氧化的木質素的解聚的製作方法

2023-12-06 11:51:31

發明領域

本發明涉及加工木質素以提供有用的小分子。

發明背景

由於全球化石燃料的儲備下降並且其價格上漲，由可更新的生物資源製備化學品和燃料的技術已經成為集中發展的焦點。尤其是，認為包含纖維素、半纖維素和木質素的木質纖維素生物質是生物精煉情形中重要的未來資源。儘管用於製備來源於木質纖維素生物質的纖維素成分的乙醇的技術已經投入商業運轉，但是利用木質素成分的工藝仍然是有限的。這組成了生物精煉中的重要缺點，在生物精煉中，生物質所有成分的物價穩定對於經濟活力是必需的。另外，儘管木質素是紙漿和造紙工業的主要副產物，但是僅有2％的目前產生的木質素得到商業利用。因此，木質素的物價穩定成為還必須需要解決的重要挑戰。

木質素構成大部分高等植物的生物質的15-30％和貯能量的多至40％。木質素的異質性質意指單體和結構單位的比例高度取決於植物來源和提取工藝。然而，在幾乎所有的木質素中，主要的結構單位是β-o-4(β-芳基醚)連接和較少量的β-β(樹脂醇)、β-5(苯基香豆冉(phenylcourmaran))、β-1(1，2-二芳基丙烷)、5-5(聯苯基)和4-o-5(二芳基醚)連接。在以下的方案1中提供了木質素聚合結構和芳香結構部分之間的多種連接類型的說明的示意圖。芥子醇來源的和松柏醇來源的單位可以分別指定為s和g。

利用木質素製備可生物更新的化學品的主要障礙是該頑固材料向單體的選擇性解聚。正是由於這一原因，需要新的化學工藝。已經提議了一些方法。最近，已經提議與第二化學處理聯合的木質素選擇性氧化作為導致木質素選擇性解聚的方法。rahimi等人(參考文獻1)表明，在存在硝酸和鹽酸以及4-乙醯胺基-tempo的條件下，用分子氧使木質素模型化合物氧化，接著在鹼性條件下用過氧化氫切割c-c鍵的第二步驟。他們提示木質素的可能的應用。nguyen等人(參考文獻2)提議兩個步驟的工藝，該工藝也是僅在模型化合物上證明，其中用bobbitt’s鹽([4-acnh-tempo]bf4)氧化是第一步。其可以後接第二步：在存在銥配合物和光的條件下，用胺氫供體和甲酸切割c-o鍵。

對於發現從木質素獲得有用物質的新方法還存在需求。

發明描述

根據第一方面，本發明提供了使木質素解聚的方法，所述方法包括：

氧化木質素，以提供氧化的木質素，其中β-o-4連接的苄型-oh已被轉化為羰基；並且

在存在銨鹽或二氧化碳的條件下，用選自由鋅、鎂、鋁、鈦和它們的混合物組成的組的金屬使所述氧化的木質素解聚。

用於木質素的氧化劑可以包括分子氧、醌和二氧化氮來源。備選地，用於木質素的氧化劑可以包括醌。已經發現用醌試劑氧化產生氧化的木質素，其中至少一些β-o-芳基結構部分(β-o-4連接)具有轉化為羰基的苄型-oh。

進行相同的β-o-4連接的轉化的其他試劑可以用於該方法的氧化步驟。例如，2，2，6，6-四甲基哌啶-1-基)氧基(tempo)及其衍生物。例如，4-羥基-temp，4-乙醯胺基-tempo和其他硝醯基基團，如2-氮雜金剛烷n-氧基(azado)或9-氮雜正金剛烷n-氧基。其他的試劑，如pd/c或釩催化劑，電可以適當地進行該氧化。

任何包含β-o-4連接的木質素都可以用在該工藝中。取決於提取條件，典型的β-o-4連接水平可以是木質素中總連接的約～45-65％。

氧化和解聚步驟可以作為分開的工藝步驟進行。如果這樣，那麼氧化的木質素可以與初始反應混合物分離，然後進行解聚步驟。

備選地並且便利地，所述方法可以作為一鍋工藝進行，氧化和解聚步驟依次進行。已經證明成功地操作了一種便利的一鍋工藝，其中氧化步驟在存在醌和二氧化氮來源的條件下使用分子氧，或使用醌作為氧化劑。

氧化步驟可以用2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌(ddq)進行。可以使用的其他醌包括對-氯苯胺、鄰-氯苯胺、苯醌、2-氯蒽醌和1，4，5，8-四氯蒽醌。已經發現使用醌的氧化步驟至少氧化木質素的β-o-芳基連接。氧化步驟可以使用與木質素大致等重量的氧化劑醌或更多的醌進行。

備選地並且便利地，利用分子氧聯合醌(例如ddq)和二氧化氮(no2)來源，諸如烷基亞硝酸鹽，例如，叔丁基亞硝酸鹽。其他二氧化氮來源可以包括no2本身、亞硝酸鹽，諸如nano2，硝酸/鹽酸混合物或一氧化氮(no)，它們是可商購的。使用這樣的氧化系統，醌，諸如ddq，可以以催化方式使用。例如，以木質素的2-30重量％或甚至木質素的5-20重量％的量。使用所述系統使β-o-4連接中轉化成羰基的苄型-oh的比例可以是高的，例如，多至100％，如通過追蹤木質素中氧化結構的交叉峰的出現和初始β-o-4連接的交叉峰的消失的2dnmr確定的。更一般地，在醌和二氧化氮來源的存在下涉及醌或分子氧的氧化可以以40％以上的程度在β-o-4連接處氧化木質素，如通過所述2dnmr追蹤測量確定的。

氧化步驟便利地在醇溶劑(包含至少一個羥基官能團的溶劑)或溶劑混合物中進行。水也是適當的溶劑。適當的溶劑包括水、甲醇、乙醇、甘油和它們的混合物。乙二醇醚溶劑是便利的，例如，2-甲氧基乙醇。

可以利用共溶劑提高氧化產物的轉化。共溶劑可以包括烷基腈，諸如乙腈，羧酸，諸如乙酸，芳香族溶劑，諸如取代的苯。例如，氯代芳族化合物(例如，氯代苯)。有利地，使用烷基醚，例如，乙二醇或丙二醇的二烷基醚，諸如1，2-二甲氧基乙烷。可以使用其他的烷基醚，諸如1，2-二乙氧基乙烷，或環戊基甲醚。這些溶劑的混合物可以與可以包含水的醇溶劑體系一起使用。

當在存在醌和二氧化氮來源的條件下使用分子氧，或使用醌時，氧化步驟可以便利地在環境溫度或升高的溫度，例如在20-130℃或甚至在60-110℃運行。典型地，反應可以在約80℃運行，比如從70至90℃進行。氧可以在大氣壓下在反應混合物上方供應。可以通過使氧鼓泡通過反應混合物而改善混合。當使用將氧鼓泡通過反應混合物時，優選地，氣氛應該再循環，以避免共氧化劑no2從該體系中丟失。反應可以在升高的壓力下進行，以輔助氧利用。

如果需要，可以在進行解聚步驟之前將氧化的木質素分離。例如，通過添加反溶劑(諸如二乙醚或環戊基甲醚)從包含醇的溶劑體系中沉澱；備選，通過蒸發所使用的溶劑的一些或全部而進行分離。

氧化的木質素(其中至少一些β-o-芳基結構部分(β-o-4連接)具有轉化成羰基的苄型-oh)用於解聚步驟。因此，根據第二方面，本發明提供使氧化的木質素解聚的方法，其中β-o-4連接的苄型-oh已被轉化成羰基，所述方法包括：

在存在銨鹽或二氧化碳的條件下，使氧化的木質素與選自由鋅、鎂、鋁和鈦或它們的混合物組成的組的金屬反應。

對於根據本發明第一或第二方面所述的解聚，可以使用下述條件：

例如，銨鹽可以是氯化銨。金屬可以是粉末形式。按成本計，鋅可以是優選的。可以使用鋅的活性形式，諸如鋅-銅偶聯物(zinc-coppercouple)。當使用活化的鋅時，可能不需要存在銨鹽或co2。備用的銨鹽包括甲酸銨、乙酸銨、硫酸銨和硫酸氫銨。

作為進一步的備選方案，可以使用酸或酸的混合物，例如，無機酸或有機酸，來激活用於解聚步驟的金屬。用於該任務的適當的無機酸可以包括鹽酸和硫酸以及它們的混合物。用於本研究的適當的有機酸可以包括羧酸，如甲酸和乙酸以及它們的混合物。

氧化的木質素可以在水性醇溶劑體系中反應從而解聚，例如，在水/乙二醇醚體系中，如水和2-甲氧基乙醇混合物中。可以存在共溶劑，並且可以包括烷基腈，諸如乙腈，羧酸，諸如乙酸，芳香族溶劑，諸如取代的苯。例如，氯代芳族化合物(例如，氯代苯)。有利地，使用烷基醚，例如，乙二醇或丙二醇的二烷基醚，諸如1，2-二甲氧基乙烷。可以使用其他的烷基醚，諸如1，2-二乙氧基乙烷，或環戊基甲醚。這些溶劑的混合物可以與任選地包含水的種醇溶劑或任選地包含水的多種醇溶劑的混合物一起使用。

可以使用9∶1至7∶3的2-甲氧基乙醇：水(體積)的混合物，例如，8∶2的2-甲氧基乙醇：水(體積)的混合物。已經發現所述溶劑體系是用於氧化的木質素的良好的溶劑。作為備選方案，可以使用任選地還包含水的2-甲氧基乙醇和1，2-二甲氧基乙烷的混合物。可以使用在1∶0-1∶2體積比範圍內(例如，1∶0-1∶1)的2-甲氧基乙醇：1，2-二甲氧基乙烷。可以使用在反應溶劑總體積的0-50％範圍內的水。

解聚步驟可以便利地在環境溫度或升高的溫度，例如，在20-120℃或甚至在60-110℃運行。典型地，反應可以在約80℃運行，例如從70至90℃進行。反應可以在大氣壓或升高的壓力下進行。

在解聚反應完成後，可以過濾出未反應的金屬，用於再利用或丟棄。

然後，可以從反應混合物獲得解聚的產物。便利地，利用添加水或加入到水中來沉澱固體，即還沒有被轉化成低分子量產物的木質素級分。可以將木質素級分過濾出，並且用溶劑清洗，以提取低分子量的產物。類似地，可以用溶劑萃取濾過物，以提取低分子量產物。然後，可以通過任意適當的技術從合併的提取溶劑層中獲得低分子量產物，例如，蒸發溶劑，接著對殘留物進行色譜(例如，在矽石上)，從而提供純化的化合物。用於萃取目的的適當的溶劑包括乙酸乙酯、叔丁基甲醚和環戊基甲醚。

作為以兩個分開的步驟進行本發明第一方面的工藝(即，氧化成氧化的木質素，然後解聚氧化的木質素)的備選方案，該工藝可以作為「一鍋」工藝進行。在氧化步驟後，向在醇溶劑體系中包含氧化的木質素的反應混合物中加入水。例如，向使用基於乙二醇醚(例如，2-甲氧基乙醇)的溶劑體系的反應混合物中加入初始溶劑的20體積％的水。然後，如上文討論那樣進行解聚步驟。

在工藝結束時留下的木質素級分可以用於能量產生、碳纖維製備，或可以進一步加工獲得有用的產物。例如，作為用於進一步的催化降解的底物，以提供其他小分子產物。例如，其可以進行熱解聚，從而產生熱解的木質素，其用作燃料資源和/或用於進一步處理，以提供有用的有機化學品(參考文獻3)。

已經發現，氧化的木質素的解聚產生酚產物，包括式i、ii和iii的化合物：

i是3-羥基-1-(4-羥基-3，5-二甲氧基苯基)丙-1-酮；

ii是3-羥基-1-(4-羥基-3-甲氧基苯基)丙-1-酮；和

iii是1-(4-羥基-3，5-二甲氧基苯基)丙-1-酮。

在下述方案2中示例了木質素的氧化和之後的解聚，其顯示部分木質素結構的苄型羥基(a)氧化成相應的羰基(b)。這之後是鋅介導的解聚，其涉及在酚醚連接(c-o)處的切割，從而提供酚單體，諸如i。

酚產物可以用作製備有用的有機化學品的中間體。

因此，在第三方面，本發明提供一種製備通式z的酚產物的方法：

其中r1和r2在每次出現時獨立地是-h或-ome，並且r3是-h或-oh；

其中所述方法包括將木質素氧化為氧化的木質素，其中β-o-4連接的苄型-oh已被轉化成羰基；並且

在存在銨鹽或二氧化碳的條件下，使用選自由鋅、鎂、鋁、鈦和它們的混合物組成的組的金屬使所述氧化的木質素解聚。

可以使用所述方法製備至少一種上文所示的根據式i、ii或iii的化合物，或這些的任意混合物。

第三方面的方法可以使用上文關於本發明的第一和第二方面所提議的溶劑和條件進行。

一種或多種酚產物(例如，式i、ii或iii的)的分離可以以與關於本發明的第一和第二方面所述相同的方式進行。因此，在反應完成後，可以過濾出未反應的金屬，用於再利用或丟棄。

便利地，利用向反應混合物中加入水來沉澱固體，即，還沒有轉化為酚產物的木質素級分。可以過濾出該木質素級分，並且用溶劑清洗，以提取低分子量酚產物。類似地，可以用溶劑萃取濾過物，以提取低分子量的酚產物。然後，可以通過任意適當的技術從合併的提取溶劑層中獲得酚產物，例如，蒸發溶劑，然後對殘留物色譜(例如，在矽石上)，從而提供純化的化合物。用於萃取目的的適當的溶劑包括乙酸乙酯。在矽石上的色譜可以使用諸如石油醚：乙酸乙酯(0-55體積％)的溶劑體系。

根據第四方面，本發明提供一種用於切割底物中的β-o-4連接的方法，所述方法包括：

使β-o-4連接氧化，以提供氧化的產物，其中β-o-4連接的苄型-oh已被轉化成羰基；並且

在存在銨鹽或二氧化碳的條件下，使用選自由鋅、鎂、鋁、鈦以及它們的混合物組成的組的金屬使氧化的木質素解聚。

第四方面的方法可以使用上文關於本發明的第一和第二方面提出的溶劑和條件進行。

一些優選的實施方案和實驗結果的描述

模型化合物研究：

使用ddq、tbuono和o2作為氧化體系，使用2-甲氧基乙醇作為溶劑，使甲氧基取代的β-o-4連接的二芳基化合物(1a至1d)和藜蘆醇(1e)進行氧化步驟。以下表1每個條目旁所示的高產率獲得氧化的產物2a至2e，其突出顯示了所用的催化氧化條件的選擇性和反應性。

表1

模型聚合物研究

製備結合了等比例的s和g單位的聚合物作為富含β-o-4的硬木木質素的模型，並且使用半定量2d-hsqcnmr實驗評估氧化實驗的結果。

按照下述反應(方案3)製備聚合物：

開始在與單體研究所用的那些相同的條件下(下表2，條目1)處理聚合物。反應的結果表明，儘管仍然進行催化氧化，但是轉化低於在獲得接近完全轉化的情況下的單體系列中所觀察到的轉化。由此尋求反應條件的進一步優化。將ddq負荷增加至10mol％顯著提高了轉化(條目2)。另外發現，加入1，2-二甲氧基乙烷作為非質子(non-protic)共溶劑顯著提高轉化(條目3和4)。在10mol％ddq和10mol％tbuono，氧化達到91％。然而，為了獲得幾乎完全的氧化，ddq和tbuono的負荷達到20mol％(條目6)。在該反應中，共溶劑的有益作用可以部分由在這些條件下ddq的有效壽命增加解釋。有趣的是，注意到g單位似乎比s單位更容易氧化。這一觀察與通過苄基陽離子中間體的形成進行的反應相一致，所述苄基陽離子中間體被對-甲氧基取代基共振穩定，但是被間-甲氧基取代基經由誘導的電子收回而去穩定。這意味著，僅被一個間-甲氧基基團取代的g單位比攜帶兩個間-甲氧基基團的s單位更容易氧化。

表2

[a]a＝2-甲氧基乙醇，b＝2-甲氧基乙醇/1，2-二甲氧基乙烷(2∶3)

[b]轉換通過整合2dhsqcnmr中的氧化的和未氧化的結構特有的芳香族交叉峰而確定。誤差分析表示這些測量的標準偏差小於＜0.05。

木質素實驗

在下文所述的使用真正的木質素作為底物的實驗中，使用典型的dioxasolv工藝來從樺樹鋸屑(betulapendula)中提取木質素。將樺樹鋸屑在二烷與2mhcl水溶液的8∶2混合物中使用1∶8的質量：體積比加熱至回流1小時。然後，通過過濾分離包含木質素的液體，在減壓下部分濃縮，並且在水中沉澱。然後，通過過濾收集沉澱的木質素，溶解在二烷/水9∶1中，並且通過用二乙醚沉澱進行純化。分離的木質素富含丁香基(syringyl)並且包含高比例的β-o-4連接，較少量的β-β(樹脂醇)和僅有剛剛可檢測量的β-5連接(方案1)。在催化ddq條件下的氧化順利進行，產生氧化的木質素，其中在2dhsqcnmr譜中可以容易地鑑別需要的α酮β-o-4結構的出現。與分配給α酮結構的交叉峰的出現同時，觀察到分配為未氧化的β-o-4結構的交叉峰的完全消失。相對於芳香族區域的總和的整合表明在模型研究中觀察到的選擇性在木質素本身中保持，原因在於在氧化之前和之後β-o-4交叉峰的相對體積積分幾乎是相同的(分別為22.0個質子和23.4個質子/100個芳香族質子)。

木質素氧化的一般過程：

向木質素在2-甲氧基乙醇(14ml/g)或2-甲氧基乙醇/1，2-二甲氧基乙烷(dme)(2∶3，14ml/g)中的溶液中加入ddq，然後加入tbuono。將反應混合物放置在o2氣氛(氣囊)下，並且在80℃攪拌14小時。通過在10體積的et2o中沉澱和過濾分離氧化的木質素，備選地，將木質素溶液在不經任何進一步的處理的情況下用於下一步驟。

實驗結果在下表中給出。

[a]通過在氧化之前和之後對應於丁香基環的nmr譜中s2，6和s』2，6芳香族交叉峰的相對整合確定。與氧化之前和之後木質素中丁香基單位相對應的區域被充分解析，因此，這一比較用作氧化的測量。

鋅介導的木質素解聚：

從分離的氧化的木質素：向木質素(600mg)在2-甲氧基乙醇(8.4ml)中的溶液中加入水(2.1ml)，然後加入nh4cl(740mg)和鋅粉(900mg)。將反應混合物在80℃加熱1小時，冷卻並過濾，以去除過濾的鋅。然後將反應混合物加入到水(30ml)中，通過添加1mhcl酸化至ph1(這引起木質素絮凝)，然後過濾混合物。將殘餘的木質素用etoac清洗，並且用etoac(5x20ml)萃取水性濾液。將有機萃取物和洗液合併，用飽和的nahco3、鹽水清洗，乾燥(mgso4)並在真空中濃縮。將粗萃取物通過柱色譜(石油醚∶乙酸乙酯(0-55％))純化，得到3種產物。ii(3.5mg，0.58wt％)，i(29mg，5wt％)和iii(3.4mg，5.7wt％)。

一鍋法：按照用於催化氧化的一般步驟，將木質素(2.40g)在2-甲氧基乙醇/1，2-二甲氧基乙烷中處理。在反應時間後，添加水(7ml)，然後添加nh4cl(3.0g)和鋅粉(3.60g)。然後，將混合物在80℃加熱1小時，冷卻，並過濾，以去除過量的鋅。然後將反應混合物加入到水(100ml)中，通過添加1mhcl酸化至ph1(這引起木質素絮凝)，然後過濾混合物。將殘餘的木質素用etoac清洗，並且用etoac(5x50ml)萃取水性濾液。將有機萃取物和洗液合併，用飽和的nahco3、鹽水清洗，乾燥(經mgso4)並在真空中濃縮。將粗萃取物通過柱色譜在矽石上用石油醚∶乙酸乙酯(0-55％)純化，得到3種產物。ii(11mg，0.46wt％)，i(110mg，4.6wt％)和iii(12mg，0.50wt％)。

分離的產物：

3-羥基-1-(4-羥基-3，5-二甲氧基苯基)丙-1-酮(i)：白色固體。熔點(m.p.)為109-110℃。光譜數據與在文獻中報導的那些一致。

1hnmr(400mhz，cdcl3)6＝7.25(s，2h)，6.08(s，1h)，4.03(t，j＝5.4，2h)，3.95(s，6h)，3.19(t，j＝5.4，2h)，2.74(s，1h)。

13cnmr(101mhz，cdcl3)δ199.00，147.0，140.3，128.4，105.6，58.4，56.6(2c)，40.0。

3-羥基-1-(4-羥基-3-甲氧基苯基)丙-1-酮(ii)：淺黃色無定形固體。光譜數據與在文獻中報導的那些一致。

1hnmr(500mhz，cdcl3)6＝7.58-7.50(m，2h)，6.95(d，j＝8.1，1h)，6.17(s，1h)，4.02(t，j＝5.3，2h)，3.96(s，3h)，3.19(t，j＝5.3，2h)，2.78(s，1h)。

13cnmr(126mhz，cdcl3)δ＝199.2，150.9，146.8，129.8，123.8，114.1，109.7，58.5，56.2，39.9。

1-(4-羥基-3，5-二甲氧基苯基)丙-1-酮(iii)：無色固體。熔點(m.p.)為102-104℃(文獻(lit.)109-111℃)。光譜數據與在文獻中報導的那些一致。

1hnmr(400mhz，cdcl3)δ＝7.27(s，2h)，5.92(s，1h)，3.96(s，6h)，2.97(q，j＝7.3，2h)，1.23(t，j＝7.3，3h)。

13cnmr(101mhz，cdcl3)δ＝199.4，146.9，139.6，128.7，105.5(2c)，56.6(2c)，31.5，8.7。

參考文獻

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