获国家杰青资助!他,刚刚登上Nature!
米测 MeLab 纳米人 2024-06-06

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研究背景

随着对可再生资源利用的迫切需求以及对化石燃料替代品的探索日益增加,木质纤维素作为一种主要的碳资源,引起了科学家们的广泛关注。木质纤维素主要由水杨素和多糖聚合物组成,其特性使其成为绿色生物炼制厂中不可或缺的资源。然而,木质素在经过化学处理后,由于不利的分子内和分子间交联反应,导致其性质受损,限制了下游过程的进行。这一现象使得对木质素的高效利用成为了一个挑战,尤其是在避免新的C–C键形成的条件下。

为了解决木质素利用中的困难,研究人员提出了“木质素优先”策略,即优先考虑对木质素进行官能化和降解,以避免不利的缩聚反应。然而,在这一策略中,阻止新的C–C键形成依然是一个主要的挑战。此前的方法主要集中在通过功能化苄醇或将其转化为更稳定的结构来阻断缩聚途径,以期获得木质素衍生的单酚,但这些方法的应用受到了一定的限制。

为了克服这一挑战,中科院大连化物所王峰研究员团队采取了一种缩聚驱动的策略,旨在利用木质素的高缩聚反应性,将其转化为对下游利用有益的产物。通过引入具有高亲核性的木质素衍生酚,如丁香醇和酚,利用这种高缩聚反应性,实现了对木质素的选择性缩聚。与此前的方法不同的是,该策略通过重构木质素的缩聚途径,将其导向到有利于生产高附加值产品的方向,从而实现了对木质素的全面增值。相关成果在“Nature”期刊上发表了题为“Selective lignin arylation for biomass fractionation and benign bisphenols”的最新论文。 
   
在该研究中,研究者们还开发了串联催化降解方法,实现了对缩聚木质素的解锁,并将其转化为具有良好性能的双酚。通过这一策略,木质素的利用得到了最大程度的提升,不仅生产了高附加值的产物,还实现了对木质纤维素其他组分的有效利用,为可再生资源的高效利用提供了新的途径。

科学亮点

(1) 本研究首次提出了一种利用木质素高缩聚反应性的策略,以实现全面增值木质纤维素的目的。通过引入木质素衍生的酚单体,在催化芳基化途径中,将C–C键形成引导至有利的产物,实现了对原生木质素的高效利用。
                  
(2) 实验结果显示,利用这种策略可以在几乎定量收率下分离出高选择性缩聚的木质素,并保留其重要的可裂解β-醚单元。进一步的串联催化反应能够解锁这些芳基化木质素,从而生产出对环境友好的替代品,例如可用于合成热塑性和热固性塑料的双酚A替代物。    
                  
(3)通过该策略,还可以共同生产出去木质化的纸浆和木聚糖,用于纺织纤维和可再生化学品的制备,从而实现了木质纤维素的整体增值。

图文解读

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图1:冷凝驱动的双酚A生产策略。    

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   图2. 来自丁香醇化木质素模型化合物的酚二聚体。
 
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图3. 来自杨树的双酚A生产。    

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图4:通过CLAF对木质纤维素的整体利用。  
 

总结展望

这项研究通过控制木质素的缩聚选择性,成功实现了对木质素的高效分离和转化,将其转化为对环境无害的双酚和寡酚。其次,通过半纤维素的水解得到木糖,以及纤维素的升级制备溶解纸浆,实现了对木质纤维素和半纤维素的综合利用。这种综合的绿色方法不仅提高了木质素的价值,还最大限度地利用了木质纤维素和半纤维素的资源。通过优化催化反应和选择合适的反应试剂,这种方法具有良好的可行性和可持续性,有望在工业上得到推广应用。此外,对双酚的结构-性能和毒性相关性的探索为其在各种应用中的性能优势提供了理论支持,有助于推动其在绿色化学和材料领域的应用。因此,这项研究为实现生物质资源的高效利用和可持续发展提供了新的思路和方法。

原文详情:
Li, N., Yan, K., Rukkijakan, T. et al. Selective lignin arylation for biomass fractionation and benign bisphenols. Nature (2024). 
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07446-5    

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