發(fā)明領域
本發(fā)明涉及加工木質(zhì)素以提供有用的小分子。
發(fā)明背景
由于全球化石燃料的儲備下降并且其價格上漲，由可更新的生物資源制備化學品和燃料的技術已經(jīng)成為集中發(fā)展的焦點。尤其是，認為包含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)是生物精煉情形中重要的未來資源。盡管用于制備來源于木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的纖維素成分的乙醇的技術已經(jīng)投入商業(yè)運轉(zhuǎn)，但是利用木質(zhì)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(zhì)所有成分的物價穩(wěn)定對于經(jīng)濟活力是必需的。另外，盡管木質(zhì)素是紙漿和造紙工業(yè)的主要副產(chǎn)物，但是僅有2％的目前產(chǎn)生的木質(zhì)素得到商業(yè)利用。因此，木質(zhì)素的物價穩(wěn)定成為還必須需要解決的重要挑戰(zhàn)。
木質(zhì)素構(gòu)成大部分高等植物的生物質(zhì)的15-30％和貯能量的多至40％。木質(zhì)素的異質(zhì)性質(zhì)意指單體和結(jié)構(gòu)單位的比例高度取決于植物來源和提取工藝。然而，在幾乎所有的木質(zhì)素中，主要的結(jié)構(gòu)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(lián)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(zhì)素聚合結(jié)構(gòu)和芳香結(jié)構(gòu)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(zhì)素制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。正是由于這一原因，需要新的化學工藝。已經(jīng)提議了一些方法。最近，已經(jīng)提議與第二化學處理聯(lián)合的木質(zhì)素選擇性氧化作為導致木質(zhì)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-乙酰胺基-tempo的條件下，用分子氧使木質(zhì)素模型化合物氧化，接著在堿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(zhì)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。其可以后接第二步：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。
對于發(fā)現(xiàn)從木質(zhì)素獲得有用物質(zhì)的新方法還存在需求。
發(fā)明描述
根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供了使木質(zhì)素解聚的方法，所述方法包括：
氧化木質(zhì)素，以提供氧化的木質(zhì)素，其中β-o-4連接的芐型-oh已被轉(zhuǎn)化為羰基；并且
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(zhì)素解聚。
用于木質(zhì)素的氧化劑可以包括分子氧、醌和二氧化氮來源。備選地，用于木質(zhì)素的氧化劑可以包括醌。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)用醌試劑氧化產(chǎn)生氧化的木質(zhì)素，其中至少一些β-o-芳基結(jié)構(gòu)部分(β-o-4連接)具有轉(zhuǎn)化為羰基的芐型-oh。
進行相同的β-o-4連接的轉(zhuǎn)化的其他試劑可以用于該方法的氧化步驟。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-乙酰胺基-tempo和其他硝?；鶊F，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?shù)剡M行該氧化。
任何包含β-o-4連接的木質(zhì)素都可以用在該工藝中。取決于提取條件，典型的β-o-4連接水平可以是木質(zhì)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，那么氧化的木質(zhì)素可以與初始反應混合物分離，然后進行解聚步驟。
備選地并且便利地，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(jīng)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?？梢允褂玫钠渌▽?氯苯胺、鄰-氯苯胺、苯醌、2-氯蒽醌和1，4，5，8-四氯蒽醌。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用醌的氧化步驟至少氧化木質(zhì)素的β-o-芳基連接。氧化步驟可以使用與木質(zhì)素大致等重量的氧化劑醌或更多的醌進行。
備選地并且便利地，利用分子氧聯(lián)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(tǒng)，醌，諸如ddq，可以以催化方式使用。例如，以木質(zhì)素的2-30重量％或甚至木質(zhì)素的5-20重量％的量。使用所述系統(tǒng)使β-o-4連接中轉(zhuǎn)化成羰基的芐型-oh的比例可以是高的，例如，多至100％，如通過追蹤木質(zhì)素中氧化結(jié)構(gòu)的交叉峰的出現(xiàn)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(zhì)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?shù)娜軇＿m當?shù)娜軇┌ㄋ?、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?-甲氧基乙醇。
可以利用共溶劑提高氧化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)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?？梢允褂闷渌耐榛?，諸如1，2-二乙氧基乙烷，或環(huán)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(huán)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(yōu)選地，氣氛應該再循環(huán)，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(zhì)素分離。例如，通過添加反溶劑(諸如二乙醚或環(huán)戊基甲醚)從包含醇的溶劑體系中沉淀；備選，通過蒸發(fā)所使用的溶劑的一些或全部而進行分離。
氧化的木質(zhì)素(其中至少一些β-o-芳基結(jié)構(gòu)部分(β-o-4連接)具有轉(zhuǎn)化成羰基的芐型-oh)用于解聚步驟。因此，根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供使氧化的木質(zhì)素解聚的方法，其中β-o-4連接的芐型-oh已被轉(zhuǎn)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(zhì)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。
對于根據(jù)本發(fā)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(yōu)選的?？梢允褂娩\的活性形式，諸如鋅-銅偶聯(lián)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，來激活用于解聚步驟的金屬。用于該任務的適當?shù)臒o機酸可以包括鹽酸和硫酸以及它們的混合物。用于本研究的適當?shù)挠袡C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(zhì)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?？梢源嬖诠踩軇?，并且可以包括烷基腈，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?？梢允褂闷渌耐榛?，諸如1，2-二乙氧基乙烷，或環(huán)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(jīng)發(fā)現(xiàn)所述溶劑體系是用于氧化的木質(zhì)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?？梢允褂迷?∶0-1∶2體積比范圍內(nèi)(例如，1∶0-1∶1)的2-甲氧基乙醇：1，2-二甲氧基乙烷?？梢允褂迷诜磻軇┛傮w積的0-50％范圍內(nèi)的水。
解聚步驟可以便利地在環(huán)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。
在解聚反應完成后，可以過濾出未反應的金屬，用于再利用或丟棄。
然后，可以從反應混合物獲得解聚的產(chǎn)物。便利地，利用添加水或加入到水中來沉淀固體，即還沒有被轉(zhuǎn)化成低分子量產(chǎn)物的木質(zhì)素級分?？梢詫⒛举|(zhì)素級分過濾出，并且用溶劑清洗，以提取低分子量的產(chǎn)物。類似地，可以用溶劑萃取濾過物，以提取低分子量產(chǎn)物。然后，可以通過任意適當?shù)募夹g從合并的提取溶劑層中獲得低分子量產(chǎn)物，例如，蒸發(fā)溶劑，接著對殘留物進行色譜(例如，在硅石上)，從而提供純化的化合物。用于萃取目的的適當?shù)娜軇┌ㄒ宜嵋阴?、叔丁基甲醚和環(huán)戊基甲醚。
作為以兩個分開的步驟進行本發(fā)明第一方面的工藝(即，氧化成氧化的木質(zhì)素，然后解聚氧化的木質(zhì)素)的備選方案，該工藝可以作為“一鍋”工藝進行。在氧化步驟后，向在醇溶劑體系中包含氧化的木質(zhì)素的反應混合物中加入水。例如，向使用基于乙二醇醚(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。然后，如上文討論那樣進行解聚步驟。
在工藝結(jié)束時留下的木質(zhì)素級分可以用于能量產(chǎn)生、碳纖維制備，或可以進一步加工獲得有用的產(chǎn)物。例如，作為用于進一步的催化降解的底物，以提供其他小分子產(chǎn)物。例如，其可以進行熱解聚，從而產(chǎn)生熱解的木質(zhì)素，其用作燃料資源和/或用于進一步處理，以提供有用的有機化學品(參考文獻3)。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，氧化的木質(zhì)素的解聚產(chǎn)生酚產(chǎn)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(zhì)素的氧化和之后的解聚，其顯示部分木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的芐型羥基(a)氧化成相應的羰基(b)。這之后是鋅介導的解聚，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(chǎn)物可以用作制備有用的有機化學品的中間體。
因此，在第三方面，本發(fā)明提供一種制備通式z的酚產(chǎn)物的方法：
其中r1和r2在每次出現(xiàn)時獨立地是-h或-ome，并且r3是-h或-oh；
其中所述方法包括將木質(zhì)素氧化為氧化的木質(zhì)素，其中β-o-4連接的芐型-oh已被轉(zhuǎn)化成羰基；并且
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(zhì)素解聚。
可以使用所述方法制備至少一種上文所示的根據(jù)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于本發(fā)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(chǎn)物(例如，式i、ii或iii的)的分離可以以與關于本發(fā)明的第一和第二方面所述相同的方式進行。因此，在反應完成后，可以過濾出未反應的金屬，用于再利用或丟棄。
便利地，利用向反應混合物中加入水來沉淀固體，即，還沒有轉(zhuǎn)化為酚產(chǎn)物的木質(zhì)素級分?？梢赃^濾出該木質(zhì)素級分，并且用溶劑清洗，以提取低分子量酚產(chǎn)物。類似地，可以用溶劑萃取濾過物，以提取低分子量的酚產(chǎn)物。然后，可以通過任意適當?shù)募夹g從合并的提取溶劑層中獲得酚產(chǎn)物，例如，蒸發(fā)溶劑，然后對殘留物色譜(例如，在硅石上)，從而提供純化的化合物。用于萃取目的的適當?shù)娜軇┌ㄒ宜嵋阴?。在硅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(jù)第四方面，本發(fā)明提供一種用于切割底物中的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(chǎn)物，其中β-o-4連接的芐型-oh已被轉(zhuǎn)化成羰基；并且
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(zhì)素解聚。
第四方面的方法可以使用上文關于本發(fā)明的第一和第二方面提出的溶劑和條件進行。
一些優(yōu)選的實施方案和實驗結(jié)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(chǎn)率獲得氧化的產(chǎn)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
制備結(jié)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(zhì)素的模型，并且使用半定量2d-hsqcnmr實驗評估氧化實驗的結(jié)果。
按照下述反應(方案3)制備聚合物：
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(jié)果表明，盡管仍然進行催化氧化，但是轉(zhuǎn)化低于在獲得接近完全轉(zhuǎn)化的情況下的單體系列中所觀察到的轉(zhuǎn)化。由此尋求反應條件的進一步優(yōu)化。將ddq負荷增加至10mol％顯著提高了轉(zhuǎn)化(條目2)。另外發(fā)現(xiàn)，加入1，2-二甲氧基乙烷作為非質(zhì)子(non-protic)共溶劑顯著提高轉(zhuǎn)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。這一觀察與通過芐基陽離子中間體的形成進行的反應相一致，所述芐基陽離子中間體被對-甲氧基取代基共振穩(wěn)定，但是被間-甲氧基取代基經(jīng)由誘導的電子收回而去穩(wěn)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(zhuǎn)換通過整合2dhsqcnmr中的氧化的和未氧化的結(jié)構(gòu)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于＜0.05。
木質(zhì)素實驗
在下文所述的使用真正的木質(zhì)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(zhì)素。將樺樹鋸屑在二
木質(zhì)素氧化的一般過程：
向木質(zhì)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，然后加入tbuono。將反應混合物放置在o2氣氛(氣囊)下，并且在80℃攪拌14小時。通過在10體積的et2o中沉淀和過濾分離氧化的木質(zhì)素，備選地，將木質(zhì)素溶液在不經(jīng)任何進一步的處理的情況下用于下一步驟。
實驗結(jié)果在下表中給出。
[a]通過在氧化之前和之后對應于丁香基環(huán)的nmr譜中s2，6和s’2，6芳香族交叉峰的相對整合確定。與氧化之前和之后木質(zhì)素中丁香基單位相對應的區(qū)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(zhì)素解聚：
從分離的氧化的木質(zhì)素：向木質(zhì)素(600mg)在2-甲氧基乙醇(8.4ml)中的溶液中加入水(2.1ml)，然后加入nh4cl(740mg)和鋅粉(900mg)。將反應混合物在80℃加熱1小時，冷卻并過濾，以去除過濾的鋅。然后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(zhì)素絮凝)，然后過濾混合物。將殘余的木質(zhì)素用etoac清洗，并且用etoac(5x20ml)萃取水性濾液。將有機萃取物和洗液合并，用飽和的nahco3、鹽水清洗，干燥(mgso4)并在真空中濃縮。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(chǎn)物。ii(3.5mg，0.58wt％)，i(29mg，5wt％)和iii(3.4mg，5.7wt％)。
一鍋法：按照用于催化氧化的一般步驟，將木質(zhì)素(2.40g)在2-甲氧基乙醇/1，2-二甲氧基乙烷中處理。在反應時間后，添加水(7ml)，然后添加nh4cl(3.0g)和鋅粉(3.60g)。然后，將混合物在80℃加熱1小時，冷卻，并過濾，以去除過量的鋅。然后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(zhì)素絮凝)，然后過濾混合物。將殘余的木質(zhì)素用etoac清洗，并且用etoac(5x50ml)萃取水性濾液。將有機萃取物和洗液合并，用飽和的nahco3、鹽水清洗，干燥(經(jīng)mgso4)并在真空中濃縮。將粗萃取物通過柱色譜在硅石上用石油醚∶乙酸乙酯(0-55％)純化，得到3種產(chǎn)物。ii(11mg，0.46wt％)，i(110mg，4.6wt％)和iii(12mg，0.50wt％)。
分離的產(chǎn)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(shù)據(jù)與在文獻中報道的那些一致。
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(shù)據(jù)與在文獻中報道的那些一致。
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(shù)據(jù)與在文獻中報道的那些一致。
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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