东北林业大学于海鹏教授团队报道了一种高效率的原本木质素的分离体系，通过精准解离木质素与半纤维素之间的酯键，得到了结构天然完整、分子量分布广泛、且制备方法简单环保的原本木质素，实现了原本木质素的一锅批量生产。相关成果以 “One-Pot Protolignin Extraction by Targeted Unlocking Lignin–Carbohydrate Esters via Nucleophilic Addition-Elimination Strategy”为题发表在Research上。

Citation: Lou Y, Sun X, Yu Y, Zeng S, Li Y, Liu Y, Yu H. One-Pot Protolignin Extraction by Targeted Unlocking Lignin–Carbohydrate Esters via Nucleophilic Addition-Elimination Strategy. Research 2023; 6: Article 0069.https://doi.org/10.34133/research.0069

研究内容

木质素是天然丰富的芳香族可再生资源，其高值化利用对提高生物炼制的经济性，促进社会经济绿色发展有着重要作用。生物质原料中存在的结构不受破坏的天然木质素称为原本木质素（Protolignin），了解原本木质素的完整结构对木质素的形成路径、高效分离和下游产品的高值转化均具有重要意义。但是，我们很难从生物质原料中完整地分离出原本木质素，主要有两方面原因。其一是生物质本身复杂的木质素-碳水化合物复合体（LCC）结构，纤维素、半纤维素和木质素通过共价键和非共价键紧密地缠绕在一起。另一方面就是木质素本身也具有非常复杂的分子结构，内含丰富的活性官能团，在分离时容易发生各种化学反应而改变其原本的结构。磨木木质素（MWL）和酶解木质素（CEL）就是我们目前对于原本木质素结构认知的最好的模板。但是不论是MWL还是CEL，其制备方法都是比较复杂的，高成本和高能耗使得它们难以实现大批量的生产。因此，设计一种在结构上保持天然完整，同时操作更简单、分离效率更高且更节能环保的原本木质素分离方法一直是木质素研究领域的难点。

研究进展

在生物质林木LCC中，木质素主要与半纤维素有着丰富的共价键连接，含量最高的主要是γ-酯键，苄基醚键和苯基糖苷键（图1）。若将这些关键的共价键进行精准的断裂则可以分离出完整结构的原本木质素。但是不同化学键需要不同的断裂环境和反应条件，而且林木LCC中的醚键和糖苷键除了苄基醚键和苯基糖苷键之外，木质素内部有着大量的醚键，纤维素和半纤维素内部也有着大量的糖苷键，想要精准地只断裂苄基醚键和苯基糖苷键是难度非常大的。令人高兴的是，林木LCC内部除了γ-酯键之外，几乎不存在另外的酯键；而且酯键中缺电子的羰基碳对亲核试剂具有强反应性，而醚键和糖苷键的碳氧键则在非酸性条件下很难发生亲核断裂。因此，作者设计了一个碱性的亲核反应体系（IGNR体系）只对酯键进行断裂。反应在在reline溶剂（氯化胆碱/尿素）中进行，尿素在温度升到150℃时分解出氨气，而氨气作为亲核试剂对LCC酯键进行亲核加成消除反应，最终得到了IGNR体系的原本木质素（IGNR-Protolignin）和带有酰胺基团的IGNR纤维素剩余物（IGNR-Residue）。其中reline作为低共熔溶剂，既起到了提供亲核试剂的作用，也利用了丰富的氢键体系促进木质纤维解构以及溶出木质素的双效功能。

图1 LCC构效关系和原本木质素提取方法

首先进行的是模型物验证，分别使用2-（2-甲氧基苯氧基）-1-（4-甲氧基苯基）乙醇（1a）、苯基-β-D-吡喃葡萄糖苷（1b）和苯甲酸苄酯（1c）作为木质素β-O-4’键、林木LCC醚键和林木LCC酯键的反应模型物。反应结果证明了IGNR体系对于醚键结构不论是木质素分子的醚键还是连接木质素和半纤维素的醚键均没有反应活性，同时对酯键结构有着良好的亲核反应效果。酯键断裂的主要机理为：氨气作为亲核试剂攻击亲电的羰基碳原子，双键断裂接上氨基形成了一个四面体中间体，然后为了恢复双键，需要脱去更容易离去的烷氧基团，最终形成醇和酰胺产物（图2）。

图2 通过模型化合物研究进行机理验证

接下来进行了实物的验证，选择了杨木木粉在氯化胆碱/尿素中150℃反应6小时。反应后，白色的杨木木粉除了颜色变化外，其形态和颗粒大小几乎没有变化，而且经组分含量测试也表明纤维素剩余物中碳水化合物的保留率高达96.1%，证明了IGNR体系对纤维素和半纤维素的稳定性。同时，木质素的得率在31.3%左右，这与杨木LCC中的酯键含量（约30%）比例接近，说明了木质素的充分分离。红外对比显示，杨木原料中的酯键在IGNR-Residue中消失了，证明了整个体系设计是针对酯键在进行断键反应（图3）。

图3 一锅法提取IGNR-Protolignin以及纤维素剩余物的表征

然后对木质素进行了一系列结构分析。首先是通过2D HSQC NMR将IGNR-Protolignin和MWL进行了结构对比，发现两者之间结构的相似性，证明了IGNR-Protolignin的结构是天然的。同时，由于杨木木质素的PB结构（对羟基苯甲酸酯）中有酯键，因此IGNR中的PB含量有所下降，这也正与我们设计的了酯键断裂的机理吻合（图4）。然后还对木质素进行GPC分子量测试，IGNR-Protolignin的重均分子量为5735，高于MWL的3358，且多分散系数4.1也要比MWL的3.2更高，说明了IGNR-Protolignin具有更高分子量的结构，同时分子量分布也更广泛一些。

图4 IGNR-Protolignin和MWL的二维核磁对比

此外，大批量的实验在一个15 L容积的制浆机器中进行，1 kg粗杨木木粉在10 kg溶剂中150℃反应6 h，得到的浆液进行溶解再生，最终得到了约60.3g的IGNR-Protolignin。对这些大批量得到的木质素进行分析，与小批量实验得到的木质素结构非常相似，都是具有高β-O-4’含量的天然结构，分子量较大且分布范围广。这有力证明了IGNR反应体系的有效性，分离原本木质素的策略具有产业化的可能（图5）。

图5 扩大规模提取IGNR-Protolignin的方法及其表征

未来展望

作者通过设计了选择性断裂酯键的IGNR策略成功分离出了一种结构天然且高活性的原本木质素，而且该策略在扩大反应规模的试验中同样获得了成功。此外，其在反应温度、不同树种等不同条件中均起到有效分离原本木质素的效果，具有良好的普适性。同时，IGNR体系对于纤维素和半纤维素几乎没有损坏降解，还增加了间隙和可及性，因此该策略可以很容易地与现有地其他生物炼制策略串联使用。因此，IGNR体系令原本木质素的分离从实验室制备规模扩展到可工业化的生产规模，以期促进木质素的结构研究、推进生物炼制的发展进程。