研究背景
木质素在碱性溶液体系中通常具备较好的溶解性能，通过木质素的碱性降解反应，能够制备得到苯乙酮、苯甲醛、苯甲酸类单酚化合物。然而，在常见的碱/水体系中，木质素降解后产生的苯乙酮、苯甲醛类化合物容易受高温的影响，发生缩合反应，重新聚合成为难以溶解和降解的油状物或固体残留物。降低目标产物的得率，是木质素高值化利用的难点问题。
针对以上问题，华南理工大学轻工科学与工程学院、制浆造纸工程国家重点实验室刘传富教授、蓝武副教授团队等构建出一种能够在温和条件下高效解聚木质素制备单酚化合物的生物质精炼体系。该体系以非质子溶剂作为反应介质，碱金属醇盐作为碱性试剂，能够在较低的反应温度条件下断裂木质素β-O-4醚键连接，有效解决高温反应体系中木质素解聚产物二次缩合的问题，从而提高单酚化合物产率。通过分子动力学（MD）计算证明了木质素与非质子溶剂间氢键数量及其结合形式对木质素β-O-4连接键断裂的正向促进作用，DFT计算结果揭示了可能的反应路径及中间体的势能变化，为木质素β-O-4连接键在非质子有机溶剂反应体系中较高的反应活性提供了合理的解释。
图文解读
首先，以碱性较强的叔丁醇钾（tBuOK）作为反应试剂，在四氢呋喃（THF）和二甲基亚砜（DMSO）混合溶剂体系中，0°C条件下，对β-O-4连接的木质素模型化合物——藜芦甘油-β-愈创木基醚（VG）进行降解处理，能够在20分钟内使VG的β-O-4连接键全部断裂，如图1（a）所示。进一步对碱金属醇盐阴阳离子进行筛选，结果表明由乙醇钠（EtONa）作为反应试剂构建的EtONa-THF/DMSO体系，能够在保证对木质素β-O-4连接键较高解聚效率的同时，显著提高降解产物的得率及选择性，如图1（b）所示。
图1. 木质素模型物VG在不同反应体系中的解聚；（a）tBuOK-THF/DMSO体系，（b）EtONa-THF/DMSO体系；THF/DMSO=3:1(v/v)
为深入了解木质素β-O-4连接键在非质子溶剂体系中降解反应的路径，作者分别将体系中检测到的乙酰藜芦酮（Acetoveratrone）和藜芦酸（Veratric acid）作为反应初始物，在EtONa-THF/DMSO体系中进行反应。如图2所示，在该体系中，VG降解后产生的乙酰藜芦酮，能够发生进一步的反应，生成藜芦酸；藜芦酸则能够作为终产物稳定地存在于反应体系中。此外，当木质素模型物1-(3,4-二甲氧基苯基)-2-(2-甲氧基苯氧基)乙醇(Veratrylglycol-β-guaiacyl ether, V′G)和α-羟基甲基化的VG衍生化模型物VGαMe分别在EtONa-THF/DMSO体系中进行反应时，V′G的β-O-4连接键仍然能够发生断裂，生成愈创木酚（Guaiacol）、乙酰藜芦酮和藜芦酸；而α-羟基被甲基化保护的VGαMe在该体系中2小时内几乎不发生降解反应。
图2. 木质素模型物在EtONa-THF/DMSO(3:1,v/v)体系中的反应过程；（a）乙酰藜芦酮（Acetoveratrone），（b）藜芦酸（Veratric acid）,（c）模型物V′G,（d）模型物VGαMe
由此，作者对木质素β-O-4模型化合物在EtONa-THF/DMSO溶剂体系中可能的反应路径进行了推断，如图3所示。在反应初始阶段，模型物VG的α-羟基（Cα-OH）在体系中发生去质子化反应，产生α-烷氧负离子（I-1），并对β-碳位（Cβ）发起SN2亲核进攻，从而导致β-O-4连接键的断裂，产生愈创木酚（Guaiacol）和2,3-环氧-3-(3,4-二甲氧基苯基)丙基-1-醇（C-1）。中间产物C-1的α-碳（Cα）进一步去质子化并发生重排形成中间产物3-羟基-1-(3,4-二甲氧基苯基)丙基-1-酮（C-2)。C-2一方面可以在乙醇阴离子作用下，在分子内部形成不稳定的含氧四元环，并经过类似于Wittig反应的断键过程，产生藜芦酸（Veratric acid）；另一方面，能够在脱去甲醛后，在分子间形成含氧四元环结构，进而生成藜芦酸（Veratric acid）。这一反应过程也得到了DFT计算的验证支持，结果如图4所示。
图3. 木质素模型物VG在EtONa-THF/DMSO体系中反应机理推测
图4. 藜芦酸形成过程中反应中间体的DFT计算
值得指出的是，在EtONa-THF/DMSO体系中，β-O-4连接键即使在0 ℃下也能发生断裂。造成这种现象的一个原因可能是EtONa与VG的α-OH之间的反应是放热反应，类似于酸碱中和，不需要额外的能量输入。DFT计算的结果也进一步证明了该反应在低温条件下可以自发、正向进行。
最后，作者利用EtONa-THF/DMSO体系，分别在0°C、室温及50°C条件下对木质素进行降解，在对应的温度条件下分别能够得到6.2wt%、12.5wt%和20.3wt%的苯甲酸类单酚化合物，可接近木质素中β-O-4连接键理论转化产率的最大值。
图5. 白杨木质素在EtONa-THF/DMSO（3:1, v/v）体系中的降解
研究总结
在本研究中，作者开发了一种在温和条件下选择性地将木质素的β-O-4键裂解为苯甲酸类化合物的新方法。该反应体系以THF/DMSO为溶剂，以EtONa为碱性试剂。从白杨木中分离得到的木质素在50℃条件下，苯甲酸的产率为20.3 wt%。根据理论产率计算，木质素样品中的β-O-4连接键几乎完全断裂。分子动力学计算表明，氢键网络的强度可能有助于β-O-4在THF/DMSO中的高反应性。首次提出了β-O-4连接键在碱性无氧体系中生成苯甲酸化合物的反应机理，并得到了DFT计算的支持。这种温和条件下的木质素解聚方法为生物可再生资源生产单酚类平台化学品提供了一条新途径，促进了木质素在高附加值产品上的应用。
论文信息
该研究成果以“Low-temperature degradation of lignin in aprotic solvent system for preparation of monophenolic platform chemicals”为题发表于《Chemical Engineering Journal》。论文第一作者为华南理工大学曾旭助理研究员，通讯作者为华南理工大学蓝武副教授。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723051975?via%3Dihub