γ-戊內(nèi)酯/低共熔溶劑綠色體系分級(jí)木質(zhì)素及其結(jié)構(gòu)表征

薛白亮， 李 豫, 唐 銳, 王文亮, 李新平

(1.陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院 中國(guó)輕工業(yè)紙基功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021; 2.陜西科技大學(xué) 輕化工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 陜西 西安 710021)

0 引言

木質(zhì)素是自然界生物質(zhì)資源中唯一的芳香環(huán)聚合物[1]，也是自然界第二大生物質(zhì)資源[2]，具有來(lái)源范圍廣和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，可以用于替代部分石油資源制備木質(zhì)素基材料，例如聚氨酯、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等[3].木質(zhì)素是三維網(wǎng)狀天然高分子化合物，由三種基本結(jié)構(gòu)單元，即愈創(chuàng)木基、紫丁香基、對(duì)羥苯基組成[4]，各結(jié)構(gòu)單元之間通過(guò)碳碳鍵與醚鍵相連接[5]，結(jié)構(gòu)復(fù)雜.且從植物原料中分離出的木質(zhì)素化學(xué)結(jié)構(gòu)變化較大且多樣，以及相對(duì)分子質(zhì)量分布不均一.因此，通過(guò)分級(jí)獲取相對(duì)分子量較小及其分布相對(duì)均一的木質(zhì)素組分具有重要研究意義.

分級(jí)木質(zhì)素的方法有超濾法、酸堿度分級(jí)法和有機(jī)溶劑分級(jí)法.Huang等[6]通過(guò)超濾法獲得不同分子量和分布相對(duì)較窄的木質(zhì)素，但其往往存在部分多糖，并且分離膜容易污染，設(shè)備使用相對(duì)昂貴.Santos等[7]采用硫酸在不同酸度條件下沉淀分級(jí)硫酸鹽木質(zhì)素，雖然這種分級(jí)方法易于使用，但多糖的存在使得木質(zhì)素的純度仍然相對(duì)較低，限制了其應(yīng)用.Jiang等[8]利用不同極性的甲醇、丙酮、乙酸乙酯和石油醚逐步分級(jí)硫酸鹽木質(zhì)素，獲得具有不同分子量和分散系數(shù)相對(duì)較低的四種分級(jí)木質(zhì)素，但通常使用大量具有毒性的有機(jī)溶劑.

γ-戊內(nèi)酯(GVL)是一種具有高沸點(diǎn)、低蒸氣壓、優(yōu)異穩(wěn)定性、低毒性和可持續(xù)利用的綠色溶劑.GVL作為一種可回收溶劑被廣泛利用于生物質(zhì)預(yù)處理、生物質(zhì)的非酶糖轉(zhuǎn)化以及半纖維素脫水轉(zhuǎn)化為糠醛.Shuai等[9]采用80%GVL和20%水組成的體系對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果表明GVL/水體系可以有效去除木質(zhì)素，這主要是因?yàn)槟举|(zhì)素在GVL中具有良好的溶解性.低共熔溶劑(Deep Eutectic Solvent，簡(jiǎn)稱DES)是一種熔點(diǎn)較低的綠色類離子液體，具有價(jià)格低廉、容易制備、環(huán)境友好和生物降解等特性[10].DES的氫鍵供受體有利于克服木質(zhì)素分子間和分子內(nèi)的相互作用力，使木質(zhì)素易溶于DES體系[11,12].Zulkefli等[13]發(fā)現(xiàn)以聚多元醇為氫鍵供體和氯化膽堿為氫鍵受體的DES溶解木質(zhì)素效果較好.Xue等[14]開(kāi)發(fā)了由GVL和助溶劑離子液體組成的體系可以有效溶解各種木質(zhì)素.然而到目前為止，GVL和助溶劑DES作為溶劑體系分級(jí)木質(zhì)素沒(méi)有被深入研究.

本文以酶解殘?jiān)举|(zhì)素為原料，以GVL/DES作為綠色溶劑體系分級(jí)木質(zhì)素.探究不同GVL和DES質(zhì)量比對(duì)木質(zhì)素溶解度的影響，以及反向試劑添加量對(duì)木質(zhì)素分級(jí)的影響.并通過(guò)傅里葉紅外光譜(FT-IR)、凝膠滲透色譜(GPC)、二維核磁共振波譜(2D HSQC NMR)對(duì)分級(jí)木質(zhì)素結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 γ-戊內(nèi)酯/低共熔溶劑體系制備及其表征

將氯化膽堿與聚乙二醇-400以摩爾比1∶2在60 ℃油浴條件下攪拌30 min合成DES溶劑體系，再將一定質(zhì)量的GVL加入到DES中，形成GVL/DES體系.GVL∶DES的質(zhì)量比為3∶1、2∶1、1∶2、1∶3，分別命名為GD3∶1、GD2∶1、GD1∶2和GD1∶3.裝有溶劑的小瓶置于磁力攪拌器上，在劇烈攪拌下連續(xù)加入0.01 g左右的酶解殘?jiān)举|(zhì)素(EHL)，以保證兩相之間良好的接觸，直到2小時(shí)之內(nèi)EHL無(wú)法溶解在溶劑體系中.

采用N，N-二乙基-4-硝基苯胺、4-硝基苯胺和尼羅紅作為染料來(lái)確定Kamlet-Taft (K-T) 參數(shù).首先將上述染料溶解在無(wú)水甲醇中，其濃度為1.0×10-3mol·L-1.并通過(guò)在40 ℃真空干燥0.5小時(shí)，除去甲醇.將制備的溶劑體系與染料混合物放入光程為1.0 cm的石英池中，在室溫下用紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì)(Cary 5000)記錄吸收光譜.采用以下公式計(jì)算K-T參數(shù)：

π*=0.314×(27.52-v1)

(1)

(2)

(3)

式 (1) 中：v1=1/(λ1×10-4)，λ1為N，N-二乙基-4-硝基苯胺的最大吸收波長(zhǎng).

式 (2) 中：v2=1/(λ2×10-4)，λ2為4-硝基苯胺最大吸收波長(zhǎng).

式 (3) 中：v3=1/(λ3×10-4)，λ3為尼羅紅的最大吸收波長(zhǎng).

木質(zhì)素溶劑體系的粘度通過(guò)流變儀(TA Instruments，美國(guó))，在25 ℃線性粘彈性范圍內(nèi)1～300 s-1的剪切速率進(jìn)行掃頻測(cè)試.

1.2 木質(zhì)素的分級(jí)及其結(jié)構(gòu)表征

在溶解木質(zhì)素的體系里，逐次加入不同質(zhì)量百分比(20%、40%、100%，占溶劑體系質(zhì)量的百分比)的反向試劑水，分級(jí)出不同的分級(jí)木質(zhì)素組分，分別命名為EHL-1、EHL-2、EHL-3.

對(duì)分級(jí)木質(zhì)素進(jìn)行傅里葉紅外光譜(FT-IR)、凝膠滲透色譜(GPC)、二維核磁共振波譜(2D HSQC NMR)和熱穩(wěn)定性能測(cè)定.

分級(jí)木質(zhì)素的分子量通過(guò)凝膠滲透色譜儀(Agilent 1200，美國(guó))進(jìn)行測(cè)定.將樣品溶于四氫呋喃(2 mg/mL)中，并以0.5 mL/min的流速進(jìn)樣20μL.

FT-IR通過(guò)紅外光譜儀(Bruker Vertex 70，德國(guó))測(cè)定.將冷凍干燥后的樣品與KBr壓片制樣進(jìn)行掃描，掃描范圍在400～4 000 cm-1，掃描速度為32次/s.

2D HSQC NMR光譜在Bruker AV-III 400 MHz核磁共振儀(德國(guó))上測(cè)定.均采用溶劑峰(δC/δH39.5/2.49) 作為內(nèi)標(biāo)來(lái)確定其他峰的化學(xué)位移，將約30 mg樣品溶于0.5 mL DMSO-d6中測(cè)定.

熱失重分析采用同步熱分析儀(NETZSCH Scientific Instruments，德國(guó))進(jìn)行測(cè)定.分別取3～5 mg冷凍干燥后的樣品，置于載物坩堝中，在N2氣氛下，以10 ℃/min的升溫速率，從30 ℃升溫至600 ℃.

2 結(jié)果與討論

2.1 GVL/DES溶劑體系表征

不同質(zhì)量比的GVL和DES對(duì)木質(zhì)素的溶解度具有重要的影響作用[15].測(cè)得的各溶劑體系的溶解度及K-T參數(shù)如表1所示，在其他條件不變情況下，GVL和DES的質(zhì)量配比對(duì)木質(zhì)素的溶解度有較大影響，隨著DES質(zhì)量比的增加，溶劑體系對(duì)木質(zhì)素的溶解度變大，其中GD1∶3對(duì)木質(zhì)素的溶解度最大，達(dá)到了31.83 g/100 g，選擇該體系作為后續(xù)木質(zhì)素分級(jí)的最佳溶劑體系.

表1 GVL與DES溶劑體系的Kamlet-Taft參數(shù)及其對(duì)酶解木質(zhì)素的溶解度

為了進(jìn)一步研究GVL/DES溶劑體系對(duì)木質(zhì)素溶解的影響，本文利用K-T參數(shù)法來(lái)分析溶劑接受和提供氫鍵的能力，以及溶劑極性的能力對(duì)木質(zhì)素溶解度的影響.K-T參數(shù)中，α代表的是氫鍵供體，β代表氫鍵受體，|α-β| 表示α與β的差值，π*是表示溶劑極性能力.

如圖1 (a) 所示，木質(zhì)素的溶解度與π*值呈正相關(guān)，溶劑的極性有利于木質(zhì)素的溶解.由圖1(b)可知，當(dāng)溶劑的|α-β|越大時(shí)，木質(zhì)素的溶解度越大，這是因?yàn)槿軇┲卸嘤嗟幕蛉笔У牟糠謿滏I會(huì)促進(jìn)木質(zhì)素與溶劑分子間氫鍵的形成，從而促使木質(zhì)素在溶劑中的溶解度增大.

溶劑粘度是影響木質(zhì)素溶解度的另一個(gè)重要因素，高粘度阻礙了木質(zhì)素分子在溶劑中的擴(kuò)散，對(duì)木質(zhì)素的溶解十分不利.如圖1(c)所示，溶劑體系的粘度與木質(zhì)素溶解度的關(guān)系是:當(dāng)GD1∶3的粘度最低時(shí)，對(duì)于木質(zhì)素的溶解度最大.因此，選用GD1∶3溶劑體系用于分級(jí)木質(zhì)素.

(a)木質(zhì)素溶解度與溶劑極性參數(shù)的關(guān)系

(b)木質(zhì)素溶解度與溶劑氫鍵供受體的關(guān)系

(c)木質(zhì)素溶解度與溶劑粘度的關(guān)系圖1 木質(zhì)素中的溶解度與溶劑性質(zhì)的關(guān)系

2.2 分級(jí)木質(zhì)素的相對(duì)分子質(zhì)量

采用GD1∶3作為分級(jí)木質(zhì)素的溶劑體系，通過(guò)控制反向試劑水的添加量，得到了三組分級(jí)木質(zhì)素樣品.如圖2所示，與高分子量木質(zhì)素相比，低分子量具有更高的極性，在極性溶劑體系中具有更好的溶解性.在溶解大量木質(zhì)素的GD1∶3溶劑體系中，隨著反向試劑水的添加，分子量較高的木質(zhì)素組分由于其溶解度較低而更容易沉淀，因此，通過(guò)向含有木質(zhì)素的GD1∶3溶劑體系中逐漸加反向試劑水來(lái)實(shí)現(xiàn)不同相對(duì)分子量的木質(zhì)素組分的分離.

圖2 GVL/DES溶劑體系分級(jí)木質(zhì)素示意圖

分級(jí)木質(zhì)素的得率、相對(duì)分子量、多分散系數(shù)如表2所示.結(jié)果表明，隨著反向試劑添加量逐漸增加，分級(jí)木質(zhì)素各組分的得率逐漸增加，EHL-3的得率達(dá)到38.53%.與原始木質(zhì)素相比，分級(jí)木質(zhì)素的重均分子量(Mw)和數(shù)均分子量(Mn)均有明顯的遞減趨勢(shì)，多分散系數(shù)(PDI)也呈現(xiàn)了一定的下降趨勢(shì)，其中樣品EHL-3的相對(duì)分子量和PDI數(shù)值最小.

表2 分級(jí)木質(zhì)素的得率、分子量和多分散系數(shù)

2.3 分級(jí)木質(zhì)素樣品的結(jié)構(gòu)表征

分級(jí)木質(zhì)素樣品的紅外光譜圖如圖3所示.由圖3可知，3 450 cm-1出現(xiàn)了一段較寬的峰，這為木質(zhì)素的O-H伸縮振動(dòng)峰.在2 939 cm-1出現(xiàn)的吸收峰代表的是C-H的特征吸收峰，1 696 cm-1和1 233 cm-1兩處分別代表C=O和C-O伸縮振動(dòng)峰.在1 598 cm-1和1 509 cm-1兩處吸收峰為木質(zhì)素的苯環(huán)骨架振動(dòng).結(jié)果表明分級(jí)木質(zhì)素樣品的各特征吸收峰與原始木質(zhì)素基本保持一致，木質(zhì)素的官能團(tuán)并未因木質(zhì)素分級(jí)而發(fā)生改變，木質(zhì)素基本結(jié)構(gòu)保持不變.

圖3 分級(jí)木質(zhì)素組分的紅外光譜

分級(jí)木質(zhì)素的2D-HSQC NMR譜圖如圖4所示，其對(duì)應(yīng)的聯(lián)接結(jié)構(gòu)和基本結(jié)構(gòu)單元如圖5所示.其中，圖4 (a) 為脂肪鏈側(cè)鏈區(qū) (δC/δH50-90/2.5-6.0 ppm)，主要的聯(lián)接方式為β-O-4芳基醚鍵 (Aα、Aβ、Aγ)，其對(duì)應(yīng)的相關(guān)信號(hào)分別為δC/δH71.1/4.89、86.6/4.07和59.6/3.51 ppm.此外，還存在β-β聯(lián)接(B)，β-5和α-O-4聯(lián)接(C)等聯(lián)接鍵方式，以及阿魏酸酯(FA)和對(duì)香豆酸酯(PCE)的信號(hào)峰.圖4(b)為芳環(huán)區(qū) (δC/δH90-160/6.0-8.0 ppm)，其中愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)單元(G)的信號(hào)峰位于112.3/6.70、113.2/6.67、115.1/6.85和119.1/6.51 ppm，紫丁香基結(jié)構(gòu)單元(S)的信號(hào)峰位于103.7/6.65 ppm，對(duì)羥苯基單元(H)的信號(hào)峰位于121.6/7.07和127.4/7.07 ppm.

(b)分級(jí)木質(zhì)素組分的芳香環(huán)區(qū)域圖4 分級(jí)木質(zhì)素組分的2D-HSQC NMR譜圖

A：β-O-4醚鍵聯(lián)接結(jié)構(gòu)，γ位為羥基；B：樹(shù)脂醇結(jié)構(gòu)，由β-β、α-O-γ和γ-O-α聯(lián)接；C：苯基香豆?jié)M結(jié)構(gòu)，由β-5和α-O-4聯(lián)接；PCE：對(duì)香豆酸酯結(jié)構(gòu)； FA：阿魏酸酯結(jié)構(gòu)；H：對(duì)羥苯基結(jié)構(gòu)單元；H′：氧化的對(duì)羥苯基結(jié)構(gòu)單元；G：愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)單元；S：紫丁香基結(jié)構(gòu)單元圖5 木質(zhì)素聯(lián)接結(jié)構(gòu)及基本結(jié)構(gòu)單元

根據(jù)分級(jí)木質(zhì)素的2D-HSQC NMR譜圖的積分面積計(jì)算，聯(lián)接結(jié)構(gòu)及其基本結(jié)構(gòu)單元的相對(duì)含量如圖6所示.結(jié)果表明，隨著分級(jí)木質(zhì)素相對(duì)分子質(zhì)量的逐漸減少，S和H型基本結(jié)構(gòu)單元所占比例減少，G型基本結(jié)構(gòu)單元所占比例增多，即S/G值呈遞減趨勢(shì).此外，β-O-4芳基醚鍵所占聯(lián)接鍵比例呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而β-β聯(lián)接鍵所占比例則逐漸增加.

(a)分級(jí)木質(zhì)素組分的脂肪鏈側(cè)鏈區(qū)域

圖6 分級(jí)木質(zhì)素組分的聯(lián)接結(jié)構(gòu)及基本結(jié)構(gòu)單元的相對(duì)含量(A、B、C、H、G、S指代結(jié)構(gòu)同圖5)

2.4 分級(jí)木質(zhì)素的熱穩(wěn)定性能

分級(jí)木質(zhì)素的熱失重曲線及其相對(duì)應(yīng)的特征數(shù)據(jù)如圖7和表3所示.結(jié)果表明，與原始木質(zhì)素相比，分級(jí)木質(zhì)素的熱穩(wěn)定性降低，主要是由于溶解再生使木質(zhì)素的相對(duì)分子質(zhì)量發(fā)生較大改變，使其熱力學(xué)穩(wěn)定性降低.其中熱失重為10%的溫度 (T10%) 隨著相對(duì)分子質(zhì)量的下降而呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，600 ℃時(shí)的殘?jiān)?(R600) 也具有相同的趨勢(shì).

表3 熱失重為10% (T10%)，50%(T50%)時(shí)的熱降解溫度和600 ℃時(shí)的殘?jiān)?R600)

圖7 分級(jí)木質(zhì)素的TGA曲線

3 結(jié)論

基于γ-戊內(nèi)酯/低共熔溶劑綠色溶劑體系分級(jí)木質(zhì)素，得到了分子量逐漸降低的三種木質(zhì)素級(jí)分，所有級(jí)分顯示出比原始酶解木質(zhì)素更低的多分散性.隨著木質(zhì)素分子量的降低，對(duì)羥苯基單元及紫丁香基單元含量減少，愈創(chuàng)木基單元含量增加，且在分級(jí)木質(zhì)素中β-O-4聯(lián)接鍵為主要連接方式.γ-戊內(nèi)酯/低共熔溶劑作為綠色體系分級(jí)木質(zhì)素，可以作為一種有效途徑改善木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的不均勻性一.