《Molecular Catalysis》：Sustainable conversion of biogenic citronellal to
cis-p-menthane-3,8-diol via tailored Cr-doped sulfonated biochar catalyst
编辑推荐：
基于生物衍生碳催化剂Cr-SBC-HT的温和条件选择性半合成p-menthane-3,8-diol（PMD），实现99%转化率和96.7% cis-PMD选择性，并通过响应面法优化工艺参数，催化剂循环10次性能稳定，制备的PMD对Aedes蚊种具有6小时长效驱避效果，展现环境友好型绿色合成潜力。
普拉尚特·库马尔（Prashant Kumar）|普里亚布拉特·莫哈帕特拉（Priyabrat Mohapatra）|昌丹·辛格·查诺蒂亚（Chandan Singh Chanotiya）|莫赫德·法伊赞·侯赛因（Mohd Faizan Husain）|希马特·辛格（Himmat Singh）|纳拉扬·普拉萨德·亚达夫（Narayan Prasad Yadav）|苏雷什·库马尔·巴尔加瓦（Suresh Kumar Bhargava）|塞尔瓦卡南·佩里亚萨米（Selvakannan Periasamy）|伊利亚斯·萨布里（Ylias Sabri）|普拉桑特·库马尔·鲁特（Prasant Kumar Rout）
印度北方邦勒克瑙226015，CSIR-中央药用和芳香植物研究所植物化学部门
摘要
cis-PMD选择性（
cis/
trans比例为93:7）。该催化剂在十次循环中表现出良好的结构完整性和可重复使用性，这得益于详细的物理化学表征（XRD、FT-IR、BET、TGA、SEM、HRTEM、XPS）。通过响应面方法（RSM）-Box Behnken设计（BBD）对工艺进行优化后，效率进一步提高。该方法的绿色指标表现出色：过程质量强度（PMI）为1.045，周转次数（TON）为386次，周转频率（TOF）为272小时?1，E因子为0.045。富集的
cis-PMD对伊蚊属（Aedes）具有长达6小时的驱蚊效果，证实了其实际应用价值。本研究强调了生物质衍生催化剂在实现可扩展、耐用且环境友好的化学制造中的作用，将绿色材料开发与生物活性产品合成相结合。
引言
疟疾、登革热、基孔肯雅热、寨卡病毒、蜱传感染和丛林斑疹热等虫媒疾病继续对全球健康构成严重威胁，尤其是在热带和亚热带地区，其中伊蚊（Aedes）、按蚊（Anopheles）和库蚊（Culex）属是主要的疾病传播媒介[[1], [2], [3]]。使用外用驱蚊剂进行个人防护仍然是最易获得且广泛采用的预防策略。传统的商业配方主要依赖于合成活性成分，如N,N-二乙基间甲苯酰胺（DEET）、IR3535和伊卡瑞丁（Icaridin），这些成分提供中等程度的保护，但长期使用可能导致皮肤刺激、神经毒性、失眠和行为改变等不良影响。消费者对环境友好且更安全的替代品的偏好日益增加，从而加剧了对天然生物来源驱蚊剂的兴趣。其中，p-薄荷烷-3,8-二醇（PMD）因其高效的保护效果和良好的安全性而成为最有效的天然驱蚊剂，得到了世界卫生组织（WHO）和美国疾病控制与预防中心（CDC）的认可[4]。
PMD通常通过酸催化环化和水合反应从香叶醇（Cymbopogon winterianus和Eucalyptus citriodora精油中提取的单一萜类化合物）中制备。早期基础研究表明，水溶液中的布朗斯特酸（Br?nsted acids）可以高效生成四种PMD立体异构体（方案S1）[5]。在十二烷基硫酸钠（SDS）中的H?SO?胶束条件下，由于羰基的界面质子化作用，实现了完全转化和更高的cis-PMD选择性[5]。尽管已有报道使用多种均相酸（如H?SO?[6]、醋酸[7]和柠檬酸溶液[3]进行PMD合成，但由于腐蚀、纯化过程复杂、催化剂损失以及产生活性酸水等问题，其实际应用受到限制。为了开发更环保的均相替代品，人们探索了CO?-H?O系统作为可调酸性相用于连续的香叶醇环化-水合反应；然而，这种方法需要较高的压力（1 MPa）和温度（100°C），限制了其工业规模化应用[7]。与这些均相系统相比，非均相催化具有催化剂可重复使用、分离更容易、腐蚀性更低和环境兼容性更好的关键优势。然而，非均相催化剂在PMD合成中的应用仍不成熟。虽然已经评估了如H-ZSM-5这样的沸石催化剂，但由于其微孔结构，转化率和PMD选择性较低[7]。
最近的研究显示，基于碳的固体酸因其可调表面功能化、疏水性和可再生性而受到关注。最近，磺化生物质衍生碳材料作为布朗斯特酸催化剂在多种反应（包括酯化、脱水和单萜转化）中显示出成本效益[8]。Kurnia等人[9]报道了一种基于碱木质素的固体酸催化剂用于PMD合成，实现了高达89%的选择性，但需要较长的反应时间（长达24小时），表明需要进一步提高活性和工艺效率。这些先前的研究共同表明，高效的PMD合成需要催化剂具备：（i）强布朗斯特酸性以实现快速香叶醇环化；（ii）路易斯酸性以增强羰基活化；（iii）增加的孔隙性以改善传质。向碳基质中掺杂过渡金属（如Cr3?、Mn2?、Zn2?、Zr??）可以引入路易斯酸性位点，与布朗斯特酸性-SO?H基团协同作用，促进香叶醇活化和PMD的形成。然而，目前尚无系统研究探讨掺杂过渡金属的磺化生物炭（SBC）催化剂在这一转化中的应用。为填补这些空白，本研究对掺杂过渡金属的SBC催化剂（Cr-SBC-HT、Zn-SBC-HT、Mn-SBC-HT、Zr-SBC-HT、Ni-SBC-HT、Cu-SBC-HT和Fe-SBC-HT）进行了全面评估，这些催化剂通过水热磺化后进行湿法浸渍制备。这些非均相催化剂在温和条件下使用纯香叶醇和香叶醇油衍生可再生原料催化香叶醇的环化-水合反应，初步筛选显示Cr-SBC-HT是最活跃的催化剂。其优异的性能与先前的研究结果一致，即掺入碳基材料中的Cr可以显著改变表面功能并提高氧化底物的活化效果[10,11]，这也与我们研究中观察到的高香叶醇转化率相符。
随后通过响应面方法-Box Behnken设计（RSM-BBD）对反应条件进行了优化，以最大化香叶醇的转化率和PMD的选择性。分离出的PMD立体异构体通过GC和GC–MS分析得到确认，整个工艺与文献中报道的均相和非均相催化剂进行了对比，显示出在可持续性、操作简便性和绿色指标方面的明显改进。进一步评估了合成PMD的驱蚊效果，并与商业标准进行了比较，验证了其作为可行天然替代品的潜力。催化过程的完整概述见方案1。此外，还使用纯香叶醇和富含香叶醇的EO评估了催化剂的PMD合成性能，提供了对其工业可扩展性的全面评价。总体而言，这项工作首次系统地从催化、机制和实际应用角度评估了金属掺杂SBC在PMD合成中的性能，证明了5% Cr-SBC-HT提供了一种高效、可扩展且环境友好的方法，可将生物来源的香叶醇转化为高价值的PMD。
材料与方法
香叶醇（≥99%）、DEET（≥99%）和金属盐[Cr(NO?)?·9H?O、Zn(NO?)?·6H?O、Mn(NO?)?·4H?O、ZrO(NO?)?·xH?O、Ni(NO?)?·6H?O、Cu(NO?)?·3H?O、Fe(NO?)?·9H?O]购自Sigma-Aldrich，无需进一步纯化。桉树和香叶醇精油（CIM-Jeeva）由CSIR-CIMAP研究农场（印度）通过内部水蒸馏法制备。cis/trans-PMD混合物（98%）购自Sigma-Aldrich。用于催化剂制备的椰壳生物质来自...
结果与讨论
本研究开发了一种利用金属掺杂生物炭作为催化材料，通过循环水合过程从香叶醇合成cis/trans-PMD的系统方法。该方法旨在提升香叶醇油的嗅觉特性和生物活性，从而将其从低成本原料升级为高价值产品。
结论
本研究提出了一种可持续且成本效益高的方法，通过香叶醇的环化-水合反应半合成PMD，采用了一种新型的5% Cr-SBC-HT催化剂。通过RSM-BBD系统优化了反应参数，确定了温和高效的条件（60°C，85分钟，15%催化剂用量），实现了高香叶醇转化率（99%）和优异的cis/trans-PMD选择性（96.7%）。使用香叶醇进行了对比评估...
CRediT作者贡献声明
普拉尚特·库马尔（Prashant Kumar）：撰写 – 审稿与编辑、撰写原始草稿、可视化、验证、软件应用、方法论设计、实验研究、数据分析、概念化。
普里亚布拉特·莫哈帕特拉（Priyabrat Mohapatra）：数据分析。
昌丹·辛格·查诺蒂亚（Chandan Singh Chanotiya）：数据分析。
莫赫德·法伊赞·侯赛因（Mohd Faizan Husain）：数据分析。
希马特·辛格（Himmat Singh）：实验研究、数据分析。
纳拉扬·普拉萨德·亚达夫（Narayan Prasad Yadav）：数据分析。
苏雷什·库马尔·巴尔加瓦（Suresh Kumar Bhargava）：监督、数据分析。
塞尔瓦卡南·佩里亚萨米（Selvakannan Periasamy）：
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢德国Haleon公司（SSP 527）提供的研究资助。我们感谢CSIR-CIMAP主任在CSIR-Aroma Mission第三阶段（HCP 0007, PE-III）下提供的必要设施。作者还感谢维多利亚州政府通过“可持续维多利亚”（Sustainability Victoria）提供的废物转能源-生物能源基金支持。作者也感谢澳大利亚研究委员会工业转化研究中心在回收废物资源转化为工程材料方面的支持。
