研究背景

    木质素作为木质纤维的重要组分，其独特的化学性质使其成为生物质精炼的关键。然而，木质素的高交联特性和复杂的三维结构一直阻碍其转化为高附加值的化学品和材料。传统的木质素降解策略主要着眼于避免木质素的缩合反应，以便提高其单体产率，但这些方法通常存在产率有限、过程复杂等问题。近年来，“木质素优先”策略逐渐兴起，倡导通过功能化和定向解聚，实现木质素及其组分的高效利用。面对传统方法的局限性，本研究提出了一种全新的策略，通过选择性芳基化反应引导木质素的缩合过程，制备高性能的生物质基双酚，并同时提取高纯度纤维素和木糖。这一创新策略在环境友好性和资源利用率方面展现出巨大的潜力，为绿色生物质精炼提供了新思路。

本文要点

1.创新的芳基化反应路径。本研究利用木质素衍生酚类化合物，通过催化芳基化反应，将缩合反应引导至有利于后续降解的方向。与传统抑制缩合反应的方法不同，该策略实现了缩合反应的选择性控制，并成功制备出保留β-醚键的木质素。

2.全组分高效分离与转化。通过这一策略，木质素被分离为高纯度的芳基化木质素，同时生产高质量的纤维素浆和木糖。这种“协同分离与转化”方法显著提升了生物质的整体利用效率。

3.绿色双酚的成功制备与应用。芳基化木质素在催化解聚过程中被转化为性能优越的双酚替代物。这些生物基双酚可应用于热塑性塑料和环氧树脂的合成，为从化石资源转向可再生资源提供了实际解决方案。

图1. 基于缩合驱动的双酚生产策略

图2. 紫丁香基木质素模型化合物的酚二聚体

图3. 杨木中双酚的制备

图4. 通过CLAF实现木质纤维组分的全面利用

研究结论

    本研究通过整合绿色化学策略，提出了一种创新的生物质高值化利用途径，实现了木质素的高效提取与转化、半纤维素的水解以及纤维素的升级利用。具体内容包括，通过选择性芳基化反应，将木质素定向转化为具有环保特性的双酚和低聚酚，同时将半纤维素水解为木糖，将纤维素制成溶解浆，这一策略展现出全面利用木质纤维组分的巨大潜力。未来研究重点包括以下三个方面：(1) 选择可持续性、环境友好性和商业可行性之间平衡的芳基化试剂；(2) 优化串联催化解聚过程，提高双酚的产率与选择性；(3) 探索双酚在性能优势应用中的结构-性能与毒性之间的关系。通过控制缩合反应的选择性，本研究有效实现了木质纤维组分的高效分离和综合利用，为绿色化学品与材料的开发提供了新的解决方案。这一成果标志着生物质精炼领域的重要进步，为从实验室向中试乃至工业规模的转化奠定了基础。

文章信息

Ning Li, Kexin Yan, Thanya Rukkijakan, Jiefeng Liang, Yuting Liu, Zhipeng Wang, Heran Nie, Suthawan Muangmeesri, Gonzalo Castiella-Ona, Xuejun Pan, Qunfang Zhou, Guibin Jiang, Guangyuan Zhou, John Ralph, Joseph S. M. Samec* & Feng Wang*. Nature, 630, 381-386 (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07446-5