中国网/中国发展门户网讯 （记者 王振红）木质纤维素是自然界中储量最丰富的可再生原料，广泛来源于木材、竹材、秸秆等，主要由纤维素、半纤维素和木质素（简称“三素”）组成。记者从中国科学院大连化学物理研究所（简称“大连化物所”）获悉，近日，王峰研究员团队在木质纤维素三素分离和高值化利用方向取得重要突破。该团队针对木质素分离中易发生低值化自缩合等难题，设计并开发了催化木质素芳基化的三素分离（CLAF）技术。利用木质素易缩合的倾向，通过引入具有高亲核活性的木质素衍生酚，大幅提高木质素发生缩合反应的选择性。基于CLAF技术提取的芳基化木质素通过催化解聚，可制备环境友好的可再生双酚及寡聚酚。联产的纤维素组分和半纤维素糖可分别转化为高纯溶解浆和木糖/糠醛。该策略源于对木质素自缩合反应本质的新认识，采用催化反应手段，解决了在木质纤维素绿色精炼过程中三组分高效分离并高值化利用的难题。该研究成果在助力非石化资源高值化利用的同时，有望弥补我国生物质原料利用不充分、生物质基材料进口依存度高等问题。相关成果于5月29日发表在《自然》杂志上。

木质纤维素三素催化精炼新策略

据了解，木质纤维素作为可再生化工原料使用的关键难题是，如何高质量地分离三素以获取规模化利用的原料，供下游转化使用。例如，在近两千年历史的造纸法中，分离出竹、麻、秸秆等中的纤维组分（以纤维素和半纤维素为主）用于造纸；现代化学法制浆造纸中，分离出的纤维素浆约占生物质总量的一半，而占总量20%-30%的木质素发生不可控缩聚，难以高值化利用。作为最具利用价值的可再生碳资源，木质纤维素三素如果无法充分利用，将限制生物质化工发展的经济性和环境友好性。

“我们在研究中发现，木质纤维素利用不充分的重要原因是，木质素在反应过程中容易发生自身缩合，即不可控地形成分子间和分子内的碳碳键交联。这是天然木质素的本征化学特性，就像五六岁的小孩子，天生充满好奇，爱调皮，这是本性。对于木质纤维素，木质素在反应过程中容易自缩合也是本性。”该论文的第一作者李宁介绍道。

解决木质素高值化的新思路

大连化物所的研究团队重新思考了木质素缩合反应的“弊”和“利”，认为利弊是相对的，不存在绝对有利的反应或者绝对有害的反应。木质素发生自缩合反应从化学上可归为芳基化反应，而芳基化反应本身并不是一件“坏事”，与其采用“堵”的方法抑制木质素缩合，不如利用木质素结构中存在自缩合反应位点的“优势”，解决芳基化反应选择性的问题。因此，该团队“因势利导”地引入与木质素结构类似且具有高亲核活性的酚类化合物，在分离过程中，酚与木质素发生选择性芳基化反应，阻止木质素无序自缩合过程。木质素芳基化改性后，溶解性显著提高，可与纤维素、半纤维素组分高效分离，同时保留了自身活性芳基醚结构，更有利于后续催化解聚。

此外，该团队高度关注本项研究的应用出口，从终端市场角度思考木质素催化转化。当前研究中，主流路线是通过定向催化解聚木质素中C–O键和C–C键生成单酚化合物，而当前热固树脂（环氧树脂）和热塑树脂（聚碳酸酯、聚芳酯等）生产的主要酚类原料为双酚A（BPA），而非单酚化合物。该团队从产品的终端市场需求出发，明确了直接催化解聚木质素制备双酚的研究方向。基于芳基化木质素的结构特性，开辟了一条芳基迁移的催化解聚路线，将CLAF处理后的木质素组分直接催化解聚为木质素基双酚。将此类双酚与BPA进行初步比较研究，发现其材料学性能基本相当，其内分泌干扰活性显著下降，生物安全性可提高100倍以上，具有优良的市场应用前景。

催化木质素芳基化的三素分离（CLAF）研究思路

“大有可为”的高值化产品

大连化物所发展的CLAF技术以木质纤维素为原料，以高品质溶解浆、半纤维素糖、木质素双酚/聚合材料等作为重要出口。溶解浆中纤维素纯度高达95%以上，可替代棉花，提供纺织原料、药辅原料等；半纤维素糖可用于功能性糖、糠醛及其衍生物等重要平台化合物的生产，将有效拓宽半纤维素原料来源；木质素双酚及寡聚酚，虽暂无规模化应用，现阶段的研究结果已经展现出其替代石化基BPA的巨大潜力。作为热固性聚合物和热塑性聚合物的重要前体，木质素基双酚有望在涂料、胶黏剂、通用塑料和工程塑料领域提供可再生和环境友好的产品方案。

“我国去年进口了300多万吨溶解浆，进口依存度接近90%；木糖和糠醛类产品的市场需求量有50多万吨；BPA的国内需求也在400万吨左右。木质纤维素下游产品市场是明确的，现在主要问题是如何经济、绿色地做好三素分离技术。在这条路上我们需要做的还很多，比如在木质纤维素原料的筛选、反应过程减碳、催化剂和反应器的设计、产品纯化分离等方面我们还需要持续创新，不断突破。”王峰研究员说。

本工作瞄准新质生产力和低碳社会的发展趋势，通过三素分离新方法得到的原料可以降低相关产业对化石资源的依赖。结合我国可再生资源的整体分布趋势，亟需发展基于本地资源的生物质转化技术，CLAF三素分离技术可充分利用不同地区的生物质原料，推动相关产业本土化发展。

分离后的产物