关于木质素分子结构对脱甲基化活化作用影响机制的研究

《International Journal of Biological Macromolecules》：Study on the influencing mechanisms of lignin molecular structure on demethylation activation

本研究通过AlCl3处理不同来源的木质素，系统分析其分子结构（G/S/H型单元）对脱甲基效率的影响，发现G型单元活性高于S型，H型存在时S型活性增强。结果验证了结构-活性关系，为提升木质素吸附（Cr(VI)去除）和抗氧化性能的功能化应用提供理论依据。

雷旭|王敖|陈晓红|韩颖

辽宁木质纤维素化学与生物材料重点实验室，大连工业大学，中国辽宁大连116034

摘要

木质素脱甲基化机制的不清晰，尤其是木质素结构的影响不明确，严重限制了木质素研究和应用的进展。为了解决这个问题，使用AlCl₃作为脱甲基化试剂，对具有不同分子结构特征的多种木质素进行了脱甲基化处理，并进行了全面的表征。随后，通过测量Cr(VI)离子吸附能力和抗氧化活性等系统评估，建立了反馈验证机制，以阐明结构特征如何影响脱甲基化效率。总体而言，所有类型的木质素都可以进行脱甲基化活化。然而，酚羟基含量的增加程度存在显著差异。其中，碱提取脱甲基化的松木木质素（DAL）表现出最高的酚羟基含量增加。在桉树木质素中，桂酰（G型）单元比丁香酰（S型）单元更容易与AlCl₃反应发生脱甲基化活化。当稻草木质素中含有

-羟基苯基（H型）单元时，S型单元的脱甲基化活性增强。此外，所有四种木质素都经历了相对严重的降解。与桉树和稻草木质素相比，仅由G型单元组成的碱提取脱甲基化松木木质素（DAL-P）和有机溶剂提取松木木质素（DOL）表现出相对严重的降解和较低的β-O-4键保留率。这可以归因于它们的空间位阻较小。当用作吸附剂和抗氧化剂时，其性能的提高与羟基含量的变化密切相关，从而验证了上述结论。本研究为调控木质素分子结构和脱甲基化研究提供了理论基础。

引言

木质素是生物质的三大主要成分之一，是一种可再生的酚类聚合物，在自然界中广泛存在，存在于硬木、软木和草本植物中[1]、[2]、[3]。它通过各种连接（C-C或C-O键）形成三维网络大分子，这些连接将苯丙烷结构单元连接起来[4]、[5]。这些结构单元主要分为三种类型：丁香酰（S型）、桂酰（G型）和

-羟基苯基（H型）[6]、[7]。来自不同生物质材料的木质素在化学结构和性质上存在显著差异。此外，木质素包含多种官能团，如酚羟基、脂肪羟基、羰基、羧基和甲氧基[8]。其中，酚羟基是最主要的反应性官能团。大量研究表明，通过修饰木质素或将其与其他材料复合，可以生产出具有增强性能的功能性聚合物材料。这有助于优化能源结构、提高经济效益和实现资源的可持续利用[9]、[10]、[11]。此外，木质素具有优异的生物相容性，在体内引起的免疫反应最小，并且在抑制肿瘤生长和诱导细胞凋亡方面表现出巨大潜力，使其成为生物医学应用中极具前景的材料[12]、[13]、[14]。然而，木质素分子中的羟基含量有限。另外，由于酚羟基主要分布在木质素分子中甲氧基的邻位，它们受到空间位阻效应的显著影响，从而降低了其反应活性。因此，木质素的功能修饰和应用受到限制[15]、[16]、[17]。因此，木质素分子的活化策略引起了广泛的研究关注。

木质素的活化方法主要包括解聚、酚化、胺化和脱甲基化[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。刘等人使用含有过氧化氢（H₂O₂）和氢氧化钠（NaOH）的深共晶溶剂来降解从杨木粉中提取的木质素，得到了降解后的深共晶溶剂木质素（DES-木质素）。降解后，DES-木质素的酚羟基含量增加了39.62%，而其分子量（M_w）和数均分子量（M_n）分别降低了49.12%和47.83%[23]。曹等人开发了一种三元深共晶溶剂（DES: ChCl-FA-OA）用于甘蔗渣木质素的酚化。在最佳条件（120?°C，4?h，ChCl-FA-OA = 1:2:1）下，酚羟基含量增加了50.4%，反应活性显著提高[24]。刘等人通过Mannich反应使用乙二胺和甲醛优化了碱木质素的胺化，形成了芳香环和侧链上的C-N/C-N⁺键。吡啶氮的含量从9.4%增加到35.7%，最大氮含量达到5.81?wt%，热稳定性也得到了显著提高[25]。

木质素脱甲基化是一种关键的活化策略，其中甲氧基（-OCH₃）通过脱甲基化试剂转化为酚羟基（-OH）[26]、[27]。这一过程不仅调节了木质素的物理化学性质（如极性和亲水性），还提高了其合成功能性材料（如树脂和粘合剂）的反应活性[9]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。Chung等人使用氢溴酸（HBr，48%水溶液）作为试剂和三丁基十六烷基膦溴化物（TBHDPB）作为催化剂，实现了碱木质素的脱甲基化。改性后的木质素酚羟基含量增加了28%。随后，将其与聚乙烯亚胺（PEI）混合，制备出了机械性能显著提高的木材粘合剂[33]。Br?nsted酸作为脱甲基化活化试剂的反应机理如图1a所示。Song等人使用碘环己烷作为脱甲基化试剂，在145?°C下原位生成路易斯酸处理碱木质素3?h，然后与甲醛共聚，合成了基于木质素的酚醛树脂。结果清楚地表明，脱甲基化后，木质素中甲氧基的相对含量从0.82降低到0.17，同时酚羟基含量增加了2.08倍。这伴随着凝胶时间的显著减少和酚醛树脂粘合强度的显著提高[34]。路易斯酸作为脱甲基化活化试剂的反应机理如图1b所示。现有研究表明，在脱甲基化过程中，不可避免地会发生不同程度的副反应，如降解和缩聚[35]。控制反应时间和脱甲基化试剂的类型可以直接影响脱甲基化活化的效率，包括羟基含量的增加和副反应的程度。现有的路易斯酸主要包括LiBr、AlI₃、碘环己烷、BBr₃和AlCl₃[34]、[35]、[36]、[37]。其中，只有AlCl₃被报道对甲氧基的选择性控制有一定效果。因此，在本研究中选择了AlCl₃作为脱甲基化试剂进行研究。然而，木质素脱甲基化的活化机制尚不清楚，导致特定脱甲基化方法在不同木质素类型之间的普适性有限。因此，阐明木质素分子结构对其活化机制的影响至关重要[9]、[15]。（见表1。）

为了解决这个问题，本研究通过碱法制浆或有机溶剂方法从硬木（桉树）、软木（松木）和草本植物（稻草）中提取了具有不同结构特征的木质素[38]。使用AlCl₃作为试剂进行脱甲基化处理，以研究木质素结构对活化效果的影响[39]，实验设计如图1c所示。结果表明，脱甲基化处理显著增加了来自桉树、松木和稻草的木质素中的羟基含量。在硬木中，G型结构单元的脱甲基化反应活性高于S型结构单元。在草本植物中，由于存在H型结构单元，S型结构单元的反应活性得到增强。本研究建立了木质素脱甲基化活化的机制框架，促进了其在环境和材料科学中的高价值应用，并提供了阐明木质素分子结构与脱甲基化机制之间结构-活性关系的实际策略。

材料

材料

以桉树、稻草和松木为原料，分别采用碱法和有机溶剂法提取了碱木质素（AL）和有机溶剂木质素（OL）。所有化学试剂包括去离子水（H₂O）、乙醇（C₂H₅OH）、盐酸（HCl）、二甲基亚砜（DMSO）、乙酸酐（C₄H₆O₃）、吡啶（C₅H₅N）、四氢呋喃（THF）、重铬酸钾（K₂Cr₂O₇）、硫酸（H₂SO₄）、磷酸（H₃PO₄、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和铝

木质素的结构表征

为了研究木质素来源、提取方法和脱甲基化活化反应对木质素化学结构的影响，本研究系统分析了八种木质素样品的特征吸收峰的变化，即碱提取的桉树木质素（AL-E）、碱提取的稻草木质素（AL-S）、碱提取的松木木质素（AL-P）、有机溶剂提取的松木木质素（OL-P）、碱提取脱甲基化的桉树木质素（DAL-E）等

结论

总之，木质素的分子结构显著影响其脱甲基化的效率。本研究采用多样化的生物质资源利用策略，使用碱法和有机溶剂法从三种代表性原料（桉树、稻草和松木）中提取木质素。通过AlCl₃进行脱甲基化处理实现了功能改性，并采用先进的表征技术系统地阐明了这一过程中的结构演变

CRediT作者贡献声明

雷旭：撰写——原始稿件、软件、方法学、研究、数据管理。王敖：软件、研究。陈晓红：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、概念构思。韩颖：撰写——审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号22578422）、2025年国内访问学者“教师专业发展项目”（FX2025044）和浙江科技大学基础科学研究业务经费专项基金（编号2025QN048）的支持。