潘学军教授团队2020年工作总结

潘学军，美国威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison）生物系统工程系（Biological System Engineering）终身教授，国际木材科学院院士，主要研究领域为：1. 木质纤维素的预处理、分离制备化学品和生物燃料；2. 纤维素和木质纤维素的水解糖化（酶解和非酶水解）；3. 纤维素、半纤维素、木质素制备功能性材料。

1. Green Chemistry: 酸性溴化锂水溶液中醚键断裂和木质素脱甲基机理研究

高浓度溴化锂(LiBr)水溶液（~60 wt%）粘度低、沸点高、能够增强酸度、且能高效润胀和溶解纤维素和木质纤维素生物质。研究表明，木质素也可以在LiBr溶液中显著解聚， β-O-4醚键大量断裂。本文研究了木质素中其它醚键在酸性溴化锂水溶液（ACLB）中的断裂，并应用于木质素脱甲基制备富含酚羟基的活性木质素，深入揭示了木质素中各类醚键在LiBr溶液中的断裂规律和机理。结果表明，木质素中β-5和 β-β结构中的α-O-4及α-O-γ醚键（与四氢呋喃类似）能在ACLB体系中断裂，其中α-O-4醚键只能从α碳一侧断裂，α-O-γ醚键两侧均可断裂。但双酚结构中的4-O-5醚键无法通过S_N2途径断裂（与二苯醚类似）。证据显示β-O-4醚键并非和其它醚键一样通过SN2途径断裂，而是主要遵循传统的反应机理，即经苄基阳离子及烯醇醚结构中间体转化为Hibbert酮（Hibbert ketone, HK）或苯并二𫫇烷 (Benzodioxane, BD)。

原文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/gc/d0gc02581j

2. Cellulose:沸石催化纤维素在溴化锂溶液中均质水解制备葡萄糖

沸石作为新型固体酸催化剂已被用于纤维素水解制备糖平台化合物葡萄糖，但沸石催化纤维素水解为固固反应，有效传质有限，因此沸石的水解性能往往不如无机酸，且催化剂用量较高。前期研究表明，酸性溴化锂水溶液（添加硫酸或盐酸）能有效溶解纤维素并增强酸催化剂的酸度，进而强化纤维素的酸水解。本文研究了沸石催化纤维素在溴化锂水溶液中的均质水解，以减少沸石的用量，提高沸石的催化性能。研究表明，沸石的酸度直接影响其催化性能，酸位点上的氢通过与锂离子交换并释放氢质子至溶液中催化纤维素水解。沸石用量仅2%就能催化纤维素水解（140 °C，3 h）至寡糖和葡萄糖，其中葡萄糖得率高达61%。回收的沸石经再生后能重新用于纤维素的催化水解。

原文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-020-03411-3

3. Catalysis Reviews : 固体酸催化纤维素水解制备葡萄糖研究进展

纤维素经催化水解制备糖平台化合物葡萄糖是木质纤维素生物炼制中的关键反应。本文综述了近年来关于固体酸催化纤维素水解的研究进展，深入分析了影响固体酸催化性能的关键因素，分别是酸性催化位点、固体框架的多孔性、与纤维素底物的吸附亲和性、固体酸的水热稳定性及可回收性，详细讨论了提高固体酸催化活性、增大纤维素底物吸附亲和性、强化固体酸水热稳定性及可回收性的策略方法，深入探讨了固体酸与纤维素的吸附作用机理。

原文链接：

https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/01614940.2020.1819936

4. Current Medical Chemistry: 半纤维素基水凝胶在生物医学中的应用-综述

半纤维素是由木糖、阿拉伯糖、甘露糖等多种糖单元构成的异质多糖。由于半纤维素含有大量羟基，使其易于化学改性（醚化、酯化、化学交联等），另外半纤维素亲水性强、可生物降解、且生物相容性较高，因此非常适合用于制备水凝胶类智能材料。本文总结了三类热门的半纤维素基水凝胶：刺激响应型智能水凝胶；可生物降解型水凝胶；可生物相容型水凝胶。然后综述了各类半纤维素基水凝胶的制备方法及其在药物载送和组织工程中的应用（关节软骨、细胞固定、伤口敷料等）。

原文链接：

https://doi-org.ezproxy.library.wisc.edu/10.2174/0929867327666200408115817

5. Advanced Functional Materials: 二型纤维素气凝胶应用于摩擦纳米发电机

前期研究表明，溴化锂熔盐水合物（LiBr·3H₂O）能够有效润胀溶解纤维素，纤维素可通过溶解-胶化-再生三步制备三维的纳米水凝胶或气凝胶（DOI: 10.1021/acssuschemeng.9b04032）。制备而得的纤维素气凝胶具有内部联通的三维网络结构，密度较低，比较面积较大（达221.3 m²/g），多孔性极高。基于此，本文将该种方法制备的二型纤维素气凝胶应用于摩擦纳米发电，结果表明该气凝胶具有极佳的机械响应灵敏性和电力输出性能。通过引入其他多糖（如壳聚糖和海藻酸）制备而得的复合纤维素气凝胶具有吸电子基团和推电子基团，因此进一步提高了纳米发电的性能，发电装置能够点亮发光二极管、商用电容器，供计算器使用，监测人体运动。该研究表明，通过溴化锂熔盐水合物可快速制备二型纤维素气凝胶并作为纳米发电机发电，是性能较高且环保的能量收集和自供给装置。

原文链接：

https://doi-org.ezproxy.library.wisc.edu/10.1002/adfm.202001763

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