研究背景
隨著對可再生資源利用的迫切需求以及對化石燃料替代品的探索日益增加，木質纖維素作為一種主要的碳資源，引起了科學家們的廣泛關注。木質纖維素主要由水楊素和多糖聚合物組成，其特性使其成為綠色生物煉制廠中不可或缺的資源。然而，木質素在經過化學處理后，由于不利的分子內和分子間交聯(lián)反應，導致其性質受損，限制了下游過程的進行。這一現(xiàn)象使得對木質素的高效利用成為了一個挑戰(zhàn)，尤其是在避免新的C–C鍵形成的條件下。為了解決木質素利用中的困難，研究人員提出了“木質素優(yōu)先”策略，即優(yōu)先考慮對木質素進行官能化和降解，以避免不利的縮聚反應。然而，在這一策略中，阻止新的C–C鍵形成依然是一個主要的挑戰(zhàn)。此前的方法主要集中在通過功能化芐醇或將其轉化為更穩(wěn)定的結構來阻斷縮聚途徑，以期獲得木質素衍生的單酚，但這些方法的應用受到了一定的限制。為了克服這一挑戰(zhàn)，中科院大連化物所王峰研究員團隊采取了一種縮聚驅動的策略，旨在利用木質素的高縮聚反應性，將其轉化為對下游利用有益的產物。通過引入具有高親核性的木質素衍生酚，如丁香醇和酚，利用這種高縮聚反應性，實現(xiàn)了對木質素的選擇性縮聚。與此前的方法不同的是，該策略通過重構木質素的縮聚途徑，將其導向到有利于生產高附加值產品的方向，從而實現(xiàn)了對木質素的全面增值。相關成果在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Selective lignin arylation for biomass fractionation and benign bisphenols”的最新論文。 在該研究中，研究者們還開發(fā)了串聯(lián)催化降解方法，實現(xiàn)了對縮聚木質素的解鎖，并將其轉化為具有良好性能的雙酚。通過這一策略，木質素的利用得到了最大程度的提升，不僅生產了高附加值的產物，還實現(xiàn)了對木質纖維素其他組分的有效利用，為可再生資源的高效利用提供了新的途徑。
科學亮點
(1) 本研究首次提出了一種利用木質素高縮聚反應性的策略，以實現(xiàn)全面增值木質纖維素的目的。通過引入木質素衍生的酚單體，在催化芳基化途徑中，將C–C鍵形成引導至有利的產物，實現(xiàn)了對原生木質素的高效利用。(2) 實驗結果顯示，利用這種策略可以在幾乎定量收率下分離出高選擇性縮聚的木質素，并保留其重要的可裂解β-醚單元。進一步的串聯(lián)催化反應能夠解鎖這些芳基化木質素，從而生產出對環(huán)境友好的替代品，例如可用于合成熱塑性和熱固性塑料的雙酚A替代物。 （3）通過該策略，還可以共同生產出去木質化的紙漿和木聚糖，用于紡織纖維和可再生化學品的制備，從而實現(xiàn)了木質纖維素的整體增值。
圖文解讀
總結展望
這項研究通過控制木質素的縮聚選擇性，成功實現(xiàn)了對木質素的高效分離和轉化，將其轉化為對環(huán)境無害的雙酚和寡酚。其次，通過半纖維素的水解得到木糖，以及纖維素的升級制備溶解紙漿，實現(xiàn)了對木質纖維素和半纖維素的綜合利用。這種綜合的綠色方法不僅提高了木質素的價值，還最大限度地利用了木質纖維素和半纖維素的資源。通過優(yōu)化催化反應和選擇合適的反應試劑，這種方法具有良好的可行性和可持續(xù)性，有望在工業(yè)上得到推廣應用。此外，對雙酚的結構-性能和毒性相關性的探索為其在各種應用中的性能優(yōu)勢提供了理論支持，有助于推動其在綠色化學和材料領域的應用。因此，這項研究為實現(xiàn)生物質資源的高效利用和可持續(xù)發(fā)展提供了新的思路和方法。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
