氧化生物质制备甲酸过程中木质素结构变化的表征*

刘 竞，朱妤婷，吕 微，王晨光†

（1.中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2.中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；3.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；4.中国科学院大学，北京 100049）

0 引 言

随着化石燃料日趋枯竭，人们一直关注采用生物质代替石油作为生产燃料或高附加值化学品的可再生资源[1-4]。甲酸（formic acid,FA）作为一种简单的脂肪酸，非常具有应用前景，适用于化工、皮革、医药、橡胶等行业。最近，甲酸已被证明可作为燃料电池的燃料，也能被用于制备氢气[5-6]。甲酸的生产主要是来源于甲醇的羰基化，这会对环境造成污染[7]。因此，利用可再生资源生产甲酸具有重要的意义。

生物质作为地球上唯一的含碳可再生资源，是用于生产精细化学品的可行原料。目前，研究人员已经证明了生物质氧化可以制备甲酸[8-12]。水热条件下，以O2作为氧化剂，催化生物质转化为甲酸的催化剂包括 Fe2(SO4)3、H5PV2Mo10O40、NaOH、VOSO4、NaVO3[5,9-10,13-17]。其中，已经证实含有钒（V）的催化剂能够有效地将生物质催化氧化，并获得高纯度和高收率的甲酸[9,18-19]。生物质中的纤维素和半纤维素能够有效地被催化氧化以制备甲酸，甲酸收率达57.7%[20]。已有文献详细报道了纤维素和半纤维素制备甲酸的反应途径[10,16]。纤维素和半纤维素首先水解形成中间体，包括 C5糖和 C6糖，通过 V5+催化裂解中间体形成甲酸[16]。NaVO3作为催化剂时，生物质在H2SO4助催化作用下被氧化生成甲酸，通常主要以纤维素和半纤维素的转化作为研究对象[21]。在NaVO3-H2SO4体系中，NIU等[5]研究了木质素在酸性氧化条件下转化形成甲酸的过程。他们发现木质素通过断裂C—C键和C—O键形成醌类化合物、芳香醇、醛和酮。然而，在原生生物质酸性氧化过程中，木质素结构的变化尚未得到深入研究。此外，生物质直接用作原料时，木质素结构具有完整性，并且在酸性氧化过程中，对木质素结构的变化进行表征有助于木质素高值化利用。

为探究酸性氧化过程中木质素结构的变化情况，以松木粉作为原料、0.7wt.% H2SO4作为反应溶液，在O2氛围下，利用NaVO3-DMSO-H2SO4体系对生物质进行酸性氧化。研究反应时间、催化剂和固液比对木质素结构变化的影响，并通过高效液相色谱（high performance liquid chromatography,HPLC）、傅立叶变换红外光谱（fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR）、凝胶渗透色谱（gel permeation chromatography,GPC）、气相色谱（gas chromatography,GC）和二维异核单量子相干核磁光谱（2D-heteronculear single quantum coherence,2D-HSQC）研究酸性氧化过程中木质素的结构变化。木质素在酸性氧化过程中结构变化的表征将为木质素的利用提供理论依据，促进木质素的高值化利用。

1 实验部分

1.1 实验材料

以磨成40目粉末的松木粉作为原料，再经乙醇索氏提取，以除去原料中的树脂、蛋白质等杂质。硫酸（H2SO4）购自天津大茂化工有限公司。使用的去离子水由实验室自制。二甲基亚砜（dimethyl sulfoxide,DMSO）、偏钒酸钠（NaVO3）、香草醛（vanillin,≥99 %,AR）、香草乙酮（acetovanillone,≥99 %,AR）、苯甲酸（benzoic acid,≥99 %,AR）、甲酸（formic acid,≥98 %,AR）、乙酸（acetic acid,≥98 %,AR）、草酸（oxalic acid,≥99 %,AR）的标准样品购于麦克林生物化学技术有限公司。

在进行木质素氧化解聚实验之前，采用美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory,NREL）方法测定木质素的组分含量[22]。松木粉中木质素的组分含量示于表1中。

表1 松木粉成分分析Table 1 The composition of pine wood

1.2 实验方法

在25 mL酸性溶液（0.7wt.% H2SO4）中加入0.5 g松木粉，再加入1vol.% DMSO和0.04 g NaVO3，然后置于50 mL高压反应釜（MS-50-C276，安徽科幂机械技术有限公司）中，充入O2的压力为3MPa，设定温度和反应时间后，以400 r/min的搅拌速度进行反应。在每次反应之前，用O2吹扫高压反应釜4～5次以排除釜中多余空气。反应结束后，将反应釜在水浴中快速冷却。

1.3 分析仪器和表征方法

松木粉的总有机碳采用德国 Elementar Analysensysteme元素分析仪进行测定（表2）。反应后，水相中的小分子酸产物采用美国Waters高效液相色谱进行测定。水相中的木质素碎片采用四氢呋喃（tetrahydrofuran,THF）进行提取，得到已溶解的木质素。已提取木质素的THF相分别采用美国安捷伦公司生产的Agilent 1260 LC凝胶渗透色谱和德国布鲁克公司生产的Bruker Avance III 400 MHz核磁共振波谱仪表征木质素碎片的分子量分布和结构特征。采用德国布鲁克TENSOR27傅立叶红外光谱仪表征固体残渣和已溶解木质素的官能团变化。

表2 松木粉的元素分析Table 2 Elemental analysis of pine wood

1.4 数据分析和计算

通过气相色谱（GC-2014C，日本岛津）定量分析酚类单体，采用气相色谱-质谱仪（TRACE 1300ISQ，美国赛默飞）定性分析酚类单体，各单体的产量根据外标法计算。

通过比较原料和固体残渣之间的重量差来计算生物质的液化率（liquidation of biomass,LB），如式（1）。基于GC结果，根据式（2）计算酚类单体（香草醛、香草乙酮、苯甲酸）的产率（yield of monophenol,YM）。通过HPLC分析水相产物，基于HPLC结果，根据式（3）计算水相产物甲酸的碳摩尔收率（yield of formic acid,YFA）；根据式（4）计算水相产物乙酸的碳摩尔收率（yield of acetic acid,YAA）；根据式（5）计算水相产物草酸的碳摩尔收率（yield of oxalic acid,YOA）。气体产物通过气相色谱（7890A，美国安捷伦）分析，并且根据式（6）计算气体产物CO2的碳摩尔收率（yield of CO2,YCO2）；根据式（7）计算气体产物CO的碳摩尔收率（yield of CO,YCO）。

式中：mI为原料生物质的质量；mR为反应后固体残渣的质量；mm为 THF相中酚类单体的质量，根据GC-2014C的结果，通过外标法计算mm；L%为生物质中木质素的成分；mFA为水相产物甲酸的质量，MFA为水相产物甲酸的分子量（46.03），1为水相产物甲酸的碳数量；mAA为水相产物乙酸的质量，MAA为水相产物乙酸的分子量（60.05），2为水相产物乙酸的碳数量；mOA为水相产物草酸的质量，MOA是水相产物草酸的分子量（90.04），2为水相产物草酸的碳数量；C%表示原料中碳的百分含量；MC为碳的分子量（12.01）。根据 HPLC的结果，通过外标法分别计算mFA、mAA、mOA。nCO2和nCO是气体产物（CO2、CO）的摩尔量，根据气相色谱7890A的结果，利用公式PV=nRT对nCO2和nCO进行计算。

2 结果与讨论

2.1 反应时间对木质素结构变化的影响

为了表征酸性氧化过程中木质素结构的变化，在3 MPa O2下、NaVO3-DMSO-H2SO4体系中，以0.7wt.% H2SO4水溶液作为反应溶液，对松木粉进行氧化解聚反应。结果如表3所示。随着反应时间的延长，松木粉液化率增大。在3 h反应条件下，松木粉的液化率达到79.2%。产物主要以甲酸（YFA）为主（46.3%），还形成少量乙酸（YAA）和草酸（YOA），收率分别为4.7%和0.07%。

表3 不同反应时间条件下的产物分布Table 3 Product distributions under different reaction time conditions

为研究酸性氧化过程中木质素结构的变化，采用 FT-IR对固体残渣和已溶解木质素进行表征，结果如图1，各振动峰对应的官能团如表4所示[23-27]。如图1a所示，不同反应时间条件下，固体残渣FT-IR中 1 595 cm-1、1 510 cm-1、1 458 cm-1处属于芳环的骨架振动，其强度随着反应时间的延长而增大，表明松木粉中部分木质素在酸性氧化条件下会被保留在固体残渣中。1 715 cm-1对应于木质素的非共轭C=O键的振动。在3 h反应时间条件下，该信号的强度明显增大，表明固体残渣中木质素的 C—O结构在该酸性条件下被氧化形成C=O键，且随着反应时间的延长，其含量增加。

已溶解木质素的FT-IR谱图如图1b。在3 h条件下，已溶解木质素的芳环结构信号峰（1 594 cm-1、1 514 cm-1、1 466 cm-1、1 420 cm-1和 1 280 cm-1）强度明显降低。说明在酸性氧化过程中木质素的芳环结构被破坏。1 650 cm-1对应于共轭的醛和羧酸，出现在固体残渣中。但在已溶解的木质素中没有发现该信号，表明在该酸性氧化条件下，已溶解的木质素没有氧化形成共轭的醛和羧酸。固体残渣和已溶解的木质素之间的结构明显不同，已溶解木质素的芳环结构在酸性氧化过程中发生了变化。

图1 不同反应时间条件下获得固体残渣（a）和已溶解木质素（b）的FT-IRFig.1 Solid residues (a) and dissolved lignin (b) FT-IR obtained under different reaction time conditions

表4 不同峰对应的官能团Table 4 Peaks correspond to different functional groups

通过GPC表征酸性氧化过程中已溶解木质素的分子量分布，如图 2所示，其平均分子量如表 5。100～200 g/mol的峰对应于酚类产物，200～400 g/mol的峰归属于二聚体，400～650 g/mol的峰对应于三聚体，较高分子量（> 650 g/mol）的信号峰对应于大分子量的低聚物[28]。根据GPC分析结果，已溶解木质素的碎片分子量为170～2 000 g/mol。当反应时间为1 h，酚类产物的信号峰强度明显大于3 h的，通过 GC定量分析证实了酚类单体产率随反应时间的延长而明显下降（图3）。根据GPC分析，已溶解木质素的重均分子量（weight-average molecular weight,Mw）随着反应时间的延长而增大，表明延长反应时间会使酚类单体发生重聚，从而使Mw增大。

图2 不同反应时间条件下已溶解木质素的分子量分布Fig.2 Molecular weight distribution spectra of dissolved lignin under different reaction time conditions

图3 不同反应时间下的酚类单体产率（基于木质素）Fig.3 Phenolic monomer yield (based on lignin) under different reaction time conditions

表5 不同反应时间条件下已溶解木质素的平均分子量Table 5 Average molecular weight of dissolved lignin under different reaction time conditions

2.2 催化剂对木质素结构变化的影响

催化剂对松木粉酸性氧化反应和木质素结构变化的影响如表6所示。在NaVO3-DMSO-H2SO4体系中，松木粉的液化率为 79.2%，甲酸碳摩尔收率为46.3%。当体系中存在NaVO3和H2SO4时，甲酸的碳摩尔收率不会发生明显降低（43%），即 NaVO3和H2SO4有利于甲酸的生成[16]。当体系中存在 DMSO时，气相中不会生成更多的CO2。在钒类催化体系中，CO2并非来源于甲酸的分解，而是由生物质中特定结构氧化生成[11,29]。表明在酸性氧化条件下，DMSO能够促进生物质氧化生成甲酸，而非CO2[21]。

表6 不同催化剂条件下松木的液化率及其转化产物的产率Table 6 Liquidation of pine wood and yield of products from pine wood with different catalysts

根据 GPC结果，已溶解木质素的分子量分布情况如图4所示，平均分子量如表 7所示。当体系中存在NaVO3时，木质素碎片主要为高分子量的低聚物；当体系中存在H2SO4和DMSO时，反应产物主要是二聚体。在NaVO3-DMSO-H2SO4体系中，木质素经酸性氧化得到的木质素碎片分子量为170～2 000 g/mol，而且木质素碎片中归属于酚类单体的信号峰强度较低，说明该酸性条件并不利于木质素氧化制备酚类单体（图4）。为进一步研究催化剂对木质素结构变化的影响，通过FT-IR分析固体残渣和已溶解木质素（图5）。在固体残渣的 FT-IR图谱中发现了木质素非共轭和共轭C=O键的峰，表明固体残渣中未溶解的木质素被氧化。当NaVO3存在时，愈创木基单元（G）的信号峰（1 279 cm-1）未发生明显减弱，表明G型木质素结构稳定。但当催化体系中存在H2SO4和DMSO时，G型结构被破坏。在存在 NaVO3和 H2SO4时，芳环的 C—H键振动信号峰（1 466 cm-1和1 132 cm-1）强度下降，意味着芳环中C—H键减少。代表C—O键变形振动的1 035 cm-1减弱，表明 C—O键在酸性氧化条件下容易发生断裂。

图4 不同催化剂条件下已溶解木质素碎片的分子量分布Fig.4 Molecular weight distribution spectra of dissolved lignin fragments under different catalysts conditions

通过分析得知，在 H2SO4溶液中，NaVO3-DMSO- H2SO4体系催化生物质氧化形成甲酸。根据FT-IR结果可知，木质素通过C—O键的断裂而发生降解，且木质素的芳环结构在酸性氧化过程中被破坏。

表7 不同催化剂条件下已溶解木质素的平均分子量Table 7 Average molecular weight of dissolved lignin under various catalysts conditions

图5 固体残渣（a）和溶解木质素（b）在不同催化剂条件下的FT-IRFig.5 Solid residues (a) and dissolved lignin (b) FT-IR under different catalysts conditions

2.3 固液比对木质素结构变化的影响

为提高甲酸的碳摩尔收率，考察了 NaVO3-DMSO-H2SO4体系中不同固液比对反应的影响，结果如表8所示。当固液比降低时，松木粉的液化率明显增大，从79.2%增大到96.4%。与固液比为1∶30相比，当固液比为1∶50时，甲酸碳摩尔收率显著增大，从46.3%增大至75.1%。可见固液比的降低有利于生物质的溶解，从而在水相中更多已溶解的生物质被氧化形成甲酸。

表8 不同固液比条件下的产物分布Table 8 Product distributions with different solid-liquid ratio

在固液比为1∶50条件下，木质素碎片的分子量在125～900 g/mol之间，小于固液比为1∶30的条件（图 6）。当固液比降低，木质素被降解成Mw为308 g/mol的木质素碎片（表9）。为进一步研究不同固液比条件下木质素结构的变化，通过 FT-IR分析固体残渣和已溶解木质素（图7）。固体残渣FT-IR图谱显示，代表非共轭C=O键的1 715 cm-1处的峰值在1∶50的固液比条件下减弱，表明固体残渣中木质素侧链上的羰基被降解。固体残渣中芳环结构（1 595 cm-1、1 510 cm-1、1 458 cm-1和 1 262 cm-1）的信号峰强度也减弱，表明当固液比降低时，更多木质素的芳环结构被破坏。而已溶解木质素的FT-IR图谱显示，在固液比为1∶50条件下获得的木质素碎片中，非共轭C=O键的信号也减弱。相反，归属于共轭C=O键的1 629 cm-1信号峰强度明显增大，表明在木质素碎片上形成更多的共轭 C=O键。在1∶50的固液比条件下，芳环的C—H键面内振动信号（1 132 cm-1）强度也降低，表明已溶解木质素的芳环中 C—H键减少，进一步证实了芳环结构被破坏。木质素碎片中C—O键的信号峰（1 035 cm-1）在 1∶50的固液比条件下消失，表明当固液比降低时，木质素之间的C—O键发生断裂。

表9 不同固液比条件下解聚产物的平均分子量Table 9 Average molecular weight of depolymerization products with various solid-liquid ratio

图6 不同固液比条件下木质素碎片的分子量分布Fig.6 Molecular weight distribution spectra of lignin fractions with different solid-liquid ratio

图7 固体残渣（a）和已溶解木质素（b）在不同固液比条件下的FT-IRFig.7 Solid residues (a) and dissolved lignin (b) FT-IR with different solid-liquid ratio

为了解木质素的结构变化情况，采用2D-HSQC对已溶解木质素进行结构分析表征，结果如图8所示[30-34]。HSQC中已溶解木质素的主要结构如图 9所示。

图8 酸性氧化过程中已溶解木质素的 HSQC NMR谱图：（a）侧链区域；（b）芳香族区域Fig.8 HSQC NMR spectra of dissolved lignin for acid oxidation: (a) side-chain region; (b) aromatic region

图9 HSQC NMR分析得出的溶解木质素的主要结构Fig.9 Main substructures of dissolved lignin assigned from HSQC NMR analysis

在侧链区域 [δC/δH=(50～95)/(2.5～6)]，观察到木质素碎片的甲氧基信号（methoxy,δC/δH=56.23/3.82）。同时，出现酯键结构信号（M,ester structure,δC/δH=59.60/4.07），其他连接键并未观察到，说明该条件下木质素大量连接键发生断裂。芳香族区域 [δC/δH=(95～135)/(6～8)]，木质素碎片中含有较少对羟基苯基单元（hydroxy-phenyl,H）、对羟基苯甲酸酯（p-hydroxybenzoate,PB）和阿魏酸单元（ferulate,F）。HSQC中并未发现愈创木基单元（G）信号。因此，在酸性氧化条件下芳环结构明显被破坏，导致HSQC分析中无法检测到芳环结构的信号。然而，在酸性氧化体系中发现了醌类结构的信号（Q,quinones,δC/δH=134.28/6.46）。NIU 等[5]报道了醌类化合物的形成，发现木质素很容易被氧化成酚类化合物，这些化合物会被进一步氧化成醌类化合物。

HSQC谱图与已溶解木质素碎片的FT-IR图谱相对应，芳环的信号减弱，C=O键信号增强，表明芳环结构被氧化形成醌类结构。

3 结 论

研究了松木粉在 NaVO3-DMSO-H2SO4体系中催化氧化制备甲酸过程中木质素的结构变化。酸性条件下，NaVO3-DMSO-H2SO4体系有助于催化生物质氧化制备甲酸。延长反应时间，甲酸碳摩尔收率明显增加。在长反应时间条件下，芳环结构被破坏且伴随着木质素碎片重聚而使Mw增大。当反应的固液比降低时，甲酸碳摩尔收率从 46.3%增加至75.1%。在低固液比条件下，木质素通过断裂C—O键被降解为分子量为125～900 g/mol之间的碎片，同时木质素碎片的芳环结构被氧化形成醌类结构。