方紅霞, 錢 晨, 崔 朋, 劉京鳳, 胡小坡, 何華龍, 孫繼影

(黃山學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)研究所, 安徽 黃山 245041)

木質(zhì)素(lignin)是一種無定型、三維天然高分子聚合物,是植物細(xì)胞壁中3大主要組分之一,約占細(xì)胞壁總含量的10%～35%,是自然界唯一能巨量提供可再生芳基化合物的生物質(zhì)資源。鑒于天然高分子木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和惰性,將木質(zhì)素解聚轉(zhuǎn)化為低相對分子質(zhì)量物質(zhì)是最有效的應(yīng)用木質(zhì)素的途徑[1]。由于真實木質(zhì)素經(jīng)催化轉(zhuǎn)化獲得的解聚產(chǎn)物為復(fù)雜的混合物體系,解聚后樣品由于存在顯著的基質(zhì)效應(yīng)[2,3],色譜分離和質(zhì)譜檢測條件又很難協(xié)同優(yōu)化,而且氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)或液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)在檢測未知化合物方面都具有一定的局限性,使得迄今仍未建立起對于木質(zhì)素解聚程度和解聚效率可靠的定量分析評價方法。目前對木質(zhì)素的解聚研究[4-8]大多還是以模型化合物為研究對象,采用氧化催化或金屬鹽催化解聚,通過GC-MS或核磁分析方法檢測有限的低相對分子質(zhì)量目標(biāo)酚類產(chǎn)物。由于模型化合物與真實木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的差異性,其結(jié)果很難用于指導(dǎo)真實的木質(zhì)素的解聚研究[1];而對已商業(yè)化的真實木質(zhì)素的解聚研究也主要集中在以木質(zhì)素磺酸鹽及硫酸鹽為研究對象,通過氧化催化解聚,分析單一的香草醛或幾種酚類目標(biāo)化合物[9-13]。因此,建立系統(tǒng)對真實木質(zhì)素解聚產(chǎn)物的分離和表征技術(shù)已成為高效轉(zhuǎn)化木質(zhì)素、解聚機(jī)理研究以及木質(zhì)素結(jié)構(gòu)化學(xué)研究優(yōu)先要解決的關(guān)鍵問題。

測定木質(zhì)素解聚產(chǎn)物的平均相對分子質(zhì)量及相對分子質(zhì)量分布,是評價解聚木質(zhì)素結(jié)構(gòu)與其物理特性的重要指標(biāo)之一。凝膠滲透色譜(GPC)是一種廣泛應(yīng)用并行之有效的聚合物表征方法,也已被廣泛地應(yīng)用在分析測試木質(zhì)素相對分子質(zhì)量的研究中[14-18],如Stahl課題組[15]采用傳統(tǒng)GPC分析了催化解聚酶解木質(zhì)素的醋酸乙酯提取后不溶物,對比了解聚前木質(zhì)素和解聚后木質(zhì)素殘渣的相對分子質(zhì)量。本文作者[18]也采用超高效凝膠滲透色譜(advanced polymer chromatography,簡稱APC)水性柱分析了酸催化木質(zhì)素磺酸鹽解聚前和解聚后殘渣的相對分子質(zhì)量,通過對比解聚前后木質(zhì)素的相對分子質(zhì)量變化初步確定解聚的程度。但由于多數(shù)催化解聚研究主要采用高溫高壓條件,催化解聚過程中可能使部分產(chǎn)物炭化,影響分離效果,也導(dǎo)致木質(zhì)素解聚產(chǎn)物組成異常復(fù)雜,致使將傳統(tǒng)的GPC技術(shù)直接用于木質(zhì)素解聚后酚類產(chǎn)物的研究很難開展。本文在前期酸催化解聚木質(zhì)素磺酸鹽的工作中,采用溫和的無金屬催化劑條件,獲得了相對易于分離的流動性好的解聚產(chǎn)物。利用該解聚產(chǎn)物易于分離的優(yōu)勢,以此解聚產(chǎn)物為研究對象,選用測試低聚物具有高分辨率高分離度優(yōu)勢[19]的串聯(lián)ACQUITY APC XT油溶性小孔徑小粒徑剛性填料柱,通過探索優(yōu)化色譜測試條件,建立了APC快速分離測試和分析酸催化木質(zhì)素解聚后獲得的酚類產(chǎn)物的方法,并采用該技術(shù)方法探討了酸催化解聚木質(zhì)素磺酸鹽的解聚行為。

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

超高效聚合物色譜系統(tǒng)包括ACQUITY APC等度溶劑管理器,ACQUITY APC樣品管理器,ACQUITY單區(qū)間柱管理器,ACQUITY示差(refractive index,簡稱RI)檢測器,ACQUITY紫外(UV)檢測器(美國Waters公司)。Nicolet380傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀(美國Nicolet公司)

商業(yè)木質(zhì)素磺酸鈉(sodium lignosulfonate,簡稱SL),重均相對分子質(zhì)量(Mw)為5×104Da,磺酸鹽含量約20%;苯酚、鹽酸、硫酸、醋酸乙酯、乙腈、四氫呋喃和乙腈均為分析純,由西隴化工股份有限公司提供。用于色譜測試的其他溶劑均為色譜級。

1.2 APC分析相對分子質(zhì)量及其分布

采用四氫呋喃(tetrahydrofuran,簡稱THF)提取解聚木質(zhì)素磺酸鹽的產(chǎn)物,使用聚苯乙烯標(biāo)樣做標(biāo)準(zhǔn)曲線,以pH為7.5的四氫呋喃作流動相,采用4根油溶性的ACQUITY APC XT色譜柱串聯(lián),包括1根孔徑為200 nm的色譜柱(150 mm×4.6 mm, 2.5 μm)和3根孔徑為4.5 nm的色譜柱(150 mm×4.6 mm, 1.7 μm)。測試在柱溫和檢測器溫度均為40 ℃、進(jìn)樣量為10 μL、流速為0.5 mL/min的條件下進(jìn)行。提取分離后的樣品經(jīng)充分溶解靜置,離心過濾,待測。木質(zhì)素磺酸鹽及解聚后不溶物使用系列葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品做標(biāo)準(zhǔn)曲線,選用3根水相ACQUITY APC AQ水性色譜柱串聯(lián)進(jìn)行測試,分別是孔徑為45 nm的色譜柱(150 mm×4.6 mm, 2.5 μm)、孔徑為20 nm的色譜柱(150 mm×46 mm, 2.5 μm)和孔徑為4.5 nm的色譜柱(150 mm×4.6 mm, 1.7 μm)。具體的測試條件為,流動相:0.1 mol/L NaNO3水溶液;柱溫:40 ℃;示差折光檢測器:40 ℃;流速:0.5 mL/min;進(jìn)樣量:10 μL;待測樣品含量:0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

1.3 紅外光譜分析

采用KBr壓片法測定,分辨率為4 cm-1,掃描次數(shù)為32次。

1.4 酸催化解聚木質(zhì)素磺酸鹽

按照已報道的解聚實驗方法[18,20],在110 ℃條件下,制備獲得木酚比(木質(zhì)素∶苯酚)為25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的解聚產(chǎn)物。反應(yīng)過程中可觀察到瓶壁有灰白色固體沉淀析出,在先前的工作[20]中已確定沉淀是木質(zhì)素解聚的同時原位脫除了木質(zhì)素原有的鈣和鈉鹽。采用四氫呋喃對解聚產(chǎn)物進(jìn)行提取,經(jīng)分離獲得木質(zhì)素解聚液。

圖 1 酸催化木質(zhì)素解聚產(chǎn)物分離分析流程圖Fig. 1 Separation and analysis process scheme of the products of acid-catalyzed lignosulfonate depolymerizationTHF: tetrahydrofuran; APC: advanced polymer chromatography.

2 結(jié)果與討論

2.1 酸催化解聚木質(zhì)素磺酸鹽解聚產(chǎn)物的提取分離

木質(zhì)素磺酸鹽具有木質(zhì)素苯丙烷的特征結(jié)構(gòu),如圖1所示,具有特征的Cβ-O-C鍵接方式,Cα上大都鍵接磺酸鹽基團(tuán),具有很好的水溶性,但不溶于丙酮、乙酸乙酯、乙腈、四氫呋喃等有機(jī)溶劑。選用乙酸乙酯、乙腈、四氫呋喃對催化解聚脫鹽渣后木質(zhì)素解聚液(木酚比為25%, 110 ℃酸催化30min)進(jìn)行萃取。準(zhǔn)確稱取2.50 g木質(zhì)素解聚液于離心管中,分別分3次加入約50 mL乙酸乙酯、乙腈、四氫呋喃作為萃取劑,室溫靜置過夜,高速離心分離不溶殘渣,真空烘干,獲得黑色不溶物。乙酸乙酯、乙腈、四氫呋喃對解聚液萃取后的不溶物質(zhì)量分別為0.307 7、0.128 3和0.112 7 g,分別占解聚液質(zhì)量的12.28%、5.13%和4.50%,表明后兩者具有更好的萃取效率。而所產(chǎn)生的黑色不溶物具有很好的水溶性,經(jīng)紅外光譜證實為未完全解聚的木質(zhì)素磺酸鹽。按照25 g木質(zhì)素磺酸鹽在100 g苯酚中酸催化解聚,除去約5 g 20%的鹽渣,即可供解聚的木質(zhì)素高分子有機(jī)質(zhì)約為20 g計,2.5 g的解聚液含有可供解聚的木質(zhì)素高分子有機(jī)質(zhì)約為0.4 g,以四氫呋喃萃取后的黑色不溶物0.11 g計,即被解聚有機(jī)質(zhì)約為0.29 g,初步計算,本試驗條件下解聚木質(zhì)素產(chǎn)率約為0.29/0.4,即72.5%。本研究利用該解聚液流動性和穩(wěn)定性好的優(yōu)勢,以APC測試常用流動相四氫呋喃為溶劑萃取解聚液,作為APC分析的待測液,系統(tǒng)研究酸催化木質(zhì)素解聚產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量及其分布和影響因素,具體流程如圖1所示。

2.2 快速分析液液萃取木質(zhì)素解聚產(chǎn)物及其解聚行為

圖 2 四氫呋喃提取的解聚產(chǎn)物的APC色譜圖Fig. 2 APC chromatograms of the depolymerized products extracted with THFa. detected by RI (refractive index) detector; b. detected by UV detector.

本課題組[21]的前期研究工作表明,采用APC可獲得比傳統(tǒng)GPC更高重現(xiàn)性和超高分辨率的色譜峰,使用新開發(fā)的孔徑4.5 nm的剛性填料,尤其適于低分子質(zhì)量聚合物的分析。本研究在先前采用水性柱子測試木質(zhì)素磺酸鹽及其解聚后水溶性殘渣的工作基礎(chǔ)上,進(jìn)一步優(yōu)化分析測木質(zhì)素酸催化解聚后酚類產(chǎn)物實驗條件。結(jié)果表明,選用1根孔徑20 nm和3根孔徑4.5 nm的油溶性柱子串聯(lián),以pH為7.5的四氫呋喃作流動相,分析低相對分子質(zhì)量聚合物可以獲得較好的分離度。還比較了示差檢測器和紫外檢測器的分析效果,如圖2所示的是某解聚樣品同時采集的RI與UV檢測器的測試結(jié)果對比圖,可以看出,對于芳香類低聚物或化合物,在同樣的極低的樣品濃度時(1‰～5‰),由于紫外檢測器受干擾低,測試結(jié)果具有極高靈敏度和更平的基線,有利于低分子化合物的分辨,如圖2b所示,解聚產(chǎn)物得到了高效的分離,并具有明顯的紫外信號;而示差檢測器靈敏度很低(見圖2a)。木質(zhì)素解聚后的酚類產(chǎn)物具有紫外吸收的特點,為了減少半纖維素糖類等雜質(zhì)的影響,更準(zhǔn)確和靈敏地獲得其相對分子質(zhì)量及其分布特征,本研究采用UV檢測器在較低的樣品濃度下研究酸催化解聚木質(zhì)素行為。

2.3 快速分析液液萃取木質(zhì)素磺酸鹽解聚后酚類產(chǎn)物

采用4根油溶性的ACQUITY APC XT色譜柱串聯(lián),分別是1根孔徑為20 nm的色譜柱(150 mm×4.6 mm, 2.5 μm)的和3根孔徑為4.5 nm的色譜柱(150 mm×4.6 mm, 1.7 μm);采用紫外檢測器在波長240 nm下分析液液萃取后的產(chǎn)物,結(jié)果見圖2。從圖中可以看出,APC在14 min內(nèi)就對解聚產(chǎn)物實現(xiàn)了高效的分離,解聚產(chǎn)物具有明顯的紫外吸收信號,四氫呋喃萃取后產(chǎn)物出現(xiàn)了3個峰,保留時間分別為12.40、12.90和13.75 min。由于高效凝膠色譜分離的標(biāo)樣相對分子質(zhì)量下限在266 Da,圖2中保留時間為13.75 min的峰因標(biāo)樣范圍所限不能獲得平均相對分子質(zhì)量數(shù)據(jù),經(jīng)計算,其相對分子質(zhì)量在260 Da左右,初步判定是具有更低相對分子質(zhì)量的解聚產(chǎn)物或與溶劑苯酚共流的組分,其中,主要的單酚或雙酚類化合物已被GC-MS測試所證實[20],本文暫不對此峰做詳細(xì)討論。圖譜中相對Mp在726、495和更低相對分子質(zhì)量的低聚物產(chǎn)物獲得了高效的分離,且相對分子質(zhì)量分布很窄(見表1),分子質(zhì)量分布指數(shù)(polydispersity index,簡稱PDI)接近1,而未測試到高相對分子質(zhì)量木質(zhì)素的信號。已知該木質(zhì)素磺酸鹽原料的Mw約為50 000 Da,以上結(jié)果表明,四氫呋喃萃取獲得的解聚產(chǎn)物主要為酚類低聚物,進(jìn)一步證實了在該特定的溫和酸催化條件下,約有72.5%的木質(zhì)素磺酸鹽被高效解聚為相對分子質(zhì)量為幾百的酚類低聚物和一些單體化合物。測試結(jié)果也有力地證明了在本色譜條件下,APC克服了傳統(tǒng)的GPC時間長(30～60 min)、分離度、靈敏度很難滿足測試要求的弱點[14,19],能夠快速和高效地分離分析木質(zhì)素解聚后獲得的低分子酚類產(chǎn)物。

表 1 四氫呋喃萃取解聚產(chǎn)物的Mp、PDI和峰面積比Table 1 Mp(peak molecular weight), PDI (polydispersity index), and area ratio for depolymerized pro-ducts extracted with THF

圖 3 不同溫度下解聚產(chǎn)物的APC色譜圖Fig. 3 APC chromatograms of the depolymerized productsobtained at different temperatures

2.4 酸催化解聚木質(zhì)素磺酸鹽的影響因素

2.4.1催化溫度對酸催化解聚木質(zhì)素磺酸鹽的影響

在相同的木酚比(25%)和相同的酸催化劑條件下,考察不同催化反應(yīng)溫度對解聚的影響,采用四氫呋喃液液萃取解聚液。從圖3可以看出,不考慮與苯酚共流組分峰,解聚產(chǎn)物也均在12.4和12.9 min處獲得了很好的分離,對應(yīng)的Mp均為720和490 Da左右,兩峰面積比例為75∶25,且具有近似1的分布指數(shù),初步表明不同溫度下的酸催化解聚機(jī)理相同。在反應(yīng)溫度為50 ℃時,紫外吸收強(qiáng)度只達(dá)到最高解聚峰值的1/4左右,隨著反應(yīng)溫度的升高,兩吸收峰強(qiáng)度呈上升趨勢,70 ℃時的兩吸收峰峰強(qiáng)度較50 ℃時明顯上升,達(dá)到最高解聚峰值的50%左右,升至130 ℃后紫外吸收峰強(qiáng)度趨于一致,表明達(dá)到最高的解聚效率。從表2液液萃取后的黑色不溶物殘渣率可以看出,隨著反應(yīng)溫度的提高,液液萃取后剩余殘渣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次遞減,到130 ℃趨于平穩(wěn)。以上結(jié)果表明,隨著催化反應(yīng)溫度的提高,木質(zhì)素酸催化解聚效率不斷提高,到150 ℃時達(dá)到最高值,最高解聚效率可以達(dá)到80%以上。130 ℃由于條件較為溫和,產(chǎn)物不易被炭化,并能獲得較高的解聚效率,該溫度條件更適用于解聚反應(yīng)。

表 2 不同溫度下木質(zhì)素解聚后殘渣占木質(zhì)素磺酸鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Mass percentage of the residue/lignosulfonate after depolymerization at different temperatures

圖 4 不同反應(yīng)時間下解聚產(chǎn)物的APC色譜圖Fig. 4 APC chromatograms of the depolymerized productsobtained at different reaction times

2.4.2反應(yīng)時間對酸催化解聚木質(zhì)素磺酸鹽的影響

圖4是酸催化解聚木質(zhì)素體系(25%木酚比)在110 ℃反應(yīng)時解聚產(chǎn)物隨時間變化的APC色譜圖,可以看出,不考慮與苯酚共流峰,解聚產(chǎn)物均在12.4和12.9 min處獲得了很好的分離,該保留時間對應(yīng)的Mp均為720和490 Da左右,兩峰面積比均約為75∶25,表明不同催化時間下的解聚機(jī)理相同。在溫度上升剛到110 ℃時,即在該溫度條件下反應(yīng)0 min時,取樣測試其紫外吸收強(qiáng)度達(dá)到最高解聚強(qiáng)度的1/3左右;隨著催化反應(yīng)時間的延長,催化解聚30 min時兩峰峰值呈明顯上升趨勢,紫外吸收強(qiáng)度達(dá)到最高解聚峰值的80%左右;解聚反應(yīng)進(jìn)行到60 min時,木質(zhì)素磺酸鹽獲得最高的解聚效率。以上結(jié)果表明,隨著反應(yīng)時間的延長,木質(zhì)素酸催化解聚效率不斷提高。由于反應(yīng)時間延長有可能導(dǎo)致炭化等,酸催化反應(yīng)控制在1 h內(nèi)為宜。

2.4.3催木比對酸催化解聚木質(zhì)素磺酸鹽影響

催木比即催化劑與木質(zhì)素質(zhì)量之比。圖5是酸催化解聚木質(zhì)素體系(25%木酚比)在110 ℃反應(yīng)30 min條件下,解聚產(chǎn)物隨催木比變化的APC色譜圖,可以看出,解聚產(chǎn)物均在12.4和12.9 min處獲得了很好的分離,對應(yīng)的Mp均為720和490 Da左右,兩峰面積比均約為75∶25,表明不同催木比下木質(zhì)素磺酸鹽酸催化的解聚機(jī)理相同。從圖5可以看出,催木比為0.583時解聚效率最低,只達(dá)到最高解聚峰值的1/4左右,四氫呋喃萃取后所得黑色沉淀不能烘干,不溶物的含量很高,有大量木質(zhì)素未發(fā)生解聚,解聚效率很低。當(dāng)催木比為1.167時,兩峰峰值呈明顯上升趨勢,解聚產(chǎn)物色譜峰值達(dá)到最高解聚峰值的80%左右,表明解聚效果明顯,但液液萃取后不溶物含量也較高。當(dāng)催木比為2.334和2.917時,兩峰峰值達(dá)到最高值,并趨于一致;隨著催木比進(jìn)一步提高到3.5時,兩峰峰值呈下降趨勢。可初步判定當(dāng)催木比為2至3時,在本試驗條件下木質(zhì)素磺酸鹽解聚效率能夠達(dá)到較高的程度。

圖 5 不同催化劑/木質(zhì)素質(zhì)量比下解聚產(chǎn)物的APC色譜圖Fig. 5 APC chromatograms of the depolymerized productsobtained using different catalyst/lignin mass ratios

2.5 酸催化解聚木質(zhì)素磺酸鹽的行為機(jī)制

圖 6 木質(zhì)素磺酸鹽和四氫呋喃萃取不溶部分的APC色譜圖Fig. 6 APC chromatograms of the lignosulfonate and the insoluble fraction in THF a: lignosulfonate; b: insoluble fraction.

綜合以上結(jié)果可以看出,酸催化解聚反應(yīng)的溫度、時間和催木比對解聚效率都有一定的影響,但峰形、Mp值以及峰面積都表現(xiàn)出一致性,酸催化解聚生成的產(chǎn)物分布在720、490和260 Da 3個相對分子質(zhì)量區(qū)間,表明該催化劑體系下解聚反應(yīng)遵循同樣的斷裂機(jī)制和解聚機(jī)理,解聚產(chǎn)物具有近似的分子組成,初步可以認(rèn)為催化反應(yīng)具有一定的選擇性。對液液萃取后的黑色殘渣采用APC水溶性柱子進(jìn)行系統(tǒng)分析[21],結(jié)果如圖6所示,與未解聚前的木質(zhì)素(見圖6a)相比,該殘渣的相對分子質(zhì)量高于2×104Da(見圖6b),峰位相對分子質(zhì)量顯著降低,且相對分子質(zhì)量分布發(fā)生了變化。FT-IR測試結(jié)果也進(jìn)一步證實了該殘渣仍具有磺酸鹽的結(jié)構(gòu)特征。如圖7所示,除了苯環(huán)的特征吸收峰(1 622、1 513和1 461 cm-1),還觀察到在1 222 cm-1處芳醚鍵、1 117 cm-1處烷氧醚鍵和1 039 cm-1處-SO3H的特征吸收[10],由此可以推斷該殘渣為未完全解聚的木質(zhì)素磺酸鹽,說明大相對分子質(zhì)量部分的木質(zhì)素磺酸鹽由于位阻等效應(yīng)只是發(fā)生了部分解聚,而相對分子質(zhì)量在1.7×104Da以下的木質(zhì)素磺酸鹽基本被完全解聚成低相對分子質(zhì)量的酚類化合物。

圖 7 木質(zhì)素磺酸鹽解聚產(chǎn)物四氫呋喃萃取不溶部分的紅外譜圖Fig. 7 FT-IR spectrum of the insoluble fraction of the depolymerized lignosulfonate products in THF

由此,結(jié)合殘渣的量以及催化條件溫和的原則,可以總結(jié)出,當(dāng)催木比為2.334、130 ℃酸催化木質(zhì)素解聚反應(yīng)60 min時,可以獲得解聚效率高達(dá)70%以上的木質(zhì)素磺酸鹽酚類解聚產(chǎn)物,這也是迄今報道的酸催化解聚真實木質(zhì)素中條件較溫和、產(chǎn)物較高的解聚途徑[23]。

3 結(jié)論

本研究以溫和酸催化條件下獲得的木質(zhì)素解聚產(chǎn)物為研究對象,建立了木質(zhì)素酚類解聚產(chǎn)物的APC快速分析方法。采用優(yōu)化的APC方法對解聚產(chǎn)物實現(xiàn)了高效的分離,解聚產(chǎn)物色譜信號靈敏,能快速直接地表征酸催化解聚木質(zhì)素的解聚程度和解聚效率。采用該方法重點探討了酸催化解聚木質(zhì)素磺酸鹽的行為,研究表明,該酸催化反應(yīng)的機(jī)理不受反應(yīng)時間、溫度以及催木比影響,表現(xiàn)出一定的可控性。研究結(jié)論為后續(xù)解聚產(chǎn)物的快速精細(xì)分離提供了基礎(chǔ)條件。在該APC測試結(jié)果的引導(dǎo)下,后續(xù)的工作將采用超高效液相色譜和高分辨質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù),系統(tǒng)分離分析鑒定酸催化解聚后木質(zhì)素基酚類目標(biāo)化合物,以期獲得真實木質(zhì)素解聚產(chǎn)物結(jié)構(gòu)信息,進(jìn)一步探討解聚機(jī)理。