基于EPR 檢測技術(shù)的香蘭素?zé)峤鈾C(jī)理研究*

李國翔，駱仲泱，周慶國，孫浩然

（浙江大學(xué)，能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027）

0 引 言

生物質(zhì)作為唯一可以直接轉(zhuǎn)換為含碳液體燃料的可再生能源，受到了越來越多的關(guān)注[1]。我國的生物質(zhì)能源儲量大、分布廣泛[2]，如何對其進(jìn)行有效利用成為一大亟待解決的問題。通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化將其制備為液體燃料，實現(xiàn)部分取代傳統(tǒng)化石燃料具有重大意義。我國的能源“十三五”規(guī)劃也提出實現(xiàn)生物質(zhì)液體燃料取代680 萬噸化石能源/年的目標(biāo)[3]。

熱解又稱裂解或者熱裂解，是指在隔絕空氣或者通入少量空氣的條件下，利用熱能切斷生物質(zhì)大分子中的化學(xué)鍵，使之轉(zhuǎn)變成為小分子的過程[4-5]?？捎糜跓峤獾纳镔|(zhì)種類非常廣泛?，F(xiàn)有對生物質(zhì)熱解的研究非常多，而關(guān)于生物質(zhì)熱解機(jī)理的研究也不在少數(shù)，但這部分研究內(nèi)容多以檢測反應(yīng)物與終產(chǎn)物的形態(tài)結(jié)構(gòu)[6-7]推斷反應(yīng)中間過程，或以密度泛函理論為指導(dǎo)，模擬計算生物質(zhì)熱解的解構(gòu)規(guī)律[8-10]。這一類研究的檢測手段多為間接檢測，無法直觀地對熱解反應(yīng)的中間產(chǎn)物進(jìn)行檢測。

電子順磁共振（electron paramagnetic resonance,EPR），指因電子有1/2 的自旋，孤電子在外加磁場下能級二分，當(dāng)外加具有與此能量差相等的頻率電磁波時，便會引起能級間的躍遷。以此來檢測反應(yīng)中產(chǎn)生的自由基。有學(xué)者對低溫段或煙草的燃燒過程開展了研究[11-12]，考察反應(yīng)中存在的自由基對反應(yīng)進(jìn)程的影響。浙江大學(xué)也做了生物質(zhì)熱解相關(guān)的研究，對愈創(chuàng)木酚的熱解反應(yīng)中間體進(jìn)行了檢測[13]，結(jié)果表明熱解反應(yīng)中存在大量甲基自由基，并闡釋愈創(chuàng)木酚的熱解機(jī)理和部分熱解反應(yīng)路徑。

本文以EPR 檢測技術(shù)為手段，基于對愈創(chuàng)木酚熱解機(jī)理的研究，采用香蘭素這一相對愈創(chuàng)木酚更為復(fù)雜的、具備G 型木質(zhì)素單元結(jié)構(gòu)的物質(zhì)作為木質(zhì)素的模型化合物，分別進(jìn)行高溫原位熱解及低溫冷阱?捕獲，以期獲得香蘭素?zé)峤夥磻?yīng)過程的中間體，并提出香蘭素的熱解機(jī)理及反應(yīng)路徑。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

香蘭素購自西格瑪公司，作為木質(zhì)素的模型化合物。自由基捕獲劑5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物（5,5-dimethyl-1-pyrroline-N-oxide,DMPO）和a-苯基-N-叔丁基硝酮（N-tert-butyl-α-phenylnitrone,PBN）購自阿拉丁試劑有限公司。

1.2 熱解實驗

實驗在微型反應(yīng)器（PY-3030D，日本Frontier公司）中進(jìn)行。保持每次的進(jìn)料量一致，每次稱取0.5 mg 左右的香蘭素置入反應(yīng)器的小坩堝中。設(shè)定PY 微型反應(yīng)器的溫度分別為400℃、500℃、600℃。反應(yīng)器是掉落式反應(yīng)器，默認(rèn)加熱速率為快速熱解的加熱速率1 000℃/s。反應(yīng)物在熱解儀中的停留時間預(yù)設(shè)為30 s，之后反應(yīng)產(chǎn)物由氣路排出，在進(jìn)樣口溫度為280℃的連接口接入氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀GC/MS（TRACE 2000-DSQII，ThermalFisher 公司）中進(jìn)行分析。該實驗主要用于分析香蘭素在不同熱解溫度下的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與產(chǎn)物分布。

1.3 EPR 原位熱解實驗

熱解實驗在EPR 波譜儀（EMX-Plus，德國Bruker 公司）中進(jìn)行。保持每次制樣量為1 g 左右，制備香蘭素檢測樣品。將EPR 波譜儀升溫程序分別設(shè)置為400℃、500℃、600℃。默認(rèn)反應(yīng)物在高溫腔中的加熱速率為快速熱解的加熱速率。從反應(yīng)的第0 s 開始，每30 s 進(jìn)行一次掃譜，分別記錄0 s、30 s、60 s、90 s、120 s 的譜圖結(jié)果（每次掃譜時間約為10 s）。中心場強(qiáng)約為3 400 G，掃描寬度100 G，掃描時間10 s，時間常數(shù)10 ms，微波功率5 mW，調(diào)制100 kHz 和調(diào)制幅度1 G。

1.4 熱解冷阱?捕獲劑捕獲實驗

分別配置DMPO 及PBN 的捕獲劑溶劑，分別取0.1 g、0.3 g、0.5 g 溶解于500 mL 的四氯甲烷中配置成捕獲劑溶液，由于捕獲劑穩(wěn)定性較差，通常在熱解實驗進(jìn)行前配制，并遮光低溫保存。按實驗預(yù)設(shè)稱取5～10 g 香蘭素置于石英舟中。在管式爐中進(jìn)行熱解實驗，溫度為600℃，保持30 s 停留時間后，將反應(yīng)氣通入裝有捕獲劑的冷阱中進(jìn)行驟冷捕集。之后將捕集到的反應(yīng)中間產(chǎn)物通過EPR 波譜儀進(jìn)行檢測，并通過擬合比對，對結(jié)果進(jìn)行分析。檢測采用中心場強(qiáng)約為3 300～3 600 G，掃描寬度100～1 000 G，掃描時間10～30 s，時間常數(shù)10 ms，微波功率5 mW，調(diào)制100 kHz 和調(diào)制幅度1 G。

2 結(jié)果與討論

2.1 香蘭素?zé)峤釭C/MS 結(jié)果

香蘭素0.5 mg 在400℃、500℃、600℃下快速熱解實驗的GC/MS 結(jié)果如表1 所示。

在400～600℃反應(yīng)溫度下，香蘭素的熱解并不充分：400℃時，熱解部分的產(chǎn)物主要包括愈創(chuàng)木酚、3,4-二甲氧基苯甲醛、5-甲酰基水楊醛、乙基香蘭素；500℃時，則多出了2-甲氧基-4-甲基苯酚和4-羥基-3-甲基苯甲醛；600℃下則另外產(chǎn)生了4-羥基苯甲醛、3-甲氧基苯甲醛、2-甲基苯酚、2-乙基苯酚和3,5-二甲基-4-羥基苯甲醛。隨著熱解溫度升高，香蘭素的熱解程度越高。如圖1 所示，通過歸一化處理，可以看出香蘭素?zé)峤庖后w產(chǎn)物的總量隨著溫度的升高而增加，且產(chǎn)物種類隨溫度的變化趨勢與產(chǎn)物的產(chǎn)量一致。在較低的溫度下，產(chǎn)物以3,4-二甲氧基苯甲醛為主，而當(dāng)溫度升高到600℃，愈創(chuàng)木酚的產(chǎn)量則增加到最高。較低溫度下，分解部分的香蘭素，以發(fā)生酚羥基上的氫與甲基相互取代反應(yīng)為主。較高的溫度則幫助香蘭素分解為種類更多的產(chǎn)物。

從圖1b 中可以明顯地看出這幾類產(chǎn)物的選擇性。愈創(chuàng)木酚占總產(chǎn)物的比重隨著溫度的升高而增加，5-甲?；畻钊┑漠a(chǎn)生趨勢與之相同，3,4-二甲氧基苯甲醛的選擇性則是隨著溫度的升高而降低。

表1 香蘭素快速熱解的產(chǎn)物Table 1 Products of vanillin fast pyrolysis

圖1 香蘭素?zé)峤猱a(chǎn)物分布：（a）不同溫度下產(chǎn)物分布；（b）不同溫度下產(chǎn)物的選擇性；（c）熱解產(chǎn)物Fig.1 Distribution of vanillin pyrolysis products:(a) product distribution at different temperatures;(b) product selectivity at different temperatures;(c) pyrolysis products

2.2 香蘭素EPR 原位熱解

為進(jìn)一步研究溫度對自由基形成的影響，分別在400℃、500℃、600℃下進(jìn)行了香蘭素的等溫?zé)峤?。通過原位EPR 實驗觀察了熱解過程和自由基的形成。在熱解反應(yīng)達(dá)到設(shè)定溫度后每30 s 觀察一次。與愈創(chuàng)木酚所反映出來的結(jié)果不同的是，香蘭素的原位熱解在反應(yīng)一開始就表現(xiàn)出強(qiáng)烈的信號峰，且在三個溫度段下的中間產(chǎn)物信號基本一致，因此，僅選取其中600℃時的EPR譜圖進(jìn)行分析。原位EPR實驗結(jié)果如圖2 所示。

圖2 香蘭素（a）和焦炭（b）的熱解原位EPR 波譜圖Fig.2 In-situ electron paramagnetic resonance spectrum of vanillin (a) and coke (b) pyrolysis

如圖2a 所示，在中心場強(qiáng)3 400 G、掃描寬度100 G 的條件下檢測到自由基的信號。達(dá)到熱解溫度600℃之后的所有譜圖中，EPR 波譜儀中出現(xiàn)了一個明顯的信號峰，表明在熱解過程中產(chǎn)生了自由基，其g 因子為2.000 18。與愈創(chuàng)木酚檢測結(jié)果相比，表現(xiàn)出更強(qiáng)的響應(yīng)性。圖2b 顯示了對焦炭的EPR檢測結(jié)果，其g 因子同樣為2.000 18。兩者的峰型相似，且g 因子相同，初步判斷為香蘭素在熱解初期便產(chǎn)生了一定量的自由基，這可能是導(dǎo)致熱解結(jié)焦的中間體。該中間體在后續(xù)的熱解過程中一直保持穩(wěn)定狀態(tài)，說明在香蘭素的熱解過程中（400～600℃）可能一直存在結(jié)焦。同樣也驗證了香蘭素的熱解過程中存在自由基反應(yīng)過程。

2.3 香蘭素?zé)峤獾淖杂苫东@結(jié)果

為更進(jìn)一步探究香蘭素?zé)峤膺^程中自由基的反應(yīng)機(jī)理，以基于硝酮的DMPO 和PBN 作為自旋捕獲劑進(jìn)行自由基捕獲反應(yīng)。香蘭素?zé)峤夥磻?yīng)過程中產(chǎn)生的自由基被捕獲劑吸收形成相對穩(wěn)定的加合物，通過EPR 進(jìn)行檢測。反應(yīng)來自600℃下的香蘭素?zé)峤?，檢測溫度為常規(guī)室溫。檢測儀器設(shè)定參數(shù)為中心場強(qiáng)3 300～3 500 G，掃描寬度50～1 000 G，掃描時間10～30 s，時間常數(shù)10 ms，微波功率5 mW，調(diào)制100 kHz 和調(diào)制幅度1 G。

圖3 DMPO（a）和PBN（b）捕獲香蘭素?zé)峤猱a(chǎn)物EPR 譜圖Fig.3 EPR spectrums of vanillin pyrolysis products captured by DMPO (a) and PBN (b)

圖3為DMPO和PBN捕獲香蘭素?zé)峤猱a(chǎn)物EPR譜圖，由圖可知香蘭素中間產(chǎn)物的檢測結(jié)果十分復(fù)雜。在3 420 G 為中心場和600 G 為掃譜寬度的檢測工況下獲得了DMPO 捕獲劑捕獲中間產(chǎn)物的加合譜圖；在中心場強(qiáng)為3 350 G 和50 G 的掃譜寬度的檢測條件下獲得了PBN 捕獲劑捕獲中間產(chǎn)物的加合譜圖。復(fù)雜的譜圖使得解譜工作也變得更加困難。圖3a 的自由基信號的g 因子為2.000 36，圖3b 中的自由基信號的g 因子同樣也為2.000 36。對于DMPO的捕獲結(jié)果，中心3 420 G 處有一明顯的特征峰，其強(qiáng)度高于剩下的其他特征峰，比對香蘭素原位熱解檢測結(jié)果，分析可能為DMPO 與結(jié)焦的前驅(qū)體自由基結(jié)合的特征峰。而后通過擬合比對，圖3a 可分離出苯甲?；杂苫c甲基自由基的特征峰。圖3b則很好地反映了PBN 捕獲產(chǎn)物的特征曲線，對其進(jìn)行擬合解譜，可知在PBN 的捕獲結(jié)果下，EPR 譜圖反映出的自由基分別有OH 自由基及H 自由基。以上所描述的各類自由基均在香蘭素的熱解中起不同的作用。而甲基自由基、OH 自由基以及H 自由基均可以在反應(yīng)中起到其他自由基反應(yīng)的引發(fā)劑的作用，反應(yīng)物化學(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化。

2.4 香蘭素?zé)峤夥磻?yīng)路徑

根據(jù) EPR 譜圖分析所得的自由基，結(jié)合PY-GC/MS 的結(jié)果，提出了香蘭素?zé)峤膺^程的路徑及反應(yīng)機(jī)理，如圖4 所示。圖中，根據(jù)所檢測到的熱解過程中間產(chǎn)生自由基及各個不同產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，將香蘭素?zé)峤膺^程分為5 條路徑，各反應(yīng)路徑發(fā)生過程描述如下。

反應(yīng)路徑1。香蘭素酚羥基對位的醛基上的H自由基在熱解作用下發(fā)生均裂反應(yīng)，因此在EPR 檢測過程中可捕捉到如圖5 所示的苯甲酰自由基（化合物1 部分）的特征峰。隨后其脫去氫的醛基部分發(fā)生脫羰過程，在脫去CO 之后形成了愈創(chuàng)木酚。

反應(yīng)路徑2。香蘭素的酚羥基在發(fā)生脫氫反應(yīng)后，發(fā)生異構(gòu)化重排，生成中間產(chǎn)物自由基6，最終脫除氫自由基后獲得5-甲酰基水楊醛（化合物10）。

圖5 苯甲酰自由基的結(jié)構(gòu)Fig.5 The structure of benzoyl radical

反應(yīng)路徑3。由反應(yīng)路徑2 中提及的異構(gòu)化后的中間產(chǎn)物自由基6 通過加氫的反應(yīng)則將反應(yīng)往另一方向進(jìn)行引導(dǎo)，生成4-羥基-3-羥甲基苯甲醛（化合物7）。

反應(yīng)路徑4。香蘭素?zé)峤庠诜磻?yīng)路徑3 中生成的產(chǎn)物4-羥基-3-羥甲基苯甲醛的穩(wěn)定性較差，易脫除OH 自由基后生成自由基8，進(jìn)一步與反應(yīng)中均裂產(chǎn)生的甲基自由基結(jié)合，最終脫羰后生成2-乙基苯酚（化合物9）。

反應(yīng)路徑5。與上一反應(yīng)路徑不同的是，在該反應(yīng)路徑中，4-羥基-3-羥甲基苯甲醛脫去OH 自由基后直接與H 自由基相結(jié)合而生成4-羥基-3-甲基苯甲醛（化合物11），該產(chǎn)物還有可能進(jìn)一步發(fā)生酚羥基上的H 與甲基的相互取代反應(yīng)，從而產(chǎn)生4-甲氧基-3-甲基苯甲醛（化合物12）。

部分香蘭素在熱解過程脫羰生成愈創(chuàng)木酚后，部分產(chǎn)生結(jié)焦中間體的具體過程如圖4c 所示，在脫氫后發(fā)生異構(gòu)化反應(yīng)，進(jìn)一步與H 自由基結(jié)合并脫水生成鄰亞甲基苯醌。相關(guān)愈創(chuàng)木酚熱解的部分研究也指出[13-14]，鄰亞甲基苯醌（6-亞甲基-2,4-環(huán)己二烯-1-酮）是愈創(chuàng)木酚熱解結(jié)焦的關(guān)鍵中間體。結(jié)果表明，鄰亞甲基苯醌在約350℃時產(chǎn)生，在氣相中約420℃時迅速消失，其聚合或成環(huán)將導(dǎo)致產(chǎn)物中焦炭的增加。而EPR 中原位檢測及冷阱捕獲檢測的信號強(qiáng)度最強(qiáng)的峰則可能為其前驅(qū)體反應(yīng)物13。與相關(guān)研究不同的是，本文中結(jié)焦中間產(chǎn)物的前驅(qū)體的信號峰在400～600℃時均較為強(qiáng)烈，表明該反應(yīng)中間產(chǎn)物在此實驗溫度段中均穩(wěn)定存在。

3 結(jié) 論

香蘭素作為木質(zhì)素較為簡單的結(jié)構(gòu)單體，其熱解反應(yīng)過程的中間產(chǎn)物的形成過程較為復(fù)雜。主要結(jié)論如下：

（1）香蘭素在EPR 原位熱解過程中產(chǎn)生了大量相對穩(wěn)定的自由基基團(tuán)，并在反應(yīng)的過程中很長一段時間持續(xù)存在著。由此，同樣驗證了關(guān)于熱解過程的問題，直觀地確定了香蘭素?zé)峤膺^程確實存在自由基反應(yīng)過程。

（2）通過結(jié)合EPR 原位熱解實驗及PY-GC/MS熱解實驗，對在600℃時觀測到的相對穩(wěn)定的自由基特征峰進(jìn)行了初步的判斷，判斷其為鄰亞甲基苯醌的反應(yīng)前驅(qū)體，g 因子為2.000 18，與愈創(chuàng)木酚不同的是，該前驅(qū)體在400～600℃反應(yīng)過程中都長期穩(wěn)定地存在，對反應(yīng)結(jié)焦積碳會產(chǎn)生較大影響。同樣也影響在瞬冷捕獲實驗下的檢測。

（3）通過冷阱?自旋捕獲系統(tǒng)，對香蘭素的熱解產(chǎn)物進(jìn)行了捕獲和分析。結(jié)果表明，DMPO 捕獲劑所捕獲的自由基大部分為苯甲酰自由基和甲基自由基，并伴隨有其他自由基；而PBN 捕獲劑所捕獲的自由基則多為更小分子的如OH自由基及H自由基。這部分自由基均在熱解過程中扮演了非常重要的角色，對反應(yīng)產(chǎn)物的生成起到關(guān)鍵的作用。

（4）通過對中間產(chǎn)物的檢測分析，并結(jié)合液體產(chǎn)物的檢測結(jié)果，梳理了香蘭素?zé)峤夥磻?yīng)的反應(yīng)路徑及機(jī)理。

致 謝

感謝國家重點研發(fā)計劃（編號2018YFB1501405）對本研究的支持。