背景介绍
木质素是木质纤维素生物质中唯一的芳香族成分，构成单体主要包括紫丁香基（S）、愈创木酚基（G）和对羟基苯基（H），连接单体的化学键主要为β-O-4。木质素的芳香族特性和丰富的来源，使其成为生产高价值芳香族化学品和材料的可再生替代资源。然而，由于木质素的分子量较大、构成单体多样化和化学键不稳定严重阻碍了其高效的分离和改性，也限制了其高值化应用。为了有效地利用木质素，从木质纤维素生物质中进行有效和温和的分离是必要的。近年来，低共熔（DES）溶剂因为其低挥发性，可回收性，生物相容性和较好的木质素提取效果而引起广泛的研究。在分离过程中，木质素与DES溶剂中的成分发生反应，这种反应可能会提高木质素对恶劣条件的抗性，增强其稳定性或是赋予其一些新的特性，以便后期更好的应用，了解DES溶剂中的成分对木质素分离的影响及木质素与DES溶剂之间的反应，木质素在DES溶剂中的稳定性对木质素的高值化应用非常重要，这需要将结构和成分复杂的木质素简化为一个二聚体模型化合物进行研究。
在此基础上，荷兰格罗宁根大学Peter J. Deuss教授团队找到了能够高效溶解和回收木质素成分又能够减少芳基醚键断裂和缩合的三元低共熔溶剂体系，将该体系中分离得到的木质素模型用于研究改性后的木质素在DES溶剂中的反应途径和稳定性对其高值化利用的影响。图1a为三元低共熔溶剂氯化胆碱（ChCl）/乙二醇（EG）/草酸（OA）系统，可以看出木质纤维素生物质经过该溶剂系统的分离和纯化，得到结构比较完整且便于后续改性的木质素和可以酶解生成可发酵性糖的纤维素。图1b中木质纤维素经过球磨和酶解除去碳水化合物后剩余的木质素残渣(REL)与ChCl/EG/OA/HOTf 两种三元DES溶剂进行混合，然后经过酸沉淀木质素，再用有机溶剂将溶液中的降解物分离出来，这种方法得到的木质素与磨木木质素的区别在于其保留了大部分的天然连接结构和高分子量，可以作为木质素模型进行后续反应过程的研究。图1c为木质素分离过程中与EG发生苄基烷氧基化，这可以显著抑制重聚合，能够增强木质素的化学稳定性和新的功能，并且还能够增强其在普通（有机）溶剂中的溶解度，使其适合进一步加工和改性。
图1 DES对木质纤维素生物质或木质素的处理。
图文解读
1、ChCl/EG/OA系统
酸性DES溶剂能够提取生物质中的木质素，提高纤维素酶解转化率，但由于木质素和半纤维素分解的产物混合物比较复杂，迄今为止，还没有研究揭示三元酸性DES中木质素选择性苄基烷氧基化的原因。在80°C条件下，用ChCl/EG/OA系统处理核桃壳REL，在初始阶段，木质素没有完全溶解，18h后，完全混合均匀，并且木质素的结构没有太大的变化，三元DES体系能够更好的保护木质素的结构。通过核磁共振分析加水后木质素的回收率和化学键的含量来评价OA用量的影响（图2a）。回收木质素的芳基醚含量都很高（常规β-O-4（OH）和改性β-O-4（OEG）的组合），表明该DES体系确实适合加工天然木质素，而没有严重的芳醚键裂解。当OA的用量达到9%时，β-O-4（OEG）/β-O-4（OH）的比值从2逐渐增加到4，同时木质素的回收率从86%下降到59%。与OA剂量增加相关的质量损失是由于木质素的水溶性随着EG掺入量的增加和芳基醚键的断裂增加而增加。随着OA用量的进一步增加，EG掺入量和木质素回收率均趋于平稳。回收的木质素中，不仅S/G比值稳定，且主要连接如β-O-4(OEG)、β-O-4(OH)、β-β和β-5没有较大变化。结果表明额外添加的OA对木质素结构没有明显影响，EG的掺入与木质素结构的稳定有关。又进一步研究了温度对木质素结构和回收率的影响（图2b）。β-O-4(OEG)/β-O-4(OH)比值随着温度升高至120 ℃而不断增加，但回收的木质素产量却有所下降。核磁谱图的芳烃区域总键含量，特别是芳醚键含量严重下降，缩合信号明显（图2c）。这表明在保持化学键和木质素回收率方面需要考虑反应温度和EG掺入之间的必要平衡。
图2不同温度和添加不同酸的条件下，ChCl/EG/OA溶剂处理核桃壳REL获得的木质素的主要化学键，S/G比和回收率。
2、ChCl/EG/HOTf系统
ChCl/EG/OA体系处理核桃壳REL的研究中，酸用量对木质素苄基烷氧基化的高产率有着重要作用，木质素的回收率对反应温度非常敏感。可以通过调整DES的成分来降低反应温度实现高改性和少解聚。ChCl与不同的酸具有极好的相容性，强酸性的三氟甲烷磺酸（HOTf）对木质素的酸解具有优异的性能，EG作为保护试剂可追踪活性产物以提高产物收率和选择性。将HOTf替换上述体系中的OA，在较温和的条件下实现高EG的掺入和较低的木质素降解。用含有高芳基醚键的桦木REL替换核桃壳REL进行研究。图3a为不同反应时间和不同酸剂量条件下，ChCl/EG/HOTf溶剂处理桦树REL获得的木质素的主要化学键、S/G比、回收率和分子量分布。与OA 系统相比，该系统在室温情况下得到的木质素的β-O-4(OEG)/β-O-4 (OH)比值都比较低且差不多，β-O-4(OEG)/β-O-4(OH)比值的增加伴随着木质素回收率的降低，β-O-4含量尽管较高，但分子量分布结果表明木质素存在着轻微降解（图3c），这可能是未改性的芳基醚键在强酸性条件下不稳定。这一结果与ChCl/EG/OA体系的结果相似，这说明只是增加酸的含量并不能实现EG的高掺入。图3b为反应时间对木质素回收率及主要化学键的影响，可以看出简单延长反应时间，EG掺入量增加，第36 h的木质素的β-O-4(OEG)/β-O-4(OH)比为5.7，远高于通过调整酸用量获得的最大比值，并且不会导致回收率的显著降低。回收的木质素的芳基醚键含量，特别是分子量（图3d）表明，即使延长反应时间，在这样温和的反应条件下也只会发生最小的一步链断裂。与ChCl/EG/OA 相比，在实现木质素高EG 掺入量且较少破坏主要化学键方面，ChCl/EG/HOTf具有更大的潜力。
图3 不同反应时间和不同酸剂量条件下，ChCl/EG/HOTf溶剂处理桦树REL获得的木质素的主要化学键、S/G比、回收率和分子量分布。
3、ChCl/EG/OA系统中不同生物量REL的处理规模
为了更准确地了解ChCl/EG/OA体系中木质素的质量损失，选择桦木、松木、芦苇和核桃壳REL四种样品，将规模扩大至0.3g，来研究结构修饰和化学键断裂的普遍性。四种REL的质量损失顺序为桦木（48.4%）>核桃壳（45.8%）≈芦苇（45.8%）>松木（21.7%）（图4）。可以看出芳基醚键的含量为桦木（61.9%）>核桃壳（54.4%）>芦苇（49.3%）≈松木（48.1%），β-O-4(OEG)/β-O-4(OH)的比值松木（8.8）>芦苇（8.3）>核桃壳（7.7）>桦木（3.5）。回收的木质素的质量损失可能与其芳基醚含量有关。芳基醚键含量高的木质素含有更多潜在的切割位点和EG修饰位点，这些位点可能会释放更易溶解的片段。这些结果表明，具有不同化学键的木质素需要单独优化参数来实现有效的分离和回收。
图4 用ChCl/EG/OA溶剂处理来自桦树、松树、芦苇和核桃壳的REL得到的木质素的主要化学键、S/G比及产量。
图5为ChCl/EG/OA溶剂处理桦树、松树、芦苇和核桃壳的REL前后碳水化合物的含量变化。REL样品中含有没有完全酶解的纤维素和半纤维素成分，在DES处理后，总糖含量显著降低，但桦木和核桃壳REL在处理后仍然含有较高的糖成分，DES处理后，糖去除率的顺序为松木＞芦苇＞桦木＞核桃壳。除了松木外，其他样品处理后纤维素占比有所增加，这是因为DES中半纤维素更容易降解。
图5用ChCl/EG/OA溶剂处理桦树、松树、芦苇和核桃壳的REL前后碳水化合物的含量。
4、酸性DES溶剂处理REL组分的概述
追踪分析了上述放大实验中ChCl/EG/OA处理REL的主要成分，整个实验过程的流程如图8所示。木质纤维素生物质经过球磨和酶解，一部分为低聚糖和单糖，另外一部分为酶解后的木质素残渣REL，ChCl/EG/OA处理REL后，用水将DES溶剂中的木质素分离开来，DES和水溶液中的成分一部分使用THF将DES溶剂和水溶液分离，DES溶剂回收，水溶液经过蒸发，产物由核磁共振进行图谱分析；一部分由DCM萃取和分离，DES回收，水溶液蒸发后，由GC-MS进行成分分析。THF萃取成分分析表明ChCl/EG/OA 处理能够促进EG与β-O-4 芳基醚键结合，还增加了木质素的稳定性和溶解度，可能还会在纯化步骤中增加木质素小片段的缺失。DCM萃取成分分析表明在木质素还原性降解过程中添加游离的EG不会影响单体的收率和分布，较低的单体产量是由结合的EG掺入造成的。但是仅仅依靠THF和DCM萃取的液体成分分析只能分析一部分产物，不能溶于这两种溶剂的或者在水中有较高降解度的产物没有得到分析，这需要更进一步的精确研究来追踪分析这些未知成分。
图8 酸性三元深共晶溶剂处理天然木质素的示意图。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c02954
