Summary
在这里, 我们提出了一个协议, 以执行乙醇提取木质素从几个生物质来源。介绍了提取条件对木质素产量和β-o-4 含量的影响。对获得的木质素进行选择性解聚, 得到高芳香族单体产品。
Abstract
木质素价值评估策略是实现基于木质纤维素生物量的具有更具经济竞争力的生物精炼厂的关键因素。大多数新出现的优雅的程序, 以获得特定的芳香产品依赖于木质素基板具有高含量的易于裂解β-o-4 链接存在于本地木质素结构。这提供了一个错误匹配与典型的技术木质素, 高度退化, 因此是低β-o-4 的联系。因此, 提取产量和获得的木质素的质量是最重要的获取新的木质素价值评估途径。在这篇手稿中, 提出了一个简单的协议, 以获得木质素具有较高的β-o-4 含量通过相对温和的乙醇提取, 可适用于不同的木质纤维素来源。此外, 还介绍了确定木质素质量的分析程序以及解聚协议, 该方案产生了特定的酚类 2-乙酰甲基-1, 3-二氧烷, 可用于评估获得的木质素。研究结果表明, 木质素质量与木质素被解聚为特定单体芳香族化学物质的潜力之间存在联系。总体而言, 提取和解聚表明了木质素提取率与保留原生芳醚结构之间的权衡, 从而表明木质素有可能被用作生产化学品的底物。更高的应用程序。
Introduction
为了使化学工业具有可持续性, 应使用木质纤维素生物质等可再生原料作为替代目前占主导地位的化石1。然而, 为了使这种原料在经济上可行, 应为其所有内容寻求高价值的应用。木质纤维素生物量可以包含约 30 wt% 的木质素, 这是一种芳香生物聚合物, 目前只有少数应用已经开发出来, 超过了它作为低价值燃料2的使用。因此, 研究具有潜在附加值的芳香族成分的方法是确保未来生物精炼厂取得成功的主要意义所在。
最近的研究主要集中在开发新的方法, 用于选择木质素中最丰富的β-o-4 链接 (图 1a), 以获得特定的芳香, 通常是酚类, 单体3,4 ,5,6。例如, 在80°c 至180°c 之间使用酸是非常有效的切割β-o-4 连接形成醛和酮片段 7,8.我们的小组和其他人最近已经证明, 酸解与稳定和捕获反应碎片的方法相结合, 是非常有效的, 以获得具有特定化学图案9,10 的酚类单体,11,12. 其中, 特别是用醇捕获活性醛以获得酚类 2-烯基甲基-3-二氧烷 (乙醛) 的缩醛, 由于其相对简单的应用和保持了高度功能化的性质, 被证明是强大的木质素单体 (图 1b)13,14。这些乙醛是从解聚中获得的, 其比例与母木质素原料中存在的 h、g 和 s 单体的分布有关。
酸性催化解聚, 像许多最优雅的方法开发, 是相对温和的, 不会分裂更强的 c-c 键发生在木质素15。然而, 当由于较弱的 c-o 键 16, 17 的裂解释放的反应片段凝结而施加苛刻的木质纤维素分馏条件时, c-c 键变得特别丰富。通过对一系列技术木质素的分析, 可以清楚地表明生物量加工方法失去了β-o-4 的含量, 这些木质素被证明每100个芳香族单位只保留6个β-o-4 连接 18, 而在木质纤维素中, 这些数字范围是每100个芳香单位从45到90个连接, 具体取决于来源16。在较温和的提取条件下, 木质素可以通过更好地反映天然木质素的连锁分布得到。然而, 这需要在提取效率和获得的木质素材料的质量之间进行权衡。这在木质素的有机氯提取中也优先存在, 木质素是一种常用的分馏基木质素的方法。这一工艺存在许多变化, 采用不同的温度、酸含量、提取时间和溶剂。在这里, 提取的严重程度有直接影响所获得的木质素结构, 因此它适合进一步价值19,20,21。例如, 以乙醇为基础的 alcell 工艺生产的有机木质素在示范规模上运行了 5年, 由于在相对较高的温度下运行, 以确保高效的脱色, 剩下的β-o-4 连接量相对较低。以获得高质量的碳水化合物用于生物乙醇生产。然而, 生物碱溶剂与几乎没有环境影响, 如乙醇是首选, 因此, 提取方法, 导致更高的价值木质素是令人感兴趣的。酒精溶剂特别令人感兴趣, 因为除了作为萃取介质外, 它们还加入木质素结构, 例如β'-o-4(图 1a)22, 它在一定程度上 "保护" 结构不受不受欢迎的影响。一个合适的方法可能首先是获得具有高β-o-4 含量的木质素, 并在一个连续的步骤中去除剩余的木质素, 以获得高价值的纤维素。
在这篇手稿中, 我们描述了一个直接和高度可重复的程序, 以提取高β-o-4 木质素的温和乙醇提取。根据生物量来源的不同, 这可能导致相对较高的提取效率和产量。提供了所获得的木质素的表征程序, 以及如何 "去保护" 醚化β '-o-420.此外, 还介绍了在依赖β-o-4 连接的选择性裂解过程中, 这些木质素在选择性解聚过程中的潜力的评估程序。本评估是使用铁 (iii) 三氟酸催化解聚在乙二醇存在下进行的, 以获得酚 2-烯基甲基-1, 3-二氧烷 23,这表明木质素材料中β-o-4 含量与单体的产量为21。结果表明, 高木质素提取效率与获得的木质素与特定芳香族单体解聚的潜力之间取得了平衡。
Protocol
1. 木质素提取前核桃原料的预处理
- 切好的核桃壳的生产
- 将核桃壳喂给锤击机, 使其破裂。在出口上为锤击刀配备5毫米筛子。收集在1升玻璃烧杯中破碎的核桃壳。
- 将破碎的壳喂给微型锤击机, 以获得地面壳。在出口上安装2毫米筛子。收集在1升玻璃烧杯地面核桃壳。
- 从地面核桃壳中提取脂肪酸
- 将150克的切好的核桃壳放入500毫升的圆形底瓶中。在圆底烧瓶中加入200毫升甲苯和搅拌棒。
- 将回流冷凝器连接到圆底烧瓶上。在回流温度 (111°c) 加热混合物, 用油浴加热 2小时, 搅拌剧烈。
- 2小时后停止加热, 并通过将混合物从油浴中取出, 将其冷却至室温。
- 过滤去除甲苯 (直径185毫米, 孔径 10μm)。丢弃甲苯滤液。
- 在80°c 和50毫巴的真空烘箱中加热核桃壳, 将甲苯残留物取出。
- 预提取核桃壳的铣削
- 将直径为20毫米的 7 zro2研磨球放入由 zro2制成的250毫升研磨碗中。
- 在碗里装满40克核桃颗粒。在磨碗中加入60毫升异丙醇。
- 用旋转球磨机对核桃壳进行研磨。在 2 7时克的2分钟研磨过程中, 在4个周期中研磨, 然后暂停4分钟。任何时候将碗的温度保持在80°c 以下。执行不超过3批, 并让碗冷却后。
- 收集到一个500毫升圆底烧瓶的细地核桃壳。在40°c 和125毫巴的温度下通过旋转蒸发去除异丙醇。
- 在50°c 和50°c 的真空烤箱中, 在真空烤箱中过夜擦干核桃壳。
- 将细磨碎的核桃壳通过1毫米筛筛。用旋转球磨机使太大的颗粒接地。
2. 木材原料的制备
- 木板的切割
- 将木板放在钻头下, 钻头配有扁平的木材速度钻头。收集在玻璃烧杯的木屑。
- 将木屑放入咖啡研磨机中, 切成小块。
- 从木材中提取脂肪酸
- 从木材中提取脂肪酸的方式与步骤1.2 中所述的核桃壳完全相同。
注: 球磨机不进行木材铣削, 因为步骤1.3 中描述的条件并没有导致颗粒尺寸的减小。
- 从木材中提取脂肪酸的方式与步骤1.2 中所述的核桃壳完全相同。
3. 高β-o-4 乙醇木质素的提取
- 轻度乙醇提取 (方法 a)
- 将25克的原料放入500毫升的圆底烧瓶中。在圆底烧瓶上加入 80:20 ethanol/水混合物 (200 ml)、300% hcl 溶液 (0.24 m) 的4毫升和磁性搅拌棒。
- 将回流冷凝器连接到圆底烧瓶上。用油浴加热混合物的回流温度, 搅拌 5小时, 搅拌剧烈。
- 将混合物从油浴中取出, 使其冷却至室温。过滤混合物 (185 毫米直径, 10μm 孔径), 用4倍25毫升乙醇清洗残渣。
- 木质素的处理与隔离
- 收集在500毫升的圆底瓶的白酒。在40°c 和150毫巴的温度下通过旋转蒸发浓缩白酒。
- 将获得的固体溶解在30毫升的丙酮中。如果固体不能完全溶解, 请使用超声波浴。
- 将木质素加入600毫升的水中, 以沉淀木质素。如果没有降水发生, 加入少量的饱和水 na2so-4 溶液来絮凝木质素。
- 通过过滤收集木质素 (直径185毫米, 孔径 10μm)。用25毫升的水清洗木质素4次。如果不需要分析半纤维素分数, 则丢弃滤液。如果滤液非常混浊, 将其添加到离心管中, 通过离心收集 (固体) 底部分数。
- 让木质素连夜风干。在真空烤箱中进一步擦干木质素 (在50°c 和50毫巴过夜)。
- 在真空烤箱中干燥木质素一夜后, 确定产量。
- 通过将木质素与克拉松方法24确定的总木质素含量分开来确定木质素的提取效率.
- 高温乙醇提取 (方法 b)
- 将15克原料放入250毫升高压灭菌器中。加入80:20 乙醇/水混合物 (120 毫升)、2.4 ml hcl (0.24 m) 和磁性搅拌棒。
- 将混合物在120°c 下加热 5小时, 搅拌速度为 5.2 x g. 然后在冰浴中冷却混合物。
- 过滤混合物 (185 毫米直径, 10μm 孔径), 用15毫升乙醇清洗残渣4次。
- 按照步骤3.2 中的说明, 精确地执行进一步的工作和隔离。
- 更大的规模较高的温度乙醇提取核桃壳 (方法 c *)
- 将90克细地核桃壳放入1升高压高压高压灭菌器中。加入 80:20 ethanol/水混合物 (750 ml) 和 6.25 ml 的 h2so 4(0.12 m).
- 在120°c 下加热混合物, 搅拌速度为 35.8x g, 在5小时反应时间后打开反应器冷却系统, 将混合物冷却回室温。
- 过滤混合物 (185 毫米直径, 10μm 孔径), 用75毫升乙醇清洗残渣4次。
注: 使用多个筛选器可以节省大量时间。 - 收集2块等量的白酒。按照步骤3.2 中的说明, 对这两个批次进行双份溶剂的操作和隔离。
- 步骤3.1 的控制实验。(方法 a *) 和步骤3.3。(方法 b *)(可选)
- 按照步骤3.1.1 中所述, 将确切的一些材料放入 h2 so 4 (0.12m) 的 1.67 ml中, 将 hcl 溶液更换.步骤 3.1-3.2 的其余部分与方法 a相同。
- 按照步骤3.3.1 中所述, 将确切的一些材料放入 h2 so 4 (0.12m) 的1.0 ml中, 将 hcl 溶液替换为 hcl。步骤3.3 的其余部分与方法 b相同。
4. 木质素的去醚化 (可选)
- 在100毫升的圆底瓶中, 将1000毫克的木质素溶解在 1:1, 4-二氧乙烯醚水混合物中, 共24毫升。在混合物中加入1毫升的 37% hcl 溶液。
- 加入搅拌棒, 并将回流冷凝器连接到圆底烧瓶上。用油浴加热混合物至 100°c, 搅拌4小时。
- 通过将混合物从油浴中取出, 让混合物冷却到室温。将混合物加入160毫升的水中沉淀木质素。
- 过滤收集木质素 (直径185毫米, 孔径 10μm), 用25毫升的水清洗木质素2次。让木质素连夜风干。在真空烤箱中进一步擦干木质素 (在50°c 和50毫巴过夜)。
5. 木质素分析
- 二维核磁共振 (2d-nmr) 分析
- 溶解60毫克干木质素在0.7 毫升的 d6丙酮。如果木质素不能完全溶解, 请加入几滴d2o。将混合物放入 nmr 管中, 并使用 nmr 光谱仪进行二维质子异核单量子相干谱 (hsqc), 其参数如下: (11,-1), (160,-10), nt = 4, ni = 51220.
- 分析了所获得的 hsqc 光谱。通过在两个轴上手动相位校正来调整光谱, 直到所有信号都呈正相关, 因为这在水平 (f2) 轴上尤为重要。不执行基线更正。所有联系的立场都在步骤5.1.3 和5.1.6 中给出。
- 将对应于三个不同芳烃单元的芳烃区域中的信号集成 (如图4所示的质子编号)。这些信号在区域 [(质子范围) (碳范围)]:
s2/6: [(6.48-6.90) (104-109)]
s' 2:[(7.17-7.50) (105-109)]
s 浓缩: [(6.35-6.65) (106-109)]
g2: [(6.78-7.14) (111.5-116)]
g5: [(6.48-7.06) (115-123.5)]
g6: [(6.65-6.96) (1220.5-124.5)]
h/6:[(7.05-7.29) (128.5-133)]
注: h5 与g5信号重叠, 假定 h2/与h5 具有相同的强度。压缩 g 的信号与 g5重叠。如果没有 (或几乎没有任何)g2和g6信号, 这表明 g 已经发生了完全冷凝。 - 使用公式计算芳香单位的数量:
总芳香 = (s2/ 6 +s ' 2\ 6)/2) + s浓缩) + (g2 + g 5 + g6-h 2\ 6)/3) + (h/6/2) - 使用以下公式计算 g、h 和 s 单位的百分比:
比率 s = ((s2\ 6 + s' 2)/2) + 浓缩): 总芳香 x 100%
比率 g = (g2+ g5+ g6-h 2\//3): 总芳香 x 100%
比率 h = (h/ 6/2): 总芳香 x 100% - 将与β-o-4、β-β和β-5 连接以及 hibbert ketones 相对应的信号集成在脂肪区信号中。这些在区域 [(质子范围) (碳范围)]:
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-4 β [(4.03-4.48) (85-90.5)]
β-o-4γ和β' o-4 γ [ (3.10-4.00) (585-62)]
β-5α[ (5.42-5.63) (88-92)]
β-54.5[ (3.36-3.56) (535-4.5)]
β-5γ [ (3.50-4.00) (62-64.5)]
β-βα [(4.59-4.59) (86.5-86.5)]
β-ββ [(2.98-3.20) (55.5-59)]
β-βγ [ (3.75-3.96) (72.5-76)] 和 [(4.10-4.10) (72.5-76)]
香港γ [(4.20-4.30) (66-68)]
注: β-o-4 和β-o-o-4 连接的β质子重叠。这些联系的结构图案如图 1所示。 - 每 100个 c9 单位的连接总数都是基于连杆机构α质子的信号。使用以下公式计算联系总数:
β-o-4 连杆机构 = (β-o-4 α+β'-o-4α)/总芳香 x 100
# β-5 连杆机构 = β-5α/总芳香 x 100
β-β连杆机构= β-βα/总芳香 x 100
- 凝胶渗透色谱 (gpc) 分析
- 在四氢呋喃 (thf) 1 毫升中溶解10毫克的木质素 (以一滴甲苯为内部标准)。通过0.45μm 注射器过滤器将这种混合物过滤到一个自动采样器小瓶中, 体积入口减少0.3 毫升。用盖子关闭自动采样器小瓶。
- 将样品的20μl 注入 thf gpc。处理获得的数据。
- 更正所获得的参考信号 (甲苯)。选择正确范围 (~ 200-10000 da) 的洗脱体积。通过软件计算质量分布。
6. 木质素与酚类 2-芳基甲基-3-二氧烷 (乙酰基) 的解聚
- 将50毫克干木质素放入20毫升微波小瓶中, 作为配备磁性搅拌器的反应容器。在 1, 4-二氧烷中加入 0.85 ml 的 1, 4-二氧烷, 50μl 的乙二醇, 1, 4-二氧烷 (0.85 ml/ml), 在 1, 4-二氧烷 (26 mg/ml) 中加入50μl 的辛达烷 (内部标准)。
- 关闭反应容器, 将溶液加热至 140°c, 同时在 3.8 x g 下搅拌。
- 当反应容器达到140°c 时, 在 1, 4-二氧烷 (0.1 g/ ml) 中加入 50μl fe (iii) otf 3。
- 将反应堆搅拌15分钟。
- 如步骤7.1 所述, 将反应器冷却至室温, 并去除脱聚液体。
7. 脱聚混合物的制备与分析
- 将液体过滤在石上 (渗透率: 2.60-6-50 达西; 粒径: 150 目泰勒; 筛子保留 (140 m us): 2.0-25.0%), 并收集在2毫升离心管中。
- 在旋转真空集中器中, 在35°c 下将液体重新浓缩。
- 用以下步骤提取最终的油/固体:
- 通过广泛混合 (涡旋)、15分钟的超声和30分钟的自动车轮, 悬浮和膨胀 0.15 ml 的二氯甲烷 (dcm) 中的残渣。
- 使用微型桌面离心机离心样品可进行10秒的离心, 以确保液体位于管底 (离心速度: 671 x 克)。
- 加入0.75 毫升甲苯, 广泛混合 (通过涡旋和10分钟超声)。
- 使用微型离心机 (离心速度: 671 x g) 离心样品长达 10秒, 以确保液体位于管底。
- 将轻质有机液体与固体或厚的油性残渣分离, 然后将这种液体过滤在 celite 的插头上, 收集在玻璃瓶中。
注: 此做法的悬吊清洗重复三次, 并在最后一次提取中, 使用0.5 毫升甲苯。
- 通过旋转蒸发 (40°c, 20 毫巴) 浓缩有机相组合。
- 将 dcm 1 ml 中的油性残留物溶解在气相色谱火焰电离检测器 (gc-fid) 分析中。
- 使用配备了 fid 检测器的 gc 执行 gc-fid, 并使用氦作为载体气体。标准设置: 1μl 注射, 分裂比例为 50:1, 氦流量为 0.95 mL/min. 将 gc 装置配备 hp5 柱 (30 米 x 0.25 mm x 0.25μm), 并以5分50°c 等温线开始的温度分布。由10°cmmin 坡道跟进, 20分钟至260°c。保持这个温度20分钟。
- 手动集成光谱中的峰。峰的保留时间如下: 辛烷值 (21.4分钟)、h-缩醛 (19.5分钟)、g-缩醛 (20.8 分)、s-缩醛 (23.4 分钟)。使用步骤7.8 中获得的值执行量化。
- 对 g 缩醛进行量化, 该缩醛基于使用内部标准 (辛烷烃) 隔离的标准化合物的校准曲线。
注: 校准曲线:
(r2= 0, 9991)
产量 g-缩醛:
根据先前的结果9、21、23, h和 s 缩醛的反应系数估计分别为2.19 和1.82。
(r2= 0, 9991)
Representative Results
在图 2中, 预处理后得到的原料显示 (左柱)。除山毛榉木外, 所有原料均为小片材, 以合适粒径的切粒量作为提取而获得的。提取后获得的木质素显示了广泛的颜色和颗粒大小。从温和处理中获得的木质素 (方法 a 和第二柱图2) 通常呈红色, 并以小片为单位获得。当应用更苛刻的条件 (方法 b 和 c *) 时, 获得的木质素具有褐色黄色 (第三和第四列图 2)。与较温和的条件 (图1中的反应方案, 表1中的结果) 相比, 在更恶劣的条件下进行的所有萃取 (方法 b和c*) 的收率确实有所增加。与松木 (仅增加 0.5%) 相比, 这种效应对核桃 (增长 10.2%)、山毛榉 (增长 8.5%) 和雪松木 (增加 5.1%) 的影响要深远得多。根据提取前生物量的木质素含量 (核桃为 40.3, 松木25为 28.6%, 山毛榉25为 18.8%, 雪松25为 35.1%), 山毛榉木材的木质素提取效率特别高 (73.9), 而松木的木质素提取效率特别高。获得了较低的提取效率。方法用硫酸控制方法 a 和 b 进行控制实验, 在提取率上存在明显差异。用硫酸温和提取核桃壳 (方法 a *) 的收率很低, 为 2.6%, 明显低于盐酸提取 (方法 a) (2.6% 和 5.0%)。然而, 在较严苛的萃取条件下, 硫酸萃取 (方法 b *) 的收率高于盐酸 (方法 b) (19.3% 和 15.2%), 但需要注意的是, 提取获得的产品中存在糖痕。用硫酸。
通过对不同木质素的核磁共振分析 (如图 4所示), 确定了 h gns 的比例和连接量 (表 1)。由于β-o-4 和β-o-4 连杆机构的β和γ-质子重叠, 使用α-质子对连接的数量进行量化。此外, g/和 h信号重叠, 但可以通过使用 h2/相应的比率来纠正这些信号。此外, 还确定了与 hibbert ketones 的γ-质子相对应的信号和氧化 s 单元的信号, 这些信号很可能是由木质素末端基团引起的。
从 nmr 获得的比率表明, 在一般情况下, 用方法 b 提取提供的木质素与方法 a 相比, 在本机材料包含 s 单位的情况下, 木质素含量较高。此外, 与方法 a 相比, 方法 b 的提取为木质素提供了更少的全部β-o-4 连接, 表明随着温度的升高, 降解程度会增加。一个例外是从方法 a 和 b 中获得的核桃木质素, 其全部β-o-4 连接的量非常相似。当施加更恶劣的条件时, β-β和β-5 的联系数量确实会减少, 尽管程度较低。此外, 核磁共振显示, 乙醇提取后获得的所有木质素都显示出β-o-4 连接的一定程度的结构修饰。在α-oh 组中, 这些体具有至少约50% 的取代率, 从而形成α-乙氧基β-o-4 链。木质素提取具有较高的重现性, 通过对核桃壳的温和提取 (方法 a) 4次, 证明了这一点。特别是β-o-4 连杆机构总数的偏差非常小。当提取是在更恶劣的条件下进行 (方法 b 和 c *), α-乙氧基化的百分比增加。在较恶劣条件下提取的山毛榉木质素的 hsqc 光谱 (方法 b) 中, s 凝聚的信号是可见的, 这与β-o-4 连接量的显著减少完全吻合。大规模提取核桃 (方法 c *) 显示所有连接均显著减少, 在 hsqc 光谱中可以看到 s 压缩信号。在温和条件下提取雪松的相对较高的产量 (方法 a) 是由大量脂肪酸的存在引起的。硫酸的控制实验使人们对硫酸对获得的木质素成分的影响有了很好的了解。在轻度提取条件下 (方法 a *), 获得了一种非常纯净的木质素, 其成分与其他温和提取 (方法 a) 相似。β-o-4 连接量略低的原因是将乙醇纳入木质素框架的效率较低, 导致β-o-4 连接的数量较少。在较严苛的萃取条件下 (方法 b *), 与从盐酸存在下提取的核桃壳中提取的木质素相比, 与获得的木质素的差异要深刻得多 (方法 b)。β-o-4 连接的总数呈急剧减少 (分别为35和 74), 用硫酸获得的木质素在芳香区 (48%) 显示出较高的冷凝量, 这是由与 s 相对应的信号的积分决定的。浓缩和 g浓缩(步骤 5.1.3)。这种高冷凝量完全可以归因于硫酸, 因为从同一种提取物中获得的盐酸产品在芳香区没有冷凝。在苛刻的大尺度提取中获得的产品组成 (方法 c *) 与在较小规模获得的产品 (方法 b *) 没有大的差异。唯一的大区别是在大规模提取 (9%) 的芳香区结合量较低, 随后β-o-4 连接量较高。这种差异可能是由不同高压灭菌器之间的加热分布差异造成的。
gpc (图 5) 还对木质素进行了分析, 以获得分子量的见解 (表 2)。这些结果表明, 当应用更苛刻的提取条件 (方法 b) 时, 所有来源的平均分子量 (mw) 和多分散性都在增加。提取条件之间的平均分子量(m n) 数在每个来源上都是可比的。总体而言, 这些结果表明, 更恶劣的提取条件具有双重影响, 除了这些碎片的额外分解外, 还提取了较大的碎片。
对于某些应用, β '-o-4 连杆机构的形成是不可取的, 例如, 在应用依赖于苯 (α) 羟基 26,27,28氧化的解聚方法时。此前曾报告20将乙醇木质素的β-'-o-4 链接转变为常规β-o-4 连接, 并使用从核桃壳中获得的木质素批次进行, 该批次与本报告中报告的核桃壳中的木质素相当。(图 6)。这种木质素由30个本地β-o-4 连接和39只α-乙氧基β-o-4 连接 (34 和38个连接, 分别为木质素在本文中)。去醚化将几乎所有α-乙氧基连接转换为原生结构, 因为获得的木质素由57个β-o-4 连杆状连接和只有3个α-乙氧基β-o-4 连接组成, 显示β-o-4 单位总数略有损失。木质素的质量为原木质素的 72%, 主要是乙基的损失引起的。
为了证明木质素通过温和的解聚产生芳香族单体的潜力, 在乙二醇存在的情况下, 用 fe (otf)3进行了酸解反应 (图 7)。这种反应产生三种不同的酚类 2-烯基甲基-3-二氧烷 (乙醛), 与木质素中存在的 h、g 和 s 单位有关。表 3显示了 s、g 和 h 乙醛的产量, 总产量如图 8所示。可见, 木质素提取方法的主要影响是乙醛的产量。使用更苛刻的条件 (方法b) 提取木质素的产量较低。这可能是由于如上一段所述, 浓缩结构有了更多的改进 (α-乙氧基化的百分比较高)。
β-o-4 装置的重要性反映在该协议中提供了与解聚中单体产量的相关性 (图 9)。考虑到β-o-4 总含量和非以太化β-o-4 的联系, 一个明显的趋势是可见的, 在这种情况下, 较高的β-o-4 含量通常会导致酚类 2-烯基甲基-1, 3-二氧烷 (乙醛) 的产量较高, 这与先前的结果21 一致.在考虑醚化β-o-4 连接时, 趋势也很明显, 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β-o-4 连接可以去醚化, 但这一额外步骤会导致材料丢失, 如前所述。
总体而言, 纠正单体解聚收率对木质素的提取率, 得到以下结果 (表 4)。这表明, 比较方法a & b, 一般更高的缩醛量可以通过更严厉的提取获得更高的木质素产量, 然后进行 (选择性较低) 的解聚。然而, 松木的结果也表明, 这取决于生物量来源, 因为提取严重程度的增加并不提供显著的产量增加。这种木材类型的β-o-4 结构的保留是首选, 以给予更高的整体酚 2-苯基甲基-1, 3-二氧烷 (乙醛) 产量。
图 1.所获得产品的化学结构.(a) 木质素结构中存在的共同结构图案。(b) 酸催化木质素解聚结合缩醛诱捕, 以获得酚 o-烯基甲基-3-二氧烷 (乙醛)。请点击这里查看此图的较大版本.
图 2.从不同的原料中获得木质素.经过预处理后的四种不同木质纤维素原料的图像 (步骤1和 2) 和在不同条件下有机氯素提取后获得的木质素 (方法 a-step 3.1, 方法 b 步3.3 和方法 c *-步骤 3.4)。请点击这里查看此图的较大版本.
图 3.乙醇提取的反应方案.所获得的联系概述: β-o-4 (r ' = h)、β'-o-4 (r ' = et)、β-β-βk 和β-5。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、0.24 m h 2 so 4(步骤 3.4) 和控制实验 a * 和 b (步骤 3.5)。请点击这里查看此图的较大版本.
图 4.木质素的 hsqc 分析.用温和处理法鉴定从核桃壳中获得的木质素的2d-hsqc 所测量的所有木质素连接 (步骤 3.1)。香港γ和 s' 2 _ 的信号被放大, 使其可见。请点击这里查看此图的较大版本.
图 5.木质素的分子量.获得的木质素的 gpc 图按来源划分 (a = 核桃, b = 松木, c = 山毛榉木和d = 雪松木材)。这些线对应于表 2给出的不同样本。请点击这里查看此图的较大版本.
图 6. 木质素的去醚化.核桃壳中得到的乙醇木质素去醚化反应方案 (第4步)。请点击这里查看此图的较大版本.
图 7.木质素解聚为乙醛.木质素对酚 2-烯基甲基-3-二氧烷 (乙醛) 的反应方案。h 单位: r1 = r2 = h;g 单位: r1 = ome, r2 = h;s 单位: r1 = r2 = ome (步骤 6)。请点击这里查看此图的较大版本.
图 8.每个来源的缩醛产量.从不同来源的木质素解聚中得到的酚 2-烯基甲基-1, 3-二氧烷 (乙醛) 的产量。请点击这里查看此图的较大版本.
图 9.β-o-4 连接对缩醛产量的影响.从木质素解聚中获得的酚 2-烯基甲基-1, 3-二氧烷 (乙醛) 的产量与木质素原料中的总β-o-4 (蓝色)、非以太β-o-4 (橙色) 和醚化β-o-4 (灰色) 含量的比较。请点击这里查看此图的较大版本.
| 源 | 条件 | 产量 (%) | 提取效率 (%)1 | sgp/hh 比率 | 总β-o-4 | β-o-4 | β'-o-4 | β-β | β-5 |
| 核桃 | a 个 | 5.0±0。7 | 12。4 | 45-46/ | 75±2。5 | 36±2。6 | 39±3。1 | 11±0。7 | 5±1。5 |
| 核桃 | a * | 2。6 | 6。5 | 47"458 | 53 | 32 | 21 | 9 | 4个 |
| 核桃 | B | 15。2 | 37。7 | 59/37/ | 74 | 20 | 54 | 9 | 6 |
| 核桃2 | b * | 19。3 | 47。9 | 75/250 | 35 | 5 | 30 | 7。 | 3个 |
| 核桃2 | c * | 16。2 | 40。2 | 65·33/2 | 45 | 10 | 35 | 8 | 3个 |
| 松 | a 个 | 3。5 | 12。2 | 0/>99/<1 | 59 | 22 | 37。 | 0 | 14 |
| 松 | B | 4。0 | 14。0 | 0/>99/<1 | 46 | 7。 | 39 | 0 | 8 |
| 山毛榉 | a 个 | 5。4 | 28。7 | 63年/ | 82 | 43 | 39 | 12 | 5 |
| 山毛榉3 | B | 13。9 | 73。9 | 8 0 | 45 | 11 | 35 | 9 | 2 |
| 雪松 | a 个 | 6。4 | 18。2 | 0/>99/<1 | 64 | 28 | 36 | 0 | 6 |
| 雪松 | B | 11。5 | 32。8 | 0/>99/<1 | 41 | 7。 | 34 | 0 | 7。 |
表1。乙醇提取结果.获得了对生物量进行不同提取的产量、芳香分布和联系。* 硫酸用作酸。1由克拉松木质素测定的原料中木质素 (wt%)/木质素含量的产率。2半纤维素和 s 浓缩存在于产品中。332% 的 s 单位被冷凝。
| 源 | 条件 | mn ( g/mol) | mw ( g/mol) | 1 |
| 核桃 | a 个 | 1096年 | 1805年 | 1.65 |
| 核桃 | B | 1174 | 2934 | 2.50 |
| 核桃 | c * | 1248 | 2930 | 2.35 |
| 松 | a 个 | 1331年 | 3071 | 2.31 |
| 松 | B | 1319 | 3596 | 2.73 |
| 山毛榉 | a 个 | 1645 | 3743年 | 2.28 |
| 山毛榉 | B | 1368年 | 4303 | 3.14 |
| 雪松 | a 个 | 860 | 1626 | 1.89 |
| 雪松 | B | 1188 | 3292 | 2.77 |
表 2: 获得的木质素的分子量。
| 源 | 条件 | 产量 (%) | sgp/hh 比率 | 总β-o-4 | s 缩醛 (wt) | g 缩醛 (wt%) | h 缩醛 (wt) | 总缩醛产量 (wt) |
| 核桃 | a 个 | 5。0 | 45-46/ | 72 | 4。5 | 9。8 | 2。1 | 12。5 |
| 核桃 | B | 15。2 | 59/37/ | 74 | 3。6 | 4。7 | 1。0 | 9。8 |
| 核桃 | c * | 16。2 | 65·33/2 | 45 | 3。8 | 3。9 | 0。6 | 8。8 |
| 松 | a 个 | 3。5 | 0/>99/<1 | 59 | 0 | 9。8 | 0。3 | 10。2 |
| 松 | B | 4。0 | 0/>99/<1 | 46 | 0 | 1。1 | 0 | 1。1 |
| 山毛榉 | a 个 | 5。4 | 63年/ | 82 | 7。8 | 6。7 | 0 | 14。4 |
| 山毛榉 | B | 13。9 | 8 0 | 45 | 3。6 | 3。4 | 0 | 7。0 |
| 雪松 | a 个 | 6。4 | 0/>99/<1 | 64 | 0 | 8。8 | 0。1 | 8。8 |
| 雪松 | B | 11。5 | 0/>99/<1 | 41 | 0 | 4。7 | 0 | 4。7 |
表 3: 木质素解聚的缩醛产量.从不同来源的木质素解聚中获得的酚 2-烯丙基甲基-1, 3-二氧酮 (乙醛) 的产量。条件:50 毫克木质素, 60 wt% 乙二醇, 10 wt% fe (otf)3, 溶剂: 1, 4-二氧烷, 140°c (1 毫升总体积), 15分钟 (步骤 7)。
| 源 | 条件 | 木质素提取率 (%) | β-o-4 | β'-o-4 | 总β-o-4 | 总缩醛产量 (wt) | 木质素提取率 (wt%)的整体缩醛产率修正1 |
| 核桃 | a 个 | 5。0 | 34 | 38 | 72 | 12。5 | 0.63 |
| 核桃 | B | 15。2 | 20 | 54 | 74 | 9。8 | 1.41 |
| 核桃 | c * | 16。2 | 10 | 35 | 45 | 8。8 | 1.33 |
| 松 | a 个 | 3。5 | 22 | 37。 | 59 | 10。2 | 0.36 |
| 松 | B | 4。0 | 7。 | 39 | 46 | 1。1 | 0.04 |
| 山毛榉 | a 个 | 5。4 | 43 | 39 | 82 | 14。4 | 0.78 |
| 山毛榉 | B | 13。9 | 11 | 35 | 45 | 8。9 | 0.96 |
| 雪松 | a 个 | 6。4 | 28 | 36 | 64 | 8。8 | 0.52 |
| 雪松 | B | 11。5 | 7。 | 34 | 41 | 4。7 | 0.54 |
表 4: 用提取率校正总缩醛产量.不同来源木质素解聚所得的酚 2-烯基甲基-1.3-二氧烷 (乙醛) 的产量, 以纠正木质素提取率。1计算: 100*(lignin yield/100)*(total 缩醛产量 100)。条件:50 毫克木质素, 60 wt% 乙二醇, 10 wt% fe (otf)3, 溶剂: 1, 4-二氧烷, 140°c, 15分钟 (反应通过步骤 6 & 通过步骤7进行处理)。
Discussion
在不同条件和不同生物质来源提取的结果表明, 在β-o-4 联系含量相对较高的木质素提取中, 最佳条件如何因来源而异。例如, 在更恶劣的条件下提取核桃 (方法 b) 使产量增加了三倍, 几乎保留了β-o-4 单位的数量, 而山毛榉和雪松的产量增加了, 但同时β-o-4 的数量也显著下降单位。另一方面, 对于松树来说, 更苛刻的提取条件对产量的好处很小, 也导致了具有非常低数量的β-o-4 单位的木质素。这意味着, 通常需要进行某种形式的优化, 才能在木质素产量和质量之间取得正确的平衡, 在获得的木质素材料中保留β-o-4 单位的数量。
从更恶劣的提取条件中获得的木质素材料的 mw 大幅增加, 这表明在这些条件下可以提取出更大的碎片, 从而获得更高的产量。然而, 在这些条件下, 会发生额外的碎裂, 提供额外的低分子量材料, 从而增加了多度, 这一点在核桃 (图 5a) 和雪松 (图 5a) 的 gpc 图中可以清楚地看到。信号的形式在 ~ 500 达。
hsqc 核磁共振是提供不同木质素质量比较数据的重要信息工具。需要注意的是, 在此过程中, 执行标准的 hsqc 实验, 这对于获取比较数据非常有用, 但由于松弛时间的不同, 不一定是定量的。表 1中显示的一些木质素的大量连接被高估了。定量 hsqc 实验提供了更好的结果, 但其成本显著高于核磁共振时间, 尽管存在29种替代品。根据我们的经验,表 1中的数字应除以1.3 的系数, 以更好地反映每100个芳香单位的β-o-4 单位的实际数量。
如前所述, 所报告的结果指出, 为了获得最大单体产量, 寻找最佳条件如何根据来源而有所不同。例如, 当核桃作为起始材料时, 如果采用更苛刻的条件 (方法 b) 提取, 总的乙醛产量会增加两倍左右。然而, 这主要是由于木质素提取率的巨大差异, 而不影响β-o-4 的含量。不同的是, 当使用松树时, 更温和的提取条件 (方法 a) 是可取的。事实上, 木质素提取在这两种情况下的产量非常相似, 但更苛刻的条件导致β-o-4 单位 (特别是非以太β-o-4 连接) 下降, 这可能是造成如此低的单体产量的原因, 如上一段所示。如果在提取条件 (方法 b) 可能导致单体产量较低的情况下, 在山毛榉和雪松的情况下也可以观察到非以太化β-o-4 连接的重大损失。然而, 根据提取条件的不同, 总的缩醛产量差别不大。事实上, 从 a 到 b 方法转换的两种生物质源的木质素提取率大约增加了两倍, 这两种方法补偿了单体产量大约减少的两倍。
Disclosures
作者报告没有利益冲突
Acknowledgments
这项工作由欧洲联盟 (marie curie itn ' subcat ' pitn-ga-607044、pjd、kb 和 jgdv) 提供, 此外还得到欧洲研究理事会、erc 开始赠款 2015 (catasus) 638076 (ads 和 kb) 和研究方案人才的资助。项目编号 723.015.005 (kb) 的计划 (vidi), 部分资金由荷兰科学研究组织提供。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Materials | |||
| Iron (III) triflate | Sigma Aldrich | 708801-1G | purity: 90% |
| Octadecane | Sigma Aldrich | 0652-100G | purity: 99% |
| Celite | Alfa Aesar | H33152.0B | |
| Silica Gel | SiliCycle | R12030B-1KG | P60 40-63 μm |
| Dichloromethane | Macron Fine Chemicals | 6779-25 | |
| Walnut shells | |||
| Pine wood | |||
| Cedar wood | |||
| Beech wood | |||
| Ethanol | JT Baker Chemicals | 00832000001 | Ethanol absolute |
| Isopropanol | Acros Organics | 149320025 | 99.5+% extra pure |
| Acetone | Macron Fine Chemicals | 2440-06 | |
| Tetrahydrofuran | Boom B.V. | 164240025 | stabilized with BHT |
| Toluene | Macron Fine Chemicals | 8608-02 | |
| Water | Demi water from the internal supply | ||
| 1,4-Dioxane | Acros Organics | 408820010 | 99+% extra pure |
| Hydrochloric acid | Acros Organics | 124620026 | 37% solution in water |
| Sulfuric acid | Boom B.V. | 760519081000 | 95-97% |
| Acetone-d6 | Acros Organics | 325320500 | 99.8 atom% D |
| Deuterium oxide | Sigma Aldrich | 151882-100G | 99.9 atom% D |
| Filters | Munktell | 400303185 | 185 mm diameter, 10 μm pore size |
| Magnetic stirring bars | VWR | 442-4525 | |
| Syringe filter | Sartorius | 17559-Q | 0.45 μm filter |
| Autosampler vial (2 mL) | Brown | 151123 | |
| Reduced volume inlet (0.3 mL) | Brown | 150820 | |
| Autosampler caps (11 mm) | Brown | 151216 | |
| Autosampler vial crimper | |||
| Oil bath | |||
| Syringes (1 mL) | Henke Sass Wolf | 4010-200V0 | |
| Heating block-4 positions | IKA | ||
| Micro tubes 2 ml | Sarstedt | 72691 | |
| Crimp seals-20 mm | Brown Chromatography Supplies | 151287 | with Silicone/PTFE septa |
| Equipment | |||
| Rotary Ball Mill | Fritsch | 06.2000.00 | Laboratory Planetary Mono Mill PULVERISETTE 6 |
| Hammer mill | Brabender | ||
| Micro Hammer mill | Brabender | ||
| Vacuum oven | Heraeus | Heraeus Vacutherm | |
| Reflux setup and other glassware | CBN Suppliers B.V. | Reflux condensor, Roundbottom flask, Beaker glass and funnels | |
| Rotary evaporator | IKA | ||
| 250 mL high pressure autoclave | Berghof | ||
| 1 L high pressure autoclave | Medimex | ||
| Ultrasonic bath | Emerson | type Branson 3210 | |
| NMR instrument | Bruker | Ascend 600 | |
| THF-GPC | Hewlett Packard | 1100 series | |
| Magnetic stirring plate | SalmenKipp | SK861492220263 | type x-1250 |
| Coffee grinder | Profi Cook | PC-KSW1021 | |
| Drilling machine | Solid | type TB 13 S | |
| GC-FID | Shimadzu | ||
| BUCHI Reveleris PREP purification system | Buchi | ||
| BUCHI C18 column | Buchi | 150 mm × 21.2 mm × 10 μm | |
| 20 ml microwave vials | ??? | ||
| Univapo 150 ECH rotational vacuum concentrator | UniEquip | ||
| Eppendorf minispin tabletop centrifuge | Eppendorf | ||
| SB2 rotator | Stuart | ||
| Vortex | Wilten | ||
| Processing Software | |||
| WinGPC Unichrom | |||
| MestReNova |
References
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