探索DMSO-HBr温和解聚策略与多维产物分析在碱木质素增值化应用中的研究

本综述系统阐述了采用DMSO-HBr体系对碱木质素（AL）进行温和氧化解聚的创新方法，通过综合运用气相色谱-质谱联用（GC-MS）、液相色谱-质谱联用（HPLC-MS）、尺寸排阻色谱（SEC）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）及核磁共振（NMR）等多维分析技术，深入解析了产物中单体及寡聚物的化学组成与结构特征，为木质素高值化利用提供了重要的技术支撑和理论依据。

　　

1 引言

木质素是一种极其复杂的芳香族杂聚合物，其独特的组成和结构使得即使采用先进的聚合物表征技术也难以完全解析。木质素由三种基本苯丙烷结构单元（ monolignols ）构成，包括松柏醇（G单元）、芥子醇（S单元）和对香豆醇（H单元）。这些单体通过酶促氧化（由过氧化物酶和漆酶催化）形成高反应活性的苯氧自由基，并通过氧化自由基耦合，优先在β位发生连接，形成具有多种C–O和C–C β–键联的二聚体。

木质素的主要形成反应是末端耦合反应，该过程在细胞壁中非模板驱动，导致单体随机聚合，最终形成高度不规则和复杂的结构，包含多种键联方式，如β–O–4′、β–β′、β–5′和5–5′。尽管结构复杂，木质素作为最丰富的芳香聚合物，具有减少对不可再生原料依赖的潜力，成为高价值芳香化学品的可持续替代来源。

木质素生物精炼策略可分为三个相互关联的技术过程：木质纤维素生物质分馏、木质素解聚和产物升级为特定化学品。采用“木质素优先”的策略被认为是最能充分发挥其作为可再生原料潜力的方法。虽然从生物质分馏中获得的木质素可以直接用于生产各种材料，但其解聚具有很高的潜力。

木质素通过解聚进行增值化的一个优势是能够回收高价值的单体化合物和部分降解的寡聚物，这些化合物可进一步升级。这些单体具有显著的化学和结构多样性，源于木质素固有的异质性，使其可用作药物前体、特种化学品和聚合物合成。然而，这种异质性也带来了重大挑战，特别是β–O–4′键联的含量对木质素反应性及产物收率具有决定性影响，且产物选择性仍是一个挑战，这很大程度上受所采用的解聚方案以及所用木质素固有结构的影响。

木质素解聚已通过多种方法实现，包括热化学、电化学、光催化和生物法。在热化学解聚过程中，木质素经历不同的结构变化，包括键断裂、缩合和官能团改变，这些都需要监测。热化学方法可在纯态或溶液中进行，后者因可避免在高温高压的苛刻条件下进行解聚反应而更受青睐。大多数技术木质素可溶于DMSO，因此本研究探索了其作为解聚介质的使用。此外，DMSO是一种相对温和的氧化剂，可用于多种有机化学反应，如醇氧化为羰基化合物和硫醇氧化为二硫化物。

多种试剂已被用于活化DMSO进行温和氧化反应，例如Swern氧化中的三氟乙酸酐/草酰氯与三乙胺组合，Pfitzner–Moffatt氧化中的二环己基碳二亚胺，以及Parikh–Doering氧化中的三氧化硫-吡啶复合物与三乙胺。尽管文献中有大量关于DMSO氧化反应的报道，但关注其在木质素解聚中应用的信息并不多。本研究采用DMSO和HBr组合处理碱木质素（AL）。HBr通常用于催化木质素在水或二恶烷混合物中的解聚，其产物物流和解聚机制已被广泛研究，但其与DMSO组合在木质素解聚中的应用尚未见报道，这意味着其产物库和潜在应用尚未得到研究。

考虑到单体化合物（如香草醛、芥子醛和丁子香酚）的高价值应用，本研究聚焦于单体产物物流。鉴于没有单一的分析方法能够提供足够深度的结构和组成信息，本研究采用正交和多维分析方法来全面捕捉其复杂性。

2 实验部分

2.1 材料

碱木质素（AL，Sigma–Aldrich）在使用前于105°C烘箱中干燥过夜。二甲亚砜（DMSO，HPLC级，≥99.7%）、氢溴酸（HBr，试剂级，48%）、甲醇（MeOH，HPLC级，≥99.9%）、去离子水、乙酸溶液（AA，HPLC级，≥99.8%）、愈创木酚（天然，≥99%）、香草醛（99%）、4-羟基苯甲醛（98%）、苯酚（99%）、苯甲醛（≥99%）、芥子醛（≥98%）、儿茶酚（≥99%）、丁子香酚（99%）、氘代水（≥99.9% NMR）、氘代二甲亚砜（DMSO-d₆，99.8% NMR）、三氟乙酸钾（KFTA，98%）、间苯三酚（99%）和2,4-二羟基苯甲醛（98%）、氘代三氟乙酸（TFA-d，≥99.5%）均按原样使用。

2.2 使用DMSO作为氧化剂、HBr作为催化剂对硫酸盐木质素进行解聚

将AL（0.2 g）溶解在圆底烧瓶中的DMSO（8 mL，0.113摩尔）中。向该溶液中加入1 mL HBr（0.009摩尔）。将烧瓶置于加热至110°C的油浴中，混合物回流指定时间。之后，使混合物冷却至室温以停止反应。

2.3 分析

2.3.1 转化率

解聚程度通过重量法测定。

2.3.2 色谱系统与条件

2.3.2.1 SEC

使用Agilent 1200 HPLC仪器，配备折射率（RI）检测器。使用两个10 μm PSS GRAM柱，孔隙率分别为100和1000 ?，以及一个10 μm保护柱。样品溶剂和流动相为DMSO/H₂O/LiBr（90:10:0.05 m），流速为0.4 mL/min。使用窄分布支链淀粉（Pul）标准品进行校准，M_p范围在342至1 220 000 g/mol之间。

2.3.2.2 LC-UV-MS

使用Agilent 1260 Infinity II HPLC仪器，配备二极管阵列检测器（DAD）和6120B单四极杆MS检测器。MS数据采用大气压电喷雾电离（AP-ESI）获取。样品在10–1000 Da质量范围内以正扫描和SIM模式进行分析。使用Macherey?Nagel Nucleosil C₁₈ 50?5柱（250 mm x 4.6 mm i.d），流动相为H₂O:AA（98:2 vol%）（溶剂A）和MeOH:AA（98:2 vol%）（溶剂B）。

2.3.2.3 GC-MS

所有GC-MS测量在Thermo Scientific TSQ 8000三重四极杆GC-MS上进行，配备2B FFAP 13m x 0.25 mm x 0.25 μm毛细管柱。使用氦气作为载气，流速为1 mL/min。进样器温度为250°C，检测器温度为150°C。炉温初始保持在50°C 3分钟，然后以15°C/min升至250°C，并在250°C保持8分钟。

2.3.3 光谱技术

2.3.3.1 ATR FTIR光谱

使用Thermo Scientific Nicolet iS10光谱仪进行衰减全反射（ATR）–FTIR测量。光谱记录范围从4000到650 cm^?1，采集32次扫描，分辨率为4 cm^?1，并自动扣除背景。

2.3.3.2 ¹H-NMR和¹³C-NMR光谱

NMR光谱使用400 MHz Varian Unity Inova仪器获取，配备5 mm双宽带探头和VnmrJ 4.2软件包。使用CDCl₃、TFA-d、DMSO-d₆和D₂O作为溶剂。¹H-NMR光谱在400 MHz下获取，累积265次扫描，谱宽16 ppm（-2–14 ppm）。¹³C-NMR使用默认的100 MHz 45°脉冲宽度获取，累积约10 000次扫描/样品，谱宽270 ppm（-10–260 ppm）。所有实验均使用许可的Mnova 12软件包进行处理，光谱参考残留溶剂信号或TMS内标信号。

2.4 真空蒸馏

将DMSO/HBr解聚得到的产物在真空下蒸馏，在不同温度下收集馏分并称重定量。未蒸馏的残留产物也进行定量。

3 结果与讨论

3.1 木质素解聚产物的整体分析

碱木质素（AL）解聚后，获得了一个复杂的产物混合物，包含大量具有不同化学组成和摩尔质量的单体和寡聚化合物。首先通过尺寸排阻色谱（SEC）测量摩尔质量分布来获取解聚反应程度的信息。木质素的一个普遍挑战是找到合适的色谱系统，包括合适的固定相和能够完全溶解所有产物组分的流动相。使用DMSO:H₂O（9:1(v/v)）加0.05 m LiBr作为流动相，因其能够溶解母体木质素及其解聚产物而无需衍生化。

解聚反应被认为是成功的，观察到母体AL的摩尔质量从M_w 14 680降至2180 g/mol。在报道的46%转化率下，色谱图显示出从低洗脱体积向高洗脱体积的明显移动。解聚后，部分产物在柱的渗透体积（23–24 mL）外洗脱，表明引入了与固定相发生焓相互作用的官能团。解聚前后的洗脱图均显示多峰分布，表明AL及其解聚产物的复杂性。

接下来使用衰减全反射（ATR）–FTIR光谱评估起始材料与解聚产物在结构上的相关性。AL处理前后的叠加FTIR光谱显示，典型的官能团包括酚羟基和脂肪族羟基（伸缩振动在3400至3200 cm^?1）、脂肪族CH₃基团（C–H伸缩在2940和1370 cm^?1）和芳基醚基团（两个强谱带：不对称C–O–C伸缩在1263 cm^?1，对称伸缩在1036 cm^?1）。此区域的芳基醚谱带通常归属于木质素结构中的G单元。1117 cm^?1处的峰表明木质素中存在S单元。解聚后，在FTIR光谱的许多区域观察到差异，表明发生了结构变化和解聚反应的氧化性质。观察到新的峰，归属于醛或酮中的C?O伸缩，表明醇基团被氧化。其他峰归属于肉桂基衍生物的烯烃谱带和脂肪族醚。

从SEC和FTIR数据可以清楚地看出，用DMSO/HBr处理AL导致了解聚，产生了与起始材料具有不同官能团的新产物。为了进一步鉴定形成的化合物，进行了GC-MS分析。通过仔细研究碎片模式并参考NIST Webbook光谱库，确认了一些化合物的身份。反应产生了S型单体、G型单体和H型单体，也检测到了二聚体化合物。

上述产物的形成可以通过反应路径来解释。DMSO和HBr的组合被认为促进了β–O–4′键联的侧链断裂，随后发生氧化或酸催化转化反应。GC-MS和FTIR光谱中观察到的肉桂基衍生物源于这种酸催化的侧链断裂。脱水反应也可能导致形成苯乙烯基化合物。在DMSO/HBr条件下，氧化反应还产生甲基酮和醛。

尽管此处讨论了酸性介质中木质素的解聚机制来解释一些形成的结构，但需要强调的是，这仅代表一个更为复杂过程的一小部分。DMSO和HBr的存在由于它们对复杂木质素聚合物的单独和联合效应，创造了多个相互关联的路径和中间体。采用带有β–O–4′结构的模型化合物进行的机理研究表明，在酸性介质中，会形成苄基碳正离子。这种反应性物种可以经历几种竞争路径，包括形成烯醇醚随后失去质子并水解。烯醇醚的进一步水解和半缩酮的崩溃导致形成C3碎片，通常称为Hibbert酮。一个竞争反应是C2路径，导致形成C2醛和羧酸。文献报道表明，当使用H₂SO₄作为酸时，C2路径通常占主导。为了确认这一机制，需要进行针对模型化合物用DMSO/HBr处理的研究，但这超出了当前研究的范围。

带有烷基的化合物在木质素的酸催化解聚中已被观察到。一个可能的来源是C2或C3醛或羧酸的脱羰/脱羧。有趣的是，Deepa和Dhepe在高温GC-MS实验条件下，将类似结构归因于寡聚产物的分解。这就是GC-MS不用于定量目的的原因。二羟基酚类化合物的形成源于在HBr存在下发生的去甲基化。

尽管GC-MS在定性分析单体化合物方面是主力军，揭示了产物中某些成分的结构，但它仅限于挥发性分析物，这对于解聚产物并不总是成立。这意味着必须考虑其他技术来研究非挥发性成分。

3.2 木质素及其解聚产物的深入NMR分析

NMR是检查挥发性和非挥发性化合物分子组成的重要分析技术。在分析木质素时，¹H和¹³C NMR光谱中宽重叠的信号使得鉴定特定化合物具有挑战性。然而，将1D与2D NMR结合使用仍然能有效揭示官能团、键联和子结构的变化。

用DMSO/HBr处理前后AL的¹H NMR光谱显示，这种处理引起了光谱的显著变化：信号变窄；峰强度和分布发生变化。处理前，主要的质子信号出现在主要的脂肪族区域，从δ 2.50到5.20 ppm，最大信号强度在～δ 3.8 ppm。该区域主要包含AL中芳香甲氧基、β–β′（树脂醇）、β–O–4′（β-O-芳基醚）、β–5′、α–O–4′（苯基香豆满）和对羟基肉桂基结构的质子。

解聚后，该区域发生显著转变，主要信号出现在δ 2.44至3.05 ppm。这些信号可归因于芳香甲基酮α位碳上的质子（例如化合物8和15），以及烷基芳香质子（例如化合物1,2, 3, 17, 20, 和22）。这两个归属均通过¹³C NMR分析得到证实。与C?O部分α位的甲基碳在δ 26.6 ppm处观察到，而连接到芳香环的甲基碳在烷基芳香族中在δ 20.5 ppm处观察到。在¹H NMR光谱中δ 2.25–2.45 ppm处观察到的额外信号归属于Hibbert酮（化合物5）。然而，由于它们的强度较低，这些信号无法在¹³C NMR光谱中检测到。

处理后观察到的δ 3.80和3.82 ppm处的尖锐信号归属于连接到芳香环的甲氧基和酯质子（G和S单元中的Ar-OCH₃以及Ar-C?O(OCH₃)）。这一归属通过¹³C NMR光谱（在δ 57.0和57.2 ppm处观察到信号）和HSQC（在δ_C/δ_H 55.7?56.1/3.58?3.88 ppm处显示交叉信号）得到证实。在HSQC光谱的甲氧基区域，观察到解聚后信号强度降低。这一观察结果支持了以下假设：甲氧基在用DMSO/HBr处理时会发生去甲基化生成醇，导致形成二羟基结构（化合物18和19），正如GC-MS中所观察到的。此外，¹H NMR光谱揭示了几种较小的信号，通常归属于各种脂肪族质子，这些也可能源于顽固的C–C键联。

检查解聚后的烯烃区域（δ 5.5–6.5 ppm）可以发现对应于结构2, 6, 7, 和10的信号，这些结构源于侧链或β-O-4′结构或苯基甘油结构的断裂。¹³C NMR光谱中在δ 126.1 ppm处观察到的信号通常归属于肉桂基结构，支持了这一观点。观察到的一些乙烯基质子也可归因于烯丙基结构，例如在丁子香酚（32）和4-烯丙基-2,6-二甲氧基苯酚（7）中。尽管¹³C和¹H NMR光谱中乙烯基信号存在重叠，但HSQC NMR光谱中的脂肪族区域可用于明确确认这些部分。在δ_C/δ_H 38.4–41.1/2.45–2.53处标记为M的信号归属于烯丙基结构，如7和32。这些信号可以通过利用CH/CH₃和CH₂部分的相位敏感性来识别。

在芳香族区域（δ 6.25至7.90）也观察到了变化，最显著的是处理后相对信号强度的降低。在δ 7.10、7.21和7.34 ppm处观察到三个主要信号，其相对强度降低。强度降低可能是由于（i）形成了高度缩合的结构，或（ii）在实施条件下芳香环被破坏形成了脂肪族化合物。HSQC NMR为了解AL中存在的单体单元类型、它们在解聚过程中的转化以及确认GC-MS中观察到的结构的来源提供了更多见解。AL主要含有G和H单元，在解聚木质素的HSQC NMR光谱中也观察到这些单元，但强度较低。在后者中，G单元的C_2,6–H_2,6相关性在δ_C/δ_H 110.3–115.6/7.12–7.47处显着。S单元的C_2,6–H_2,6相关信号在δ_C/δ_H 100.49/6.03处观察到。H单元的存在由C_2,6–H_2,6单元在δ_C/δ_H 125.3–125.7/7.15–7.23处的信号指示。有趣的是，解聚木质素的2D HSQC光谱也暗示了醌类结构的存在，可能源于木质素氧化，位于δ_C/δ_H 119.5–120.2/5.78–5.82。连接到芳香环的甲酰基质子（例如19, 21, 和24）的存在通过9.8 ppm处的信号得到证实。

3.3 通过蒸馏和HPLC分析分离和定量单体化合物

木质素增值化的一个关键方法是将高价值芳香单体从寡聚产物中分离出来并对其进行定量。前者可以作为增值的绿色化学品进行分离，而后者可用于生物燃料。到目前为止，我们已经能够确认反应过程中形成了芳香单体和寡聚物。

进行真空蒸馏是为了在定量可用的反应单体之前将单体与寡聚物分离。由于所鉴定酚类化合物的高沸点，无法使用常规分馏蒸馏，因为所需的高温会使存在的任何化合物降解。因此，产物在真空下蒸馏，并在以下温度收集馏分：馏分1：100–130°C（基于初始样品量的30.5 %），馏分2：140–150°C（32.2 %），馏分3：160°C（13.2 %）和馏分4：180°C（9.3 %）。从每个馏分中回收的总产物通过重量法定量。

使用基于八种木质素模型单体化合物分离开发并优化的方法，通过反相梯度LC-UV-MS分析蒸馏前的粗产物和蒸馏后收集的馏分：儿茶酚（L1）、对羟基苯甲醛（L2）、苯酚（L3）、香草醛（L4）、芥子醛（L5）、愈创木酚（L6）、苯甲醛（L7）和丁子香酚（L8）。选择LC-UV-MS进行定量是因为分析条件温和，不会导致寡聚物进一步降解。

结果显示粗样品的LC结果，UV图谱和正扫描TIC图谱分别显示。根据标准品的洗脱体积（V_e），苯酚和愈创木酚可以从UV图谱中识别出来，分别为17.1和18.6 mL，含量分别为5.5%和2.1%（基于样品总质量，通过SIM模式下的单点校准计算）。在柱的排阻体积（3.1 mL）外洗脱的峰在2.7 mL处，其m/z为537，归因于一种极性非常强的寡聚片段。还检测到间苯三酚（28）（V_e：12.5 mL，m/z 127 (M+H⁺)）。该峰比儿茶酚（L1）（V_e：11 mL）洗脱得更早，表明该化合物比儿茶酚极性更强，m/z 127对应于Ar-H被极性更强的OH基团取代。间苯三酚是Hagglund和Bjorkman在1924年报道的木质素增值化化合物之一。它的形成值得注意，因为它通常不在木质素解聚中报道，可能是由于HBr与木质素解聚产物中甲氧基（去甲基化）的副反应所致。在19.4 mL处观察到的峰归因于一种m/z 185的未知化合物。

由于研究重点是研究芳香族功能化单体，仅进一步分析和定量了在280 nm处具有正UV吸收的馏分。馏分2、3、4和未蒸馏部分含有芳香族化合物，如280 nm处的UV吸收所示。馏分1可能含有脂肪族化合物，这些化合物在解聚过程中形成，或在蒸馏过程中由易断键降解产生。

所有馏分的LC-UV-MS结果显示。通过基于注入质量的单点校准对阳性鉴定的化合物进行定量。说明了馏分2的LC-UV和SIM洗脱图。芥子醛（24）（V_e：17.8 mL，m/z 183.1 (M+H⁺) 和205.1 (M+Na⁺)）和苯甲醛（30）（V_e：20.2 mL，m/z 107.1 (M+H⁺) 129.0 (M+Na⁺)）在馏分中被阳性鉴定，含量分别为31.1%和6.4%（基于馏分总质量）。

在馏分3中鉴定出丁子香酚（32）（V_e：23.5 mL，m/z 165.1 (M+H⁺) 和205.1 (M+Na⁺)），含量为21.8%。在UV洗脱图中观察到额外的峰，V_e为2.3、2.8、3.0、22.7和24.9 mL。在2.8至3.0 mL之间洗脱的峰表明存在高极性化合物。进行全MS扫描后，在22.7 mL处鉴定出松柏醛（31）。MS扫描还显示了可能存在寡聚物。GC-MS之前未观察到丁子香酚和松柏醛；它们的形成得到了FTIR和NMR光谱的结构证据支持。

显示了馏分4的洗脱图。从该馏分中阳性鉴定出香草醛（V_e：17.5 mL）和对羟基苯甲醛（V_e：16.4 mL）（m/z (M+H⁺)：分别为153.1和123.1）。香草醛的百分比贡献更高，为32.4%，而对羟基苯甲醛为13.6%。

真空蒸馏进行到180°C，通过从未蒸馏部分倾析分离出高沸点馏分。将未蒸馏的块状样品加热超过180°C会导致形成固体炭。通过LC-MS SIM模式表征高沸点馏分，鉴定出间苯三酚（28）和二羟基苯甲醛（19），分别在10.96 mL（m/z (H+)：127）和17.15 mL（m/z (H+)：139），绝对含量分别为5.5%和12.3%。由于间苯三酚和二羟基苯甲醛的沸点非常高（分别为343和323°C），通过蒸馏分离这些化合物具有挑战性，因为这会导致样品炭化。必须指出，MS的一个局限性是异构体区分，因此在这些条件下无法阳性鉴定存在哪种二羟基苯甲醛异构体。

3.4 通过¹³C NMR进行馏分的组成分析

研究的最后一部分涉及通过¹³C NMR分析蒸馏馏分以确定其组成。显示了在氘代三氟乙酸（TFA-d₁）中测量的馏分2、3和4的叠加¹³C NMR光谱。残留溶剂四重峰分别参考δ 116和164.4 ppm。在馏分3中观察到典型的醛碳（Ar–CH?O），位于δ 201 ppm，归因于芥子醛和苯甲醛官能团。在δ 170 ppm处观察到另一个羰基碳官能团，归因于带有芳酯（Ar–C(?O)OR）的化合物（例如J）。

δ 125.0和160.0 ppm之间的共振信号是芳香环或乙烯基碳的典型信号。在馏分2中，在δ 130.0至140.0 ppm之间观察到信号，该区域通常归属于β–Ο?4′或苯基香豆满子结构中G或S单元的C1、C3、C4。在δ 80.0至100.0 ppm处观察到几个峰。δ 85和87 ppm处的信号可能归因于β–β′键联中的C_α、β–Ο?4′中的C_β或苯基香豆满子结构中的C_α。这表明馏分中存在各种寡聚物。在δ 40.0至60.0 ppm区域，观察到的主要信号归因于Ar-OCH_3,，证实了芥子醛中甲氧基官能团以及可能未知的寡聚/单体产物的存在。

馏分3显示了不同的C共振信号分布，存在更多脂肪族C。40.0至60.0 ppm之间区域显示