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通过温和乙醇萃取提取高β-O-4含量的木质素及其对解聚产率的影响

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DOI：

10.3791/58575

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2019年1月7日

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1Department of Chemical Engineering (ENTEG), University of Groningen, 2Stratingh Institute for Chemistry, University of Groningen, 3Leibniz-Insitut f ür Katalyse e.V., Universität Rostock

本文内容

摘要

本文介绍了一种从多种生物质来源中进行木质素乙醇提取的实验方案。展示了提取条件对木质素得率及β-O-4含量的影响。对所获得的木质素进行了选择性解聚，以制备高收率的芳香族单体产物。

摘要

木质素增值策略是实现基于木质纤维素生物质的更具经济竞争力的生物炼制厂的关键因素。目前大多数新兴的、用于获得特定芳香族产物的精巧方法，都依赖于木质素底物中含有较高比例的易断裂β-O-4连接键，而这正是天然木质素结构中的主要连接方式。然而，这一需求与典型的工业木质素存在不匹配，因为后者在加工过程中已发生严重降解，导致β-O-4连接键含量较低。因此，木质素的提取产率及其质量对于开发新的木质素增值途径至关重要。本文提供了一种简便的协议，通过相对温和的乙醇提取方法获得富含β-O-4结构的木质素，该方法可适用于多种木质纤维素原料。此外，本文还介绍了用于评估木质素质量的分析方法，以及一种可生成特定酚类2-芳基甲基-1,3-二氧戊环的解聚协议，可用于评价所获得的木质素。实验结果表明，木质素的质量与其解聚为特定单体芳香族化学品的潜力之间存在直接关联。总体而言，提取与解聚过程揭示了木质素提取产率与保留天然芳基醚结构之间的权衡关系，从而影响其作为高附加值化学品生产原料的应用潜力。

引言

为了实现化学工业的可持续发展，应使用木质纤维素生物质等可再生原料替代目前占主导地位的化石原料1。然而，为了使这些原料的利用具备经济可行性，必须为其所有组分寻找高附加值的应用途径。木质纤维素生物质中约含有30 wt%的木质素，这是一种芳香族生物聚合物，目前除作为低价值燃料使用外，其应用仍十分有限2。因此，开发能够提升芳香族组分价值的方法学，对于确保未来生物炼制厂的成功至关重要。

近期研究主要集中于开发新型方法，以选择性裂解木质素中最丰富的β-O-4键（图1a），从而获得特定的芳香族单体，通常是酚类单体3,4,5,6。 例如，在80 °C至180 °C条件下使用酸处理，可高效裂解β-O-4键，生成醛和酮片段7,8。我们课题组及其他研究团队近期已证明，将酸解与稳定和捕获活性片段的方法相结合，是获得具有特定化学结构的酚类单体的极为有效策略9,10,11,12。其中，尤其以利用醇类对活性醛进行缩醛捕获，生成酚基2-芳甲基-1,3-二氧戊环（缩醛）的方法效果显著，因其操作相对简便，且能保留木质素单体高度官能化的特性（图1b）13,14。这些缩醛产物的生成比例，反映了原始木质素原料中H、G和S型单体的分布情况。

酸催化解聚法与许多已开发的精巧方法类似，反应条件相对温和，不会断裂木质素中存在的较强C-C键15。然而，当采用剧烈的木质纤维素分级条件时，由于较弱的C-O键断裂后释放出的活性片段发生缩合，C-C键的含量会显著增加16,17。通过分析一系列技术级木质素，可以清楚地证明生物质加工方法导致β-O-4结构单元的损失，这些技术级木质素中每100个芳香单元仅保留最多6个β-O-4连接18，而在天然木质纤维素中，该数值根据原料来源不同，范围为每100个芳香单元45至90个连接16。若采用更温和的提取条件，所获得的木质素其连接方式分布更接近天然木质素。然而，这需要在提取效率与所得木质素材料的质量之间进行权衡17。这一点在有机溶剂法（organosolv）提取木质素中已有先例，该方法是木质素分级的一种常用手段。该工艺存在多种变体，采用不同的温度、酸含量、提取时间和溶剂。在此过程中，提取的剧烈程度直接影响所得木质素的结构，从而决定其进一步高值化利用的适用性19,20,21。例如，基于乙醇的Alcell工艺在示范规模运行了5年，所生产的organosolv木质素中残留的β-O-4连接相对较少，因其在较高温度下运行以确保高效的脱木质素，从而获得高质量的碳水化合物用于生物乙醇生产。尽管如此，像乙醇这样环境影响小的生物基溶剂仍更受青睐，因此能够获得更高价值木质素的提取方法具有重要意义。醇类溶剂尤其受到关注，因为它们不仅作为提取介质，还会嵌入木质素结构中，例如形成β'-O-4结构（图1a）22，从而在一定程度上"保护"结构免受非预期的断裂。一种理想的方法可能是首先获得高β-O-4含量的木质素，然后在后续步骤中去除剩余的木质素，以获取高价值的纤维素。

在本文中，我们描述了一种通过温和乙醇提取法提取高含量β-O-4木质素的简便且高度可重复的步骤。根据生物质来源的不同，该方法可实现相对较高的提取效率和得率。文中同时提供了所得木质素的表征方法，以及如何对醚化的β'-O-420进行"去保护"。此外，还提出了一种评估此类木质素在选择性解聚过程中的潜力的方法，该过程依赖于选择性断裂β-O-4键。该评估采用三氟甲磺酸铁催化、在乙二醇存在下的解聚反应，生成酚类2-芳基甲基-1,3-二氧戊环23，从而揭示木质素材料中β-O-4含量与单体产率之间的关联21。结果展示了高木质素提取效率与所得木质素解聚为特定芳香族单体潜力之间的平衡关系。

方案

1. 木质素提取前核桃原料的预处理

  1. 核桃壳的制备
    1. 将核桃壳送入锤式切割机中进行破碎。在锤式切割机出口处配备孔径为 5 mm 的筛网。用 1 L 玻璃烧杯收集破碎后的核桃壳。
    2. 将破碎后的核桃壳送入微型锤式切割机中进一步研磨成粉末。在微型锤式切割机出口处配备孔径为 2 mm 的筛网。用 1 L 玻璃烧杯收集研磨后的核桃壳粉末。
  2. 从研磨后的核桃壳中提取脂肪酸
    1. 将 150 g 切碎的核桃壳放入 500 mL 圆底烧瓶中。向圆底烧瓶中加入 200 mL 甲苯和一根搅拌子。
    2. 将回流冷凝管连接至圆底烧瓶。使用油浴将混合物加热至回流温度（111 ˚C），并在剧烈搅拌条件下回流反应 2 h。
    3. 2 h 后停止加热，将烧瓶从油浴中取出，使混合物冷却至室温。
    4. 通过过滤去除甲苯（滤膜直径 185 mm，孔径 10 µm）。弃去甲苯滤液。
    5. 将核桃壳置于真空烘箱中，在 80 ˚C 和 50 mbar 条件下过夜加热，以去除残留的甲苯。
  3. 预提取后核桃壳的研磨
    1. 将 7 个直径为 20 mm 的 ZrO2 研磨球放入由 ZrO2 制成的 250 mL 研磨碗中。
    2. 向研磨碗中加入 40 g 核桃颗粒，并加入 60 mL 异丙醇。
    3. 使用旋转球磨机对核桃壳进行研磨。研磨程序为：以 27 × g 转速研磨 2 min，随后暂停 4 min，共进行 4 个循环。研磨过程中始终确保研磨碗温度低于 80 ˚C。每次最多处理 3 批样品，研磨后需让研磨碗充分冷却。
    4. 将精细研磨后的核桃壳收集至 500 mL 圆底烧瓶中。在 40 ˚C 和 125 mbar 条件下通过旋转蒸发去除异丙醇。
    5. 将核桃壳在真空烘箱中于 50 ˚C 和 50 mbar 条件下过夜干燥。
    6. 将精细研磨后的核桃壳通过 1 mm 筛网过筛。将粒径过大的颗粒重新用旋转球磨机进行研磨。

2. 木材原料的制备

  1. 木板切割
    1. 将木板置于配备平头木工钻头的钻机下进行钻削，并用玻璃烧杯收集木屑。
    2. 将木屑放入咖啡研磨机中进一步切割成更小的碎片。
  2. 从木材中提取脂肪酸
    1. 从木材中提取脂肪酸的操作步骤需严格按照第1.2步中所述的核桃壳提取方法进行。
      注意：不使用球磨机对木材进行研磨，因为第1.3步中所述条件未能有效减小颗粒尺寸。

3. 高β-O-4含量乙醇溶剂木质素的提取

  1. 温和乙醇提取法（方法A）
    1. 将25 g原料放入500 mL圆底烧瓶中。加入80:20的乙醇/水混合液（200 mL）、4 mL 37% HCl溶液（0.24 M）以及一个磁力搅拌子。
    2. 将回流冷凝器连接至圆底烧瓶。使用油浴在回流温度下加热混合物，同时剧烈搅拌，持续5小时。
    3. 将混合物从油浴中取出，使其冷却至室温。过滤混合物（滤膜直径185 mm，孔径10 µm），并用4次每次25 mL乙醇洗涤残留物。
  2. 木质素的后处理与分离
    1. 将滤液收集至500 mL圆底烧瓶中。在40 ˚C和150 mbar条件下通过旋转蒸发浓缩滤液。
    2. 将所得固体溶解于30 mL丙酮中。若固体未完全溶解，可使用超声浴辅助溶解。
    3. 将上述混合液加入600 mL水中以沉淀木质素。若未出现沉淀，可加入少量饱和水溶液Na2SO4以促进木质素絮凝。
    4. 通过过滤（滤膜直径185 mm，孔径10 µm）收集木质素。每次用25 mL水洗涤木质素，共洗涤4次。若无需对半纤维素组分进行分析，则弃去滤液。若滤液非常浑浊，将其转移至离心管中，通过离心收集底部的（固体）组分。
    5. 让木质素在空气中干燥过夜。随后在真空烘箱中进一步干燥（50 ˚C、50 mbar条件下过夜）。
    6. 在真空烘箱中干燥过夜后测定木质素产率。
    7. 通过将所得产率除以根据Klason法测定的总木质素含量，计算木质素提取效率24。
  3. 高温乙醇提取法（方法B）
    1. 将15 g原料放入250 mL高压反应釜中。加入80:20的乙醇/水混合液（120 mL）、2.4 mL HCl（0.24 M）以及一个磁力搅拌子。
    2. 在120 ˚C下加热混合物5小时，搅拌速度为5.2 x g。反应结束后将反应釜置于冰浴中冷却。
    3. 过滤混合物（滤膜直径185 mm，孔径10 µm），并用15 mL乙醇洗涤残留物4次。
    4. 后续的后处理与分离步骤严格按照步骤3.2所述进行。
  4. 核桃壳的大规模高温乙醇提取（方法C*）
    1. 将90 g细磨的核桃壳放入1 L高压反应釜中。加入80:20的乙醇/水混合液（750 mL）和6.25 mL H2SO4（0.12 M）。
    2. 在120 ˚C下加热混合物5小时，搅拌速度为35.8 x g。反应5小时后启动反应器冷却系统，将混合物冷却至室温。
    3. 过滤混合物（滤膜直径185 mm，孔径10 µm），并用75 mL乙醇洗涤残留物4次。
      注：使用多个滤膜可显著节省时间。
    4. 将滤液均分为两份。按照步骤3.2所述方法对每份滤液进行后处理与分离，但溶剂用量加倍。
  5. 步骤3.1（方法A*）和步骤3.3（方法B*）的对照实验（可选）
    1. 按照步骤3.1.1所述加入完全相同的物料，但将HCl溶液替换为1.67 mL H2SO4（0.12 M）。其余步骤3.1–3.2与方法A完全相同。
    2. 按照步骤3.3.1所述加入完全相同的物料，但将HCl溶液替换为1.0 mL H2SO4（0.12 M）。其余步骤3.3与方法B完全相同。

4. 木质素的脱醚化（可选）

  1. 在100 mL圆底烧瓶中，将1000 mg木质素溶于24 mL的1:1 1,4-二氧六环/水混合液中。向该混合液中加入1 mL 37%的HCl溶液。
  2. 加入搅拌子，并将回流冷凝管连接至圆底烧瓶。使用油浴将混合物加热至100 ˚C，在剧烈搅拌条件下回流5 h。
  3. 将烧瓶从油浴中取出，使混合物冷却至室温。将混合物加入160 mL水中，使木质素沉淀析出。
  4. 通过过滤（滤膜直径185 mm，孔径10 µm）收集木质素，并用25 mL水洗涤2次。将木质素在空气中静置过夜使其自然干燥。随后在真空烘箱中进一步干燥（50 ˚C、50 mbar条件下过夜）。

5. 木质素分析

  1. 二维核磁共振（2D-NMR）分析
    1. 将60 mg干燥的木质素溶于0.7 mL的d6-丙酮。加入几滴 D2若木质素未完全溶解，则将混合物置于核磁共振管中，使用核磁共振波谱仪采集二维质子异核单量子相干谱（HSQC），参数设置如下：(11, -1)、(160, -10)，nt = 4，ni = 51220.
    2. 分析获得的HSQC谱图。通过手动对两个轴进行相位校正，调整谱图直至所有信号均为正，这在水平方向（f2轴）上尤为重要。不进行基线校正。所有连接位点的位置已在步骤5.1.3和5.1.6中给出。
    3. 积分芳香区域中对应于三种不同芳香单元的信号（质子编号依据 图4）。这些信号位于区域 [（氢谱范围）（碳谱范围）]：
      S2/6:                [(6.48-6.90)(104-109)]
      S'2/6:                [(7.17-7.50)(105-109)]
      S浓缩的:       [(6.35-6.65)(106-109)]
      G2:                 [(6.78-7.14)(111.5-116)]
      G5:                 [(6.48-7.06)(115-120.5)]
      G6:                 [(6.65-6.96)(120.5-124.5)]
      H2/6:               [(7.05-7.29)(128.5-133)]
      注意：H3/5 与 G 重叠5 信号，并假设 H2/6 与 H 的强度相同3/5凝聚态G的信号与G重叠5。如果无（或几乎没有）G2 和 G6 信号存在表明G已完全凝聚。
    4. 使用以下公式计算芳香族单元的数量：
      总芳香族 = (((S2/6 + S'2/6)/ 2) + S浓缩的) + ((G2 + G5 + G6- H2/6) / 3) + (H2/6 / 2)
    5. 使用以下公式计算G、H和S单元的百分比：
      比率 S = (((S2/6 + S'2/6)/ 2) + Scondensed)：总芳香度 × 100%
      比率 G = ((G2 + G5 + G6- H2/6) / 3)：总芳香性 × 100%
      比率 H = (H2/6 / 2)：总芳香族含量 × 100%
    6. 对脂肪族区域中对应于 β-O-4、β-β 和 β-5 连接键以及希伯特酮（Hibbert Ketones）的信号进行积分。这些信号位于以下区域 [(质子化学位移范围)(碳化学位移范围)]：
      β-O-4α                          [(4.76-5.10)(73-77.5)]
      β'-O-4α                         [(4.44-4.84)(81.5-86)]
      β-O-4β 和 β'-O-4β      [(4.03-4.48)(85-90.5)]
      β-O-4γ 和 β'-O-4γ       [(3.10-4.00)(58.5-62)]
      β-5α                              [(5.42-5.63)(88-92)]
      β-5β                              [(3.36-3.56)(53-54.5)]
      β-5γ                              [(3.50-4.00)(62-64.5)]
      β-βα                              [(4.59-4.77)(86.5-89.5)]
      β-ββ                              [(2.98-3.20)(55.5-59)]
      β-βγ                              [(3.75-3.96)(72.5-76)] 和 [(4.10-4.31)(72.5-76)]
      中国香港γ                               [(4.20-4.30)(66-68)]
      注意：β-O-4 和 β'-O-4 连接的 β-质子信号重叠。这些连接结构单元的结构示意图如下所示 图1.
    7. 每100个C9单元的总连接数均基于连接中α质子的信号。使用以下公式计算总连接数：
      β-O-4 连接 = (β-O-4α + β'-O-4α）/ 总芳香族化合物 × 100
      # β-5 连接 = β-5α / 总芳香族含量 × 100
      β-β连接 = β-βα / 总芳香族含量 × 100
  2. 凝胶渗透色谱（GPC）分析
    1. 将10 mg干燥的木质素溶解于1 mL四氢呋喃（THF）中（加入一滴甲苯作为内标）。将该混合物通过滤膜过滤 0.45 µm 使用注射器滤器将溶液滤入带有0.3 mL低容量进样口的自动进样瓶中，用瓶盖密封自动进样瓶。
    2. 注射 20 µL 将样品注入THF GPC。处理所得数据。
    3. 用甲苯信号校正所获得的信号。选择洗脱体积的合适范围（~200–10000 Da）。通过软件计算质量分布。

6. 木质素解聚为酚类2-芳甲基-1,3-二氧戊环（缩醛）

  1. 将50 mg干燥的木质素放入20 mL微波反应管中，作为配备磁力搅拌器的反应容器。加入0.85 mL 1,4-二氧六环、50 µL乙二醇的1,4-二氧六环溶液（0.54 mL/mL）以及50 µL十八烷（内标物）的1,4-二氧六环溶液（26 mg/mL）。
  2. 封闭反应容器，并在3.8 × g搅拌条件下将溶液加热至140 °C。
  3. 当反应容器达到140 °C时，加入50 µL Fe(III)OTf3 的1,4-二氧六环溶液（0.1 g/mL）。
  4. 搅拌反应器15分钟。
  5. 将反应器冷却至室温，并按照步骤7.1所述方法取出解聚液体。

7. 解聚混合物的后处理与分析

  1. 将液体通过硅藻土过滤（渗透率：2.60-6-50 达西；粒径：150 目 Tyler；筛上残留物（140 M US）：2.0-25.0%），并收集至 2 mL 离心管中。
  2. 在旋转真空浓缩仪中于 35 °C 浓缩液体过夜。
  3. 采用以下步骤提取最终的油状物/固体：
    1. 加入 0.15 mL 二氯甲烷（DCM），通过剧烈混合（涡旋振荡）、超声处理 15 分钟以及自动旋转轮上处理 30 分钟，使残留物悬浮并溶胀。
    2. 使用小型台式离心机离心样品最多 10 秒，确保液体位于管底（离心速度：671 × g）。
    3. 加入 0.75 mL 甲苯，并充分混合（涡旋振荡及超声 10 分钟）。
    4. 使用小型台式离心机离心样品最多 10 秒（离心速度：671 × g），确保液体位于管底。
    5. 将轻质有机液体与固体或粘稠油状残留物分离，并将该液体通过一段硅藻土柱过滤，收集至玻璃小瓶中。
      注：上述悬浮/洗涤步骤重复三次，最后一次提取使用 0.5 mL 甲苯。
  4. 通过旋转蒸发（40 °C，20 mbar）浓缩合并的有机相。
  5. 将油状残留物溶解于 1 mL 二氯甲烷中，用于气相色谱火焰离子化检测器（GC-FID）分析。
  6. 使用配备 FID 检测器的气相色谱仪进行 GC-FID 分析，载气为氦气。标准设置如下：进样量 1 µL，分流比 50:1，氦气流速 0.95 mL/min。气相色谱仪配置 HP5 柱（30 m × 0.25 mm × 0.25 µm），运行程序起始于 60 °C 恒温 5 分钟，随后以 10 °C/min 的升温速率升至 260 °C，持续 20 分钟。
  7. 手动积分色谱图中的峰。各峰保留时间如下：十八烷（21.4 分钟）、H-缩醛（19.5 分钟）、G-缩醛（20.8 分钟）、S-缩醛（23.4 分钟）。使用步骤 7.8 获得的数值进行定量分析。
  8. 对 G-缩醛进行定量，基于使用内标物（十八烷）校准的标准品绘制的校准曲线进行。
    注：校准曲线：用于缩醛与十八烷定量的化学比例公式示意图，包含计算符号。 (R2=0.9991)
    G-缩醛产率：G-缩醛克数与木质素比例的转换分析公式，化学计算。
    根据先前研究结果9,21,23，估算 H-缩醛和 S-缩醛的响应因子分别为 2.19 和 1.82。

结果

在图2中显示了预处理后获得的原料（左列）。所有原料均以小片状形式获得，仅山毛榉木除外，其以适合提取的粒径刨花形式获取。提取后获得的木质素呈现出多种颜色和粒径。经温和处理方法（方法A，以及图2第二列）获得的木质素通常呈红色/粉红色，并以小片状形式存在。当采用更剧烈的条件时（方法B和C*），所获得的木质素呈棕色/黄褐色（图2第三和第四列）。在更剧烈条件下进行的所有提取，其产率均高于温和条件（方法B和C*对比方法A）（反应路线见图1，结果见表1）。该效应在胡桃木（提高10.2%）、山毛榉木（提高8.5%）和雪松木（提高5.1%）中尤为显著，相比之下，松木的提高幅度仅为0.5%。根据提取前生物质中的木质素含量（胡桃木为40.3%，松木为28.6%25，山毛榉木为18.8%25，雪松木为35.1%25），山毛榉木的木质素提取效率特别高（73.9%），而其他原料的提取效率则较低。A*和B*为方法A和B中使用硫酸的对照实验，在提取产率上显示出一些明显差异。使用硫酸对胡桃壳进行温和提取（方法A*）仅得到极低的2.6%产率，明显低于使用盐酸提取（方法A）的产率（分别为2.6%和5.0%）。然而，在更剧烈的提取条件下，使用硫酸提取（方法B*）的产率高于使用盐酸提取（方法B）（分别为19.3%和15.2%），但需注意的是，使用硫酸提取所得产物中含有糖类残留物。

通过不同木质素的核磁共振（NMR）分析（示例见图4），确定了H/G/S比例及各类连接键的含量（表1）。由于β-O-4和β'-O-4连接键的β和γ质子信号重叠，因此采用α质子信号来定量连接键的含量。此外，G5/6与H3/5信号存在重叠，但可通过H2/6信号对比例进行校正。同时，还检测到对应于希伯特酮（Hibbert Ketones）γ质子的信号以及氧化S单元的信号，这些信号可能源于木质素的端基结构。

核磁共振（NMR）测得的比值显示，当天然原料含有S单元时，采用方法B提取得到的木质素，其S单元含量通常高于采用方法A提取的木质素。此外，与方法A相比，方法B提取的木质素中总β-O-4连接键的数量较低，表明随着温度升高，降解程度增加。一个例外是通过方法A和方法B从核桃壳中提取的木质素，其总β-O-4连接键含量非常相近。当采用更剧烈的条件时，β-β和β-5连接键的数量确实有所减少，但减少程度较小。此外，NMR分析表明，所有经乙醇提取后获得的木质素均显示出β-O-4连接键结构的一定程度修饰。这些连接键在α-OH基团上的取代率至少约为50%，从而形成α-乙氧基化的β'-O-4连接键。木质素提取具有良好的可重复性，这一点通过重复4次核桃壳的温和提取（方法A）得以验证。特别是，总β-O-4连接键数量的偏差极小。当在更剧烈的条件下进行提取（方法B和C*）时，α-乙氧基化的比例增加。在剧烈条件下（方法B）提取的山毛榉木质素的HSQC谱图中，可观察到S缩合单元的信号，这与β-O-4连接键数量显著减少的现象完全吻合。在大规模条件下（方法C*）进行的核桃壳提取，所有连接键均显著减少，且HSQC谱图中可见S缩合单元的信号。在温和条件下（方法A）提取雪松木质素时产率相对较高，这是由于其中含有较大量的脂肪酸所致。使用硫酸进行的对照实验，有助于深入了解酸对所得木质素组成的影响。在温和提取条件下（方法A*），获得了纯度很高的木质素，其组成与其他温和提取（方法A）所得木质素相似。β-O-4连接键略低的数量可归因于乙醇在木质素骨架中的结合效率较低，导致β'-O-4连接键数量减少。在更剧烈的提取条件下（方法B*），所得木质素与在盐酸存在下提取核桃壳所得木质素（方法B）相比，差异更为显著。总β-O-4连接键数量急剧下降（分别为35和74），且使用硫酸获得的木质素在芳香区表现出高度缩合（48%），该值通过Scondensed和Gcondensed信号积分确定（步骤5.1.3）。这种高度缩合完全可归因于硫酸的作用，因为在相同提取条件下使用盐酸所得产物在芳香区未显示任何缩合信号。在剧烈的大规模提取（方法C*）中所得产物的组成与小规模提取（方法B*）所得产物相比无显著差异，唯一明显区别是大规模提取中芳香区缩合程度较低（9%），相应地β-O-4连接键数量较高。这一差异可能是由于不同高压釜之间的加热程序不同所致。

还通过凝胶渗透色谱法（GPC）对木质素进行了分析（图5），以了解其分子量（表2）。结果表明，当采用更剧烈的提取条件（方法B）时，所有来源的重均分子量（Mw）和多分散性均有所增加。对于每种来源，不同提取条件下的数均分子量（Mn）相近。总体而言，这些结果表明，更剧烈的提取条件具有双重作用：一方面提取出更大的片段，同时这些片段也发生了额外的降解。

在某些应用中，β'-O-4 键的形成是不希望发生的，例如在采用依赖于苄基（α）羟基氧化的解聚方法时26,27,28。此前已有报道将乙醇溶剂法木质素中的 β'-O-4 键转化为常规的 β-O-4 键20，该研究使用了从核桃壳中提取的一批木质素，其来源与本文报道的核桃壳木质素相似（图6）。该木质素含有30个天然的 β-O-4 键和39个α-乙氧基化的 β'-O-4 键（本文中木质素分别为34个和38个）。脱醚化反应几乎将所有α-乙氧基化键转化为了天然结构，所得木质素含有57个 β-O-4 键，仅残留3个α-乙氧基化的 β'-O-4 键，表明 β-O-4 单元总数略有减少。木质素的质量为原始木质素的72%，这主要是由于乙基的丢失所致。

为了展示木质素通过温和解聚生成芳香族单体的潜力，进行了在乙二醇存在下使用Fe(OTf)3进行酸解反应的实验（图7）。该反应生成三种不同的酚类2-芳基甲基-1,3-二氧戊环（缩醛），分别对应于木质素中存在的H、G和S结构单元。表3列出了S、G和H型缩醛的产率，总产率显示在图8中。可以看出，木质素提取方法对缩醛产率具有显著影响。采用更剧烈条件（方法B）提取的木质素所得产率较低。这可能是由于其结构发生了更多修饰（α-乙氧基化比例更高），形成更多缩合结构，如前一段所述。

β-O-4 结构单元的重要性体现在其与解聚过程中单体产率的相关性，如本实验方案中所示（图9）。从总的 β-O-4 含量及非醚化 β-O-4 连接来看，呈现出明显的趋势：通常 β-O-4 含量越高，酚类 2-芳甲基-1,3-二氧戊环（缩醛）的产率也越高，这与先前的研究结果一致21。而当考虑醚化的 β'-O-4 连接时，趋势同样明确，表明解聚产率与 β'-O-4 连接的数量无关。在反应条件下，醚化的 β-O-4 连接可发生去醚化反应，但这一额外步骤会导致物料损失，如前所述。

总体而言，在校正木质素提取率对单体解聚产率的影响后，可得到以下结果（表4）。结果表明，比较方法A与B，采用更剧烈的提取条件可获得更高的总木质素产率，随后进行（选择性较低的）解聚反应，通常可得到更多的缩醛产物。然而，松木的结果也显示，这一趋势依赖于生物质来源，因为提高提取强度并未显著提升产率。对于此类木材，保留β-O-4结构更有利于获得更高的总酚类2-苯甲基-1,3-二氧戊环（缩醛）产率。

木质素结构图示及酸催化转化为H-缩醛、G-缩醛、S-缩醛的化学过程。
图1．所得产物的化学结构。 （a）木质素结构中存在的常见结构单元。（b）酸催化木质素解聚结合缩醛捕获法，用于获得酚类2-芳甲基-1,3-二氧戊环（缩醛）。请点击此处查看该图的放大版本。

原料热降解示意图，核桃、松木、山毛榉、雪松在80°C、120°C下热处理。
图2。从不同原料中获得的木质素。 四种不同木质纤维素原料经预处理（步骤1和步骤2）后以及在不同条件下经有机溶剂法提取所得木质素的图像（方法A—步骤3.1，方法B—步骤3.3，方法C*—步骤3.4）。请点击此处查看该图的放大版本。

木质纤维素转化示意图；β-O-4、β-β、β-5连接；化学反应方案。
图3。乙醇解提取的反应方案。 所得连接结构概述：β-O-4（R' = H）、β'-O-4（R' = Et）、β-β 和 β-5。反应条件：（A）80 °C，0.24 M HCl（步骤3.1）；（B）120 °C，0.24 M HCl（步骤3.3）；（C*）120 °C，0.12 M H2SO4（步骤3.4）；以及对照实验A*和B*（步骤3.5）。请点击此处查看该图的放大版本。

用于木质素分析的核磁共振波谱图，显示二维相关数据及化学结构。
图 4．木质素的 HSQC 分析。 通过温和处理（步骤 3.1）从核桃壳中提取的木质素，利用二维 HSQC 技术测定其所有木质素连接结构。HKγ 和 S'2/6 的信号被放大以增强可见性。请点击此处查看该图的放大版本。

木材聚合物分析；相对强度与分子量关系图；比较胡桃木、松木、山毛榉木、雪松木样品。
图 5．木质素的分子量。 所得木质素按来源划分的凝胶渗透色谱（GPC）图谱（a = 胡桃木，b = 松木，c = 山毛榉木，d = 雪松木）。各条曲线对应 表 2 中列出的不同样品。请点击此处查看该图的放大版本。

化学反应示意图：β-O-4 键在 1,4-二氧六环、H2O 和 HCl 条件下的转化。
图6。 木质素的脱醚化反应。 从核桃壳中获得的乙醇溶木质素进行脱醚化反应的反应路线图（步骤4）。请点击此处查看该图的高清版本。

通过 Fe(OTf)3 催化剂生成 S、G、H 芳香族缩醛产物的木质素解聚反应示意图。
图 7．木质素解聚为缩醛。 木质素解聚生成酚基-2-芳甲基-1,3-二氧戊环（缩醛）的反应路线图。H 结构单元：R1 = R2 = H；G 结构单元：R1 = OMe，R2 = H；S 结构单元：R1 = R2 = OMe（步骤 6）。请点击此处查看此图的放大版本。

乙缩醛产率柱状图；方法A、B用于胡桃木、松木、山毛榉、雪松；S、G、H组分。
图8。不同原料来源的乙缩醛产率。 由不同来源木质素解聚得到的酚类2-芳甲基-1,3-二氧戊环（乙缩醛）的产率。请点击此处查看该图的放大版本。

静态平衡图；β-O-4 连接与缩醛产率的关系；有机溶剂木质素解聚的数据分析。
图 9。β-O-4 连接对缩醛产率的影响。 由木质素解聚得到的酚类 2-芳甲基-1,3-二氧戊环（缩醛）产率，与原料木质素中总 β-O-4（蓝色）、非醚化 β-O-4（橙色）和醚化 β-O-4（灰色）含量的比较。请点击此处查看该图的放大版本。

来源条件产率 (%)提取效率 (%)1S/G/H 比例总 β-O-4β-O-4β’-O-4β-ββ-5
WalnutA5.0 ± 0.712.445/46/975 ± 2.536 ± 2.639 ± 3.111 ± 0.75 ± 1.5
WalnutA*2.66.547/45/853322194
WalnutB15.237.759/37/474205496
Walnut2B*19.347.975/25/03553073
Walnut2C*16.240.265/33/245103583
PineA3.512.20/>99/<1592237014
PineB4.014.00/>99/<14673908
BeechA5.428.763/37/0824339125
Beech3B13.973.983/17/045113592
CedarA6.418.20/>99/<164283606
CedarB11.532.80/>99/<14173407

表1. 乙醇溶剂提取结果。 对生物质进行不同提取所获得的产率、芳香族分布及连接方式。*使用硫酸作为酸。 1木质素产率（wt%）/通过Klason法测定的原料中木质素含量。 2产物中含有的半纤维素和S型缩合结构。 332%的S单元发生缩合。

来源条件Mn (g/mol)Mw (g/mol)Ð
WalnutA109618051.65
WalnutB117429342.50
WalnutC*124829302.35
PineA133130712.31
PineB131935962.73
BeechA164537432.28
BeechB136843033.14
CedarA86016261.89
CedarB118832922.77

表2：所获得木质素的分子量。

来源条件产率 (%)S/G/H 比例总 β-O-4S 缩醛 (wt%)G 缩醛 (wt%)H 缩醛 (wt%)总缩醛产率 (wt%)
WalnutA5.045/46/9724.55.92.112.5
WalnutB15.259/37/4743.64.71.09.3
WalnutC*16.265/33/2453.83.90.68.3
PineA3.50/>99/<15909.90.310.2
PineB4.00/>99/<14601.101.1
BeechA5.463/37/0827.76.7014.4
BeechB13.983/17/0453.63.407.0
CedarA6.40/>99/<16408.10.18.2
CedarB11.50/>99/<14104.704.7

表3：木质素解聚反应中乙缩醛的产率。 从不同来源的木质素解聚得到的酚类2-芳甲基-1,3-二氧杂环戊酮（乙缩醛）的产率。反应条件：50 mg 木质素，60 wt% 乙二醇，10 wt% Fe(OTf)3，溶剂：1,4-二氧六环，140 °C（总体积1 mL），反应时间15分钟（步骤7）。

来源条件木质素提取率 (%)β-O-4β'-O-4总 β-O-4乙缩醛总产率 (wt%)校正木质素提取率后的乙缩醛总产率 (wt%)1
WalnutA5.034387212.50.63
WalnutB15.22054749.31.41
WalnutC*16.21035458.21.33
PineA3.522375910.20.36
PineB4.0739461.10.04
BeechA5.443398214.40.78
BeechB13.91135456.90.96
CedarA6.42836648.20.52
CedarB11.5734414.70.54

表4：经提取产率校正后的总缩醛产率。 从不同来源的木质素解聚反应中获得的酚类2-芳甲基-1,3-二氧戊环（缩醛）产率，已根据木质素提取产率进行校正。1计算方法：100×(木质素产率/100)×(总缩醛产率/100)。反应条件：50 mg 木质素，60 wt% 乙二醇，10 wt% Fe(OTf)3，溶剂：1,4-二氧六环，140 °C，15 分钟（反应步骤见步骤6，后处理见步骤7）。

讨论

在不同条件下以及从不同生物质来源提取的结果表明，获得相对较高含量β-O-4键的木质素的最佳提取条件会因原料来源不同而有所差异。例如，核桃壳在较剧烈条件（方法B）下提取时，产率提高了三倍，同时β-O-4结构单元的含量几乎得以保留；而对于山毛榉和雪松，虽然产率有所提高，但β-O-4结构单元的含量显著下降。另一方面，对于松木，在较剧烈的提取条件下产率提升极小，且所得木质素中β-O-4结构单元的含量非常低。这意味着通常需要进行一定程度的优化，以在木质素产率与质量（即所得木质素材料中β-O-4结构单元含量的保留程度）之间取得适当的平衡。

从更剧烈的提取条件下获得的木质素材料其重均分子量（Mw）显著增加，表明在这些条件下可提取出更大的片段，从而获得更高的产率。然而，在这些条件下也会发生额外的断裂，产生更多低分子量的组分，因此导致多分散性增加，这一点在核桃（图5a）和雪松（图5d）的凝胶渗透色谱（GPC）图谱中约500 Da处的信号上可明显看出。

HSQC核磁共振是提供不同木质素质量对比数据的重要信息工具。需要注意的是，本实验采用的是标准HSQC实验，适用于获取对比数据，但由于弛豫时间的差异，其结果并不一定具有定量性。如表1中所示，某些木质素显示的连接数被高估了。定量HSQC实验可提供更准确的结果，但需要显著更长的核磁共振时间，尽管存在其他替代方法29。根据我们的经验，表1中的数值应除以1.3的校正因子，以更准确地反映每100个芳香单元中β-O-4结构单元的实际数量。

如前所述，已有报道的结果表明，为了获得最大的单体产率，寻找最佳反应条件会因原料来源的不同而有所差异。例如，当以核桃壳为起始原料时，若采用更剧烈的条件（方法B）进行木质素提取，总体乙缩醛总产率大约可提高两倍。然而，这主要归因于木质素提取产率的显著差异，而对β-O-4结构含量并无明显影响。相反，当使用松木时，较温和的提取条件（方法A）更为适宜。事实上，在这两种情况下，木质素的提取产率相近，但更剧烈的条件会导致β-O-4单元（尤其是非醚化β-O-4连接）减少，这可能是导致单体产率较低的原因，如前文所述。在山毛榉和雪松的情况下，若采用剧烈条件（方法B）进行提取，同样可观察到非醚化β-O-4连接的显著损失，这可能导致单体产率降低。然而，总体乙缩醛产率并不因提取条件的不同而出现显著差异。事实上，无论何种生物质来源，从方法A切换到方法B时，木质素提取产率均大约提高两倍 ，这恰好抵消了单体产率约两倍的下降。

致谢

本工作由欧盟（玛丽·居里国际培训网络“SuBiCat”项目PITN-GA-2013-607044，PJD、KB和JGdV）资助，此外还获得了欧洲研究理事会ERC起始资助2015（CatASus）638076（AdS和KB）以及人才计划（Vidi）项目编号723.015.005（KB）的经费支持，后者部分由荷兰科学研究组织（NWO）资助。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
材料
三氟甲磺酸铁(III)Sigma Aldrich708801-1G纯度：90%
十八烷Sigma Aldrich0652-100G纯度：99%
硅藻土Alfa AesarH33152.0B
硅胶SiliCycleR12030B-1KGP60 40–63 μm
二氯甲烷Macron Fine Chemicals6779-25
核桃壳
松木
雪松
山毛榉木
乙醇JT Baker Chemicals00832000001无水乙醇
异丙醇Acros Organics14932002599.5%以上，特纯
丙酮Macron Fine Chemicals2440-06
四氢呋喃Boom B.V.164240025以BHT稳定化
甲苯Macron Fine Chemicals8608-02
水内部供应的去离子水
1,4-二氧六环Acros Organics40882001099%以上，特纯
盐酸Acros Organics12462002637%水溶液
硫酸Boom B.V.76051908100095–97%
丙酮-d6Acros Organics32532050099.8 原子% D
重水Sigma Aldrich151882-100G99.9 原子% D
滤纸Munktell400303185直径185 mm，孔径10 μm
磁力搅拌子VWR442-4525
注射器滤膜Sartorius17559-Q0.45 μm 滤膜
自动进样瓶（2 mL）Brown151123
减容进样口（0.3 mL）Brown150820
自动进样瓶盖（11 mm）Brown151216
自动进样瓶压盖器
油浴锅
注射器（1 mL）Henke Sass Wolf4010-200V0
加热块（4孔位）IKA
2 mL 微量离心管Sarstedt72691
压盖密封垫（20 mm）Brown Chromatography Supplies151287带硅胶/聚四氟乙烯隔垫
设备
旋转球磨机Fritsch06.2000.00实验室行星式单罐球磨机 PULVERISETTE 6
锤式粉碎机Brabender
微型锤式粉碎机Brabender
真空烘箱HeraeusHeraeus Vacutherm
回流装置及其他玻璃器皿CBN Suppliers B.V.回流冷凝管、圆底烧瓶、烧杯和漏斗
旋转蒸发仪IKA
250 mL 高压反应釜Berghof
1 L 高压反应釜Medimex
超声波清洗机Emerson型号 Branson 3210
核磁共振仪BrukerAscend 600
四氢呋喃凝胶渗透色谱（THF-GPC）Hewlett Packard1100 系列
磁力搅拌器SalmenKippSK861492220263型号 x-1250
咖啡研磨机Profi CookPC-KSW1021
钻孔机Solid型号 TB 13 S
气相色谱-火焰离子化检测器（GC-FID）Shimadzu
BUCHI Reveleris PREP 纯化系统 Buchi
BUCHI C18 色谱柱 Buchi150 mm × 21.2 mm × 10 μm
20 mL 微波反应瓶???
Univapo 150 ECH 旋转真空浓缩仪UniEquip
Eppendorf minispin 台式离心机 Eppendorf
SB2 旋转混合仪Stuart
涡旋振荡器Wilten
处理软件
WinGPC Unichrom
MestReNova

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