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。
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。
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。
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。
The authors have nothing to disclose.
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 | |||
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 | |||
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