【文献解读】Trends in Chemistry 从木质素到高值化学品的原子经济性的催化转化路径

木质素是一种具有多种功能化酚基结构单元的潜在的可再生资源。木质素衍生物中最重要的单体包括4-烷基苯酚，4-羟基苯甲醛、4-羟基苯甲酸和4-羟基肉桂酸/酯等。有效地将木质素和/或其单体转化为有价值的芳烃及其衍生物是至关重要的，这不仅可以推进木质纤维素生物精制的可持续发展，而且可以减少我们对化石原料的依赖。

近日，来自比利时鲁汶大学Bert F Sels教授等人总结了近年来木质纤维素的分馏和木质素解聚等方向的研究进展，并从中精选出了多种原子经济性的转化途径。

图文导读

如图1所示，作者首先简要介绍了木质纤维素的组成以及木质素的结构特点。木质素在木质纤维素中的比例约为15%-30%，其结构主要以苯酚类的结构单元为主。采用不同的催化降解方法多针对的木质素中的连结键不同，因此降解后的木质素单体的结构略有差异。图1中作者主要展示了目前研究最为深入的三种催化降解方法：木质素优先降解法，碱催化的木质素的降解和碱催化的木质素的氧化降解。

木质素催化降解的体系千千万，究竟哪种体系才是最优的一直没有定论。今天，作者引入了绿色化学十二原则中的原子经济性的概念来对这一体系进行评判，并对木质素催化降解体系中的原子经济性的计算方法进行了定义，如式I所示。同时，依据反应过程中废弃物的产量，作者还定义了E-factor来对其评判，如式II所示。

原子经济性的概念其实很好理解，作者列举了苯乙酮还原的例子。如上图所示，利用硼氢化钠进行还原，反应过程中产生NaOH和BH3作为废弃物，原子利用率仅为68.5%；而利用Pd/C催化的催化加氢法，反应过程中没有任何废弃物产生，原子利用率为100%。

基于原子经济性，作者随后详细讨论了几种较优的木质素降解体系，其中包括：木质素优先降解法；木质素的甲醛预处理随后再降解法；木质素酸性降解过程中的乙二醇保护法；碱性条件下的木质素的氧化降解法等。并对这些方法的发展和未来应用进行了简单讨论。

木质素的降解只是木质素利用的一个方面，降解产物的进一步利用也至关重要。在木质素降解产物的转化中，原子经济性的概念也很重要。如图4所示，目前所报道的催化体系中，较好的遵循原子经济性的催化体系包括四个方面：木质素单体到木质素二聚体的合成；木质素单体的选择性脱甲氧基和脱烷基；木质素单体的加氢脱氧反应和脱羧反应。

最后，作者对目前木质素催化领域所存在的问题进行了总结

Are we successful in fully understanding heterogeneities in lignin structure?

我们是否已经对木质素的复杂结构有了充分的理解？

Can the molecular structure of the lignin oligomers be fully unraveled?

木质素降解后的多聚体结构能否被完全揭示？

Do such lignin oligomers serve as potential feedstock for the production of value-added chemicals and new polymer building blocks?

木质素降解后的多聚体是否有可能成为未来高值化学品或高分子中间体的潜在原料？

Can an atom efficient one-pot catalytic process be developed for lignin conversion towards drop-in chemicals?

原子经济性的一锅法能否成功将木质素转化为现代化工原料的替代品？

Can the formation of lignin depolymerization products be traced and quantified by analytical techniques in real time?

木质素降解产物的追踪与定量能否实现在线分析？

Is the definition of atom efficiency sufficient to ultimately achieve a sustainable process?

原子经济性的转化过程一定是可持续的么？

原文链接：

https://www.cell.com/trends/chemistry/fulltext/S2589-5974(20)30181-7

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