剂可克服上述不足之处，这是因为由生物基材料催化的有机反应具有可回收重复利用、反应速度快、后处理简便以及条件温和等特点。
与此同时，溶剂的选择在有机合成中也是一个非常重要的因素。大多数有机溶剂能充分地溶解投加到其中的反应物，从而达到均匀分散反应物分子，使反应过程中的能量交换得以稳定地进行，但另一方面，由于有机溶剂本身具有挥发性、毒性、难以回收等缺陷，对环境构成了很大的威胁。
最近有报道称，糖类—尿素—无机盐以及柠檬酸—尿素、酒石酸—尿素及葡萄糖酸溶液等生物基材料都可以作为对环境友好的有机反应的绿色溶剂。
生物基材料应用广泛
葡萄糖酸、乳酸、柠檬酸和Ｌ—赖氨酸等生物基材料作为催化剂或溶剂，在有机合成中应用广泛。
葡萄糖酸是化工、医药及食品等产品的重要中间体，可被用来生产葡萄糖酸的衍生物，也可直接作为一种产品用在乳品工业中防止乳石沉淀，还可作为酸味剂用在食品配方中，也可用来制作清洗剂（替代多磷酸盐）、纺织物加工和金属加工的助剂、皮革矾鞣剂、去藻剂、金属除锈剂、建筑工业中混凝土的塑化剂、生物降解的螯合剂及二次采油的防沉淀剂等。
制备葡萄糖酸的方法主要有生物发酵法、电解氧化法、均相化学氧化法和多相催化氧化法、紫外过氧化氢法等。葡萄糖酸是葡萄糖的醛基经氧化生成的糖酸，可溶于水，微溶于乙醇，其商品通常具有弱酸性，是一种50%（质量分数）的水溶液，可以作为一种弱酸性催化剂催化有机化学反应，并具有产率高、反应时间短等特点。
乳酸广泛存在于许多食物和天然微生物的发酵产品中，如泡菜、酸奶、脱脂乳、酵母面包中。乳酸是含有羟基的羧酸，在水溶液中羧基释放出1个质子产生乳酸根离子。乳酸的工业化生产主要有化学合成法、酶法和微生物发酵法。乳酸与非极性溶剂如乙醚、庚烷等不互溶，这就使得其产品更容易分离。
柠檬酸是一种天然的化合物，广泛存在于动植物的新陈代谢产物中，具有弱酸性，在水和部分有机溶剂中溶解。利用柠檬酸作为催化剂，反应时间短、收率高，且催化剂价廉易得。
L-赖氨酸广泛存在于酪蛋白、卵蛋白、纤维素蛋白、甜菜糖蜜、明胶、血蛋白等蛋白质的水解物中，常常被用作食品强化剂和饲料添加剂。目前主要采用化学合成、微生物发酵、酶法以及提取等方法来生产赖氨酸，而其中的发酵法在实际生产中应用得最为广泛。L-赖氨酸是一种易溶于水、价廉、无污染的生物试剂，在水中表现出很好的催化活性，是缩合反应常用的催化剂。
值得探索的领域
生物基材料具有低毒、易降解、价格便宜等特点，然而应用到有机反应中的生物基材料却十分有限，因此需要发展更多种类的生物基材料并把它们应用到有机合成反应中。
笔者认为，以下领域仍然值得探索：所有用酸催化的有机反应可以用酸性生物基材料进行尝试，以便能发现更好的反应体系；将生物基材料与超声波、微波等现代有机合成新技术相结合，探索该领域发展的新方向；将不同生物基材料按一定比例组合，可检验对某些反应是否有更好的促进作用；对现有的生物基材料进行结构改造，可衍生出更多的性能优良的催化剂；生物基材料与甘油、氯化胆碱、尿素等混合可形成低共熔溶剂，研究这些化合物的物理性质及在有机合成中的新应用；研究生物基材料催化的有机反应机理，为发展高效的有机合成方法提供有力的理论指导和技术支持。 - [返回]
