趙新坤， 李赫龍， 佘 雕*， 孫潤(rùn)倉(cāng)

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 陜西 楊凌 712100； 2. 北京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 北京 100083)

化石燃料的日趨匱乏及其利用過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題，使可再生資源受到越來(lái)越多的關(guān)注，其中生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為化學(xué)品、燃料和材料方面的應(yīng)用成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)[1]。植物體中一般含木質(zhì)素15 %～36 %，全世界每年可產(chǎn)生木質(zhì)素的量達(dá)6×1017kg，作為地球上產(chǎn)量?jī)H次于纖維素的天然大分子有機(jī)物，木質(zhì)素蘊(yùn)藏著巨大的應(yīng)用前景[2-4]。木質(zhì)素是一種酚類多聚體，是維管植物細(xì)胞壁的重要組成成分，具有機(jī)械支持、水分運(yùn)輸和抵抗病菌侵襲等重要生物學(xué)功能[5-8]。在植物細(xì)胞壁中，纖維素與半纖維素聚集成纖絲束狀，木質(zhì)素填充其中，并結(jié)合多種結(jié)構(gòu)蛋白與其他多糖形成堅(jiān)固的聚合液晶結(jié)構(gòu)[9]。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，木質(zhì)素的分離降解成為最關(guān)鍵的技術(shù)難題[10]，比如，木質(zhì)素不容易被動(dòng)物消化，其種類和含量很大程度上決定了作為飼料的農(nóng)產(chǎn)品能否被高效利用[11]；在制漿造紙過(guò)程中木質(zhì)素很難與纖維素分離，不僅耗費(fèi)能源，而且成本高，廢棄物污染環(huán)境[1]。因此，木質(zhì)素的高效分離和充分轉(zhuǎn)化利用是當(dāng)前木質(zhì)纖維工業(yè)及生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的客觀要求，也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與升級(jí)的重要戰(zhàn)略之一。木質(zhì)素是一種異質(zhì)聚合體，主要由對(duì)香豆醇、松柏醇和芥子醇3種單體的衍生物組成。植物中木質(zhì)素的生物合成以苯丙烷為起始，經(jīng)過(guò)一系列羧基化、甲基化、還原反應(yīng)和醚鍵、碳-碳鍵連接最終生成上述3種不同甲基化程度的木質(zhì)素單體。3種單體經(jīng)氧化生成相應(yīng)的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元：對(duì)-羥基苯基單元(H)、紫丁香基單元(S)和愈創(chuàng)木基單元(G)。3種木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元之間再通過(guò)聚合作用生成高分子化的木質(zhì)素[12]。隨著對(duì)木質(zhì)素合成途徑的深入研究，研究人員發(fā)現(xiàn)除了以上3種基本結(jié)構(gòu)單元以外，還有其他形式的單體也參與木質(zhì)素的聚合過(guò)程[13]，如有研究發(fā)現(xiàn)許多植物中存在相當(dāng)比例的乙?；哪举|(zhì)素單體[14]，同時(shí)Ralph等[15]的研究還發(fā)現(xiàn)了自由基偶聯(lián)反應(yīng)生成的阿魏酸及其脫氫二聚體等。已有相關(guān)研究證明通過(guò)在轉(zhuǎn)基因植物中減少木質(zhì)素含量或者改變木質(zhì)素結(jié)構(gòu)組成可以明顯提高制漿效率和生物乙醇的轉(zhuǎn)化率[16-20]。這些生物質(zhì)特性的改變可能與木質(zhì)素組成和結(jié)構(gòu)相關(guān)，也可能與木質(zhì)素和半纖維素之間的相互作用有關(guān)[14]。木質(zhì)化過(guò)程其實(shí)就是木質(zhì)素單體或者低聚物之間自由基耦合的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程通常發(fā)生在細(xì)胞壁中多糖生成之后[21]。盡管木質(zhì)素的研究已有很長(zhǎng)時(shí)間，然而其生物合成過(guò)程仍然存在很多未知領(lǐng)域，木質(zhì)素的生物合成途徑及機(jī)理至今仍是一個(gè)爭(zhēng)議較多的研究領(lǐng)域。因此，深入了解木質(zhì)素在植物體中的形成過(guò)程、機(jī)理、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)等，并經(jīng)人工合成木質(zhì)素模型化合物，不僅是木質(zhì)素研究理論上的重要突破，而且也會(huì)對(duì)有效分離、脫除木質(zhì)素及其開(kāi)發(fā)利用提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)指導(dǎo)。筆者以研究木質(zhì)素合成為目的，簡(jiǎn)單介紹了木質(zhì)素單體的合成途徑和單體聚合的2種理論，重點(diǎn)介紹了木質(zhì)素模型物合成研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

1 木質(zhì)素生物合成

1.1木質(zhì)素單體的生物合成途徑

木質(zhì)素的生物合成途徑大致分為2步：1)木質(zhì)素單體的合成，此過(guò)程是在細(xì)胞質(zhì)中完成的；2)由細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到木質(zhì)素沉積位點(diǎn)的木質(zhì)素單體聚合成具有生物活性的木質(zhì)素[17, 22-24]。目前，對(duì)于木質(zhì)素單體的生物合成途徑已達(dá)成廣泛共識(shí)，普遍認(rèn)為可分為3種主要途徑：1)由植物光合作用初級(jí)產(chǎn)物葡萄糖生成苯丙氨酸、酪氨酸(禾本科植物)和色氨酸等的莽草酸途徑；2)從苯丙氨酸到肉桂酸及其酰基輔酶A酯的苯丙烷類代謝途徑；3)從肉桂酰輔酶A酯還原為木質(zhì)素單體途徑。其中，第三種合成途徑生成的木質(zhì)素單體經(jīng)過(guò)聚合作用生成木質(zhì)素的過(guò)程，稱為木質(zhì)素合成特異途徑[17, 25-27]。木質(zhì)素生物合成過(guò)程中起主要作用的是苯丙烷類代謝途徑和木質(zhì)素合成特異途徑，同時(shí)這2種途徑也是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。木質(zhì)素單體的合成過(guò)程極其復(fù)雜，存在多基團(tuán)、多途徑交互作用，有十幾種酶參與了木質(zhì)素單體合成的調(diào)控，其中多數(shù)酶的生理功能已被研究清楚并定位于合成途徑中的相應(yīng)位置上。目前的研究認(rèn)為，被子植物中木質(zhì)素單體合成的最優(yōu)路徑為：苯丙氨酸經(jīng)過(guò)L-苯丙氨酸解氨酶(PAL)催化脫氨基生成苯丙烯酸，苯丙烯酸經(jīng)過(guò)肉桂酸- 4-羥基化酶(C4H)催化苯羥基化生成對(duì)香豆酸，對(duì)香豆酸與輔酶A連接酶(4CL)生成中間產(chǎn)物對(duì)香豆酰基-輔酶A，之后經(jīng)過(guò)多種酶催化發(fā)生苯羥基化反應(yīng)，對(duì)香豆?；?輔酶A的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)連接鄰位雙羥基，經(jīng)過(guò)兒茶酚-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(COMT)和咖啡酰-輔酶A甲基轉(zhuǎn)移酶基因(CCoAOMT)催化將羥基發(fā)生甲基化生成甲氧基，生成的阿魏酰-輔酶A經(jīng)過(guò)肉桂酰輔酶A還原酶(CCR)催化脫去輔酶A生成松柏醛，而作為重要中間產(chǎn)物的松柏醛，一方面可以經(jīng)過(guò)肉桂醇脫氫酶(CAD)和硬脂酰ACP去飽和酶(SAD)催化生成松柏醇(G型結(jié)構(gòu)單體)，另一方面可以經(jīng)過(guò)阿魏酸-5-羥基化酶(F5H)催化發(fā)生苯羥基化反應(yīng)生成5-羥基松柏醛，之后經(jīng)過(guò)COMT催化發(fā)生羥基甲基化反應(yīng)生成芥子醛，芥子醛在CAD和SAD催化作用下經(jīng)過(guò)還原生成芥子醇(S型結(jié)構(gòu)單體)。在不同的物種和環(huán)境下，對(duì)香豆?；?輔酶A可以經(jīng)過(guò)CCR催化生成對(duì)香豆醛，而后經(jīng)過(guò)CAD和SAD催化發(fā)生還原反應(yīng)生成對(duì)香豆醇(H型結(jié)構(gòu)單體)，該路徑也偶有發(fā)生。而直接通過(guò)對(duì)香豆酸催化生成咖啡酸，后經(jīng)過(guò)苯羥基化反應(yīng)和羥基甲基化反應(yīng)生成阿魏酸，生成阿魏酸與輔酶A結(jié)合生成中間產(chǎn)物再經(jīng)過(guò)脫輔酶和還原生成松柏醇的路徑很少發(fā)生[5]。

1.2木質(zhì)素單體的聚合

植物細(xì)胞壁的木質(zhì)化過(guò)程本質(zhì)就是木質(zhì)素單體通過(guò)聚合形成木質(zhì)素大分子的過(guò)程。木質(zhì)素聚合體的形成究竟是木質(zhì)素單體的隨機(jī)聚合還是受到嚴(yán)格調(diào)控，成為近年來(lái)爭(zhēng)論的一個(gè)焦點(diǎn)[5, 17, 28-31]。目前，有關(guān)木質(zhì)素聚合體的形成過(guò)程主要有2種理論學(xué)說(shuō)：隨機(jī)聚合學(xué)說(shuō)和嚴(yán)格調(diào)控學(xué)說(shuō)。

1.2.1隨機(jī)聚合學(xué)說(shuō) 早期的一些研究者認(rèn)為木質(zhì)素聚合體是游離分子偶聯(lián)聚合的產(chǎn)物。Freudenberg于1965年首次提出了隨機(jī)聚合理論的雛形，他認(rèn)為木質(zhì)化的起始階段是由2個(gè)相同木質(zhì)素單體經(jīng)脫氫聚合開(kāi)始的，所形成的二聚體進(jìn)一步與木質(zhì)素單體和低聚物經(jīng)過(guò)交聯(lián)偶合反應(yīng)形成木質(zhì)素大分子[32]。此理論認(rèn)為該過(guò)程中沒(méi)有生物化學(xué)因素的控制，而僅是木質(zhì)素單體的自由基耦合過(guò)程，產(chǎn)生了一系列的無(wú)特定化學(xué)結(jié)構(gòu)序列的外消旋聚合物，并采用松柏醇與蟲(chóng)漆酶在有氧條件下合成了木質(zhì)素脫氫聚合物(DHP)。后來(lái)Freudenberg又發(fā)現(xiàn)過(guò)氧化物酶/H2O2也有脫氫作用，并且發(fā)現(xiàn)在植物中過(guò)氧化物酶是木質(zhì)化作用的有效酶[28]。隨后，Sarkanen和Ludwig的研究也證實(shí)了這一理論[33]。體外模擬的隨機(jī)聚合方式可以大致模擬植物體內(nèi)木質(zhì)素的組裝過(guò)程，這種體外木質(zhì)素分子的形成取決于不同單體之間的比例、偶聯(lián)反應(yīng)機(jī)率、DHP中多糖的存在等[34-35]。目前，該學(xué)說(shuō)的代表人物為John Ralph，他認(rèn)為木質(zhì)素單體聚合是一個(gè)酚類自由基在簡(jiǎn)單化學(xué)和物理控制條件下的交聯(lián)過(guò)程，由于木質(zhì)素單體及其聚合物產(chǎn)生的自由基會(huì)發(fā)生共振離域作用且可以在不同的化學(xué)部位交聯(lián)，所以是自由基的一個(gè)“隨機(jī)組合”過(guò)程。Ralph將該理論定名為“組合自由基交聯(lián)理論”，其中最重要的反應(yīng)是木質(zhì)素單體的β-O-4直鏈末端和聚合體的酚基末端之間的交聯(lián)反應(yīng)[5]。他認(rèn)為在細(xì)胞質(zhì)中合成的木質(zhì)素單體會(huì)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞壁產(chǎn)生脫氫作用而形成自由基，這些脫氫后的酚類自由基雖然由于電子離域作用而改變了芳環(huán)及其共軛側(cè)鏈β位的電子密度使單體性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，但是彼此之間可以相互耦合，通過(guò)氧化交聯(lián)反應(yīng)與已經(jīng)形成的聚合體連接從而延伸木質(zhì)素的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，Ralph還在理論上推算出了木質(zhì)素單體交聯(lián)聚合的過(guò)程及其主要產(chǎn)物，主要有5種。 第一種是松柏醇脫氫聚合，酚羥基自由基、苯環(huán)5位自由基與β位自由基隨機(jī)發(fā)生聚合偶聯(lián)反應(yīng)。酚羥基自由基與β位自由基偶聯(lián)生成β-O-4連接鍵的木質(zhì)素二聚體模型化合物G-β-O-4-G，此類連接鍵在木質(zhì)素中含量最多；β位自由基與苯環(huán)5位自由基發(fā)生隨機(jī)聚合反應(yīng)生成含有β-5的二聚體G-β-5-G；2個(gè)不同分子上的β位自由基發(fā)生偶合反應(yīng)生成含有β-β連接鍵的二聚體G-β-β-G。需要特別注意的是，2個(gè)酚羥基自由基之間、2個(gè)苯環(huán)5位自由基之間、苯環(huán)5位自由基與酚羥基自由基之間無(wú)法發(fā)生聚合偶聯(lián)反應(yīng)。第二種是芥子醇脫氫聚合，不同于松柏醇在苯環(huán)3位上連接有1個(gè)甲氧基，芥子醇在苯環(huán)3、5位各含有1個(gè)甲氧基，所以在苯環(huán)5位上無(wú)自由基，芥子醇脫氫聚合只能發(fā)生在β位自由基和酚羥基自由基位置上。β位自由基之間發(fā)生偶合反應(yīng)生成含有β-β連接鍵的二聚體S-β-β-S；β位自由基與羥基自由基發(fā)生隨機(jī)聚合反應(yīng)生成含有β-5的二聚體S-β-5-S。同樣的，2個(gè)酚羥基自由基之間無(wú)法發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)。第三種是木質(zhì)素單體與木質(zhì)素大分子G型末端發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)。由于木質(zhì)素大分子末端結(jié)構(gòu)單元無(wú)β位自由基，所以只能發(fā)生單體β位自由基與大分子末端結(jié)構(gòu)單元的酚羥基及苯環(huán)5位自由基之間的偶合反應(yīng)。β位自由基與羥基自由基發(fā)生隨機(jī)聚合反應(yīng)生成含有β-O-4的多聚體G(S)-β-O-4-G；β位自由基與苯環(huán)5位自由基發(fā)生隨機(jī)聚合反應(yīng)生成含有β-5的多聚體G(S)-β-5-G。但是，單體與多聚體之間無(wú)法發(fā)生單體苯環(huán)5位自由基與大分子末端苯環(huán)5位自由基之間的偶合反應(yīng)。第四種是木質(zhì)素單體與木質(zhì)素大分子S型末端發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)。木質(zhì)素大分子末端結(jié)構(gòu)單元無(wú)β位自由基和苯環(huán)5位自由基，所以只能發(fā)生單體β位自由基與大分子末端結(jié)構(gòu)單元的酚羥基之間的偶合反應(yīng)。單體β位自由基與大分子羥基自由基發(fā)生隨機(jī)聚合反應(yīng)生成含有β-O-4的多聚體G(S)-β-O-4-S。第五種是低聚體的交聯(lián)。木質(zhì)素單體結(jié)構(gòu)單元之間不能發(fā)生苯環(huán)5位自由基的偶合反應(yīng)及酚羥基自由基和苯環(huán)5位自由基之間的偶合反應(yīng)。而木質(zhì)素低聚物之間能通過(guò)酚羥基自由基和苯環(huán)5位自由基之間發(fā)生自由偶合反應(yīng)。木質(zhì)素中含有的5-5連接鍵和4-O-5連接鍵能且只能通過(guò)木質(zhì)素低聚物之間的偶合反應(yīng)得到，而不能通過(guò)單體與單體或者單體與低聚物反應(yīng)得到[5]。

1.2.2嚴(yán)格調(diào)控學(xué)說(shuō) Davin和Lewis不贊成隨機(jī)聚合學(xué)派關(guān)于木質(zhì)素是自由基交聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)物的理論，于1990年提出嚴(yán)格調(diào)控學(xué)說(shuō)，該學(xué)說(shuō)認(rèn)為木質(zhì)素主體結(jié)構(gòu)在形成過(guò)程中受 “蛋白質(zhì)排列點(diǎn)位的掩護(hù)陣列”控制并進(jìn)行模板復(fù)制[29]。因?yàn)槟举|(zhì)素單體的沉積表現(xiàn)出一定的時(shí)間順序和空間格局：不同的細(xì)胞和相同細(xì)胞的不同細(xì)胞壁層都會(huì)呈現(xiàn)木質(zhì)素種類和結(jié)構(gòu)的差異[36]。他們從這種分布特征推斷木質(zhì)素的聚合是一個(gè)高度有序的過(guò)程，而非游離基偶聯(lián)聚合的產(chǎn)物[29, 37]。他們研究認(rèn)為，排列蛋白主要在一些可以木質(zhì)化的細(xì)胞壁特定區(qū)域如次生壁外層(S1層)和胞間層(ML層)表達(dá)，這些區(qū)域與木質(zhì)素沉積起始位點(diǎn)有關(guān)，據(jù)此推斷排列蛋白與植物體內(nèi)木質(zhì)素單體聚合的調(diào)控機(jī)制有關(guān)。他們已從植物中分離出許多排列蛋白，并認(rèn)為該類蛋白編碼基因在植物中普遍存在[29]。然而該模型及理論存在一些不足，如還沒(méi)有足夠的證據(jù)說(shuō)明排列蛋白在木質(zhì)化過(guò)程中所起的作用，還需用反向遺傳學(xué)方法對(duì)該類蛋白的生理功能加以驗(yàn)證；此模型不能解釋木質(zhì)素的外消旋性與受酶調(diào)控的生物合成機(jī)制間的矛盾；另外木質(zhì)素分子空間排列緊湊，而酶蛋白分子體積大，故分散其中發(fā)揮其催化和調(diào)控功能的可能性較小。該學(xué)說(shuō)提供的理論與實(shí)驗(yàn)支撐較少，很難用數(shù)據(jù)或者現(xiàn)象提供支撐，所以越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始尋找反對(duì)此學(xué)說(shuō)的證據(jù)[38-39]。

1.2.3木質(zhì)素單體聚合的研究現(xiàn)狀 目前，由Freudenberg建立并由Ralph等深入發(fā)展的隨機(jī)聚合理論逐漸得到普遍接受[3]。這一學(xué)派的研究目前已經(jīng)獲得了多達(dá)幾十種自由基交聯(lián)聚合物的模型物，可用于闡明不同木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)特征[22, 40]。

目前為止，木質(zhì)素單體合成的3種途徑已經(jīng)基本研究清楚，但從單體合成低聚體的機(jī)理仍是一個(gè)難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)關(guān)于木質(zhì)素單體合成低聚體的途徑、機(jī)理及其結(jié)構(gòu)表征等方面的報(bào)道很少，僅有盧孟柱、謝益民、宋艷茹、孫潤(rùn)倉(cāng)、馬慶虎、楊傳平等做了一些有益的探索[26-27, 41-43]，但都未對(duì)木質(zhì)素聚合機(jī)理進(jìn)行深入探討。近年來(lái)，Ralph在該領(lǐng)域取得了很好的研究成果，發(fā)現(xiàn)了松柏醇和阿魏酸酯的交聯(lián)偶合二聚體松柏醇-(β-5)-阿魏酸，并建立了松柏醇與阿魏酸酯二聚體交聯(lián)結(jié)構(gòu)鑒定新方法，闡明了阿魏酸酯在木質(zhì)化過(guò)程中的作用和機(jī)理。目前，關(guān)于另外2種木質(zhì)素單體(芥子醇和對(duì)香豆醇)這方面的相關(guān)研究尚未見(jiàn)報(bào)道，但參照松柏醇單體交聯(lián)二聚體的研究思路，相對(duì)應(yīng)的另外2種單體聚合的研究在理論上的可行性較大。

2 木質(zhì)素模型物合成

在木質(zhì)素的研究和利用過(guò)程中面臨的諸多問(wèn)題，大部分與其結(jié)構(gòu)方面的復(fù)雜性和多變性有關(guān)，而這些問(wèn)題尚未能得到有效地解決。如果利用天然木質(zhì)素的片段來(lái)研究木質(zhì)素大分子，將使研究過(guò)程復(fù)雜化。因?yàn)樘烊荒举|(zhì)素片段的結(jié)構(gòu)是由多種因素共同影響的，其中包括木質(zhì)素合成過(guò)程中可能受到控制蛋白的影響[30]，多糖對(duì)木質(zhì)素合成過(guò)程中空間位阻的影響，時(shí)空調(diào)控、分離提取過(guò)程中對(duì)天然木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的破壞等[21-22]。因此，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明確的木質(zhì)素模型物可以在一定程度上代替天然木質(zhì)素作為研究材料，受到科學(xué)界的廣泛重視[44-50]。在木質(zhì)素模型物開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一般以DHP代替天然木質(zhì)素作為研究對(duì)象。DHP是在均勻混合的介質(zhì)中生成的，所以可以人工控制反應(yīng)條件以得到不同目標(biāo)產(chǎn)物，如調(diào)節(jié)pH值、多糖含量、木質(zhì)素單體的供應(yīng)速率等，不同的單體供應(yīng)速率得到的聚合物連接鍵比例不同[51-54]。木質(zhì)素脫氫聚合物不僅可以由酶促反應(yīng)得到，而且可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)經(jīng)無(wú)機(jī)催化劑催化得到，通過(guò)化學(xué)計(jì)量反應(yīng)得到的模型物在木材木質(zhì)素研究中比酶促反應(yīng)得到的木質(zhì)素更具有代表性[55]?？傮w來(lái)說(shuō)，研究化學(xué)合成法得到的木質(zhì)素模型物具有以下意義：模型物包含的化學(xué)鍵與木質(zhì)素大分子中的化學(xué)鍵非常相似，所以其反應(yīng)過(guò)程可以為木質(zhì)素的降解和合成過(guò)程提供理論依據(jù)；由于木質(zhì)素模型分子都可以在木質(zhì)素大分子的降解產(chǎn)物中找到，所以對(duì)模型物的研究有利于為木質(zhì)素解聚產(chǎn)物的高值化利用提供新思路；木質(zhì)素模型物中只存在特定的化學(xué)鍵，不受其他更多且復(fù)雜的化學(xué)鍵影響，從而可以在根本上避免分析過(guò)程中來(lái)自于其他復(fù)雜聚合物的影響。

木質(zhì)素模型物中最常用的是二聚體，其次是三聚體以及多聚體。由于大多數(shù)模型物之間的區(qū)別主要來(lái)源于功能團(tuán)的種類和數(shù)量的不同，例如直接與芳香環(huán)相連的烷基或甲氧基，因此筆者僅選擇具有代表性的幾種木質(zhì)素模型物進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2.1二聚體的合成

木質(zhì)素中存在最多的連接鍵是β-O-4鍵(約50%)[56]，而且很容易斷裂，在很大程度上影響了木質(zhì)素的理化性質(zhì)[57-59]。堿法制漿過(guò)程是解聚木質(zhì)素的重要途徑，因?yàn)閴A溶液可以破壞木質(zhì)素大分子中的醚鍵生成木質(zhì)素碎片，醚鍵斷裂生成的酚羥基使木質(zhì)素水溶性大大增加，從而為木質(zhì)素的利用提供了重要條件。因此，含有β-O-4連接鍵的模型物對(duì)木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)、活性、生物降解等方面的研究具有重要的意義。1952年，Adler等[60]首次合成以醚鍵連接的愈創(chuàng)木基丙烷-β-愈創(chuàng)木基和藜蘆基丙烷-β-愈創(chuàng)木基的二聚體，作為重要的木質(zhì)素模型物，這2種物質(zhì)被廣泛地應(yīng)用于木質(zhì)素的研究中。之后，在此模型物基礎(chǔ)上，又有多種不同木質(zhì)素模型物被開(kāi)發(fā)出來(lái)[61-62]。Shen等[63]在Adler的合成方法基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)改進(jìn)合成多種β-O-4木質(zhì)素模型物，如圖1所示，乙酰藜蘆酮經(jīng)過(guò)溴化生成的α-溴-乙酰藜蘆酮，溴作為高活性基團(tuán)有利于其在無(wú)水、堿性條件下和香草醇發(fā)生取代反應(yīng)，生成化合物1。在此反應(yīng)過(guò)程中堿作為縛酸劑，消耗生成的氫溴酸，使反應(yīng)向正向進(jìn)行。由于化合物1中的羰基具有吸電子效應(yīng)，使羰基鄰位的碳活性提高，有利于發(fā)生甲醛的親核加成反應(yīng)。經(jīng)過(guò)硼氫化鈉還原，含有乙烷和丙烷基團(tuán)的2種模型物分別可以生產(chǎn)對(duì)應(yīng)的化合物3和4。

圖 1 含有β-O-4鍵木質(zhì)素模型物合成過(guò)程[63]

然而，當(dāng)起始物質(zhì)為香草乙酮時(shí)，由于酚羥基具有很強(qiáng)的活性，會(huì)阻止后續(xù)反應(yīng)的發(fā)生，所以需要通過(guò)芐基化作用將酚羥基保護(hù)起來(lái)，后續(xù)經(jīng)過(guò)溴化、取代、加成反應(yīng)得到含有芐基的木質(zhì)素模型物。作為保護(hù)基團(tuán)，芐基可以在氫氣環(huán)境下通過(guò)催化反應(yīng)離去得到最終產(chǎn)物。此合成路線對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求較低，且操作簡(jiǎn)便易行，具有很強(qiáng)的可操作性，但是由于反應(yīng)步驟多，導(dǎo)致總產(chǎn)率較低，藥品浪費(fèi)多。對(duì)于需求量小的研究，此方法不失為一種簡(jiǎn)單有效的合成途徑。

Mostaghni等[64]在無(wú)水無(wú)氧條件下，將正丁基鋰與六甲基二硅氮烷混合生成鋰化試劑，然后加入2-甲氧基苯氧基乙酸[65]，被活化的2-甲氧基苯氧基乙酸與苯(含取代基)甲醛發(fā)生取代反應(yīng)生成二聚體。此反應(yīng)過(guò)程中正丁基鋰與六甲基二硅氮烷反應(yīng)生成空間位阻極大的鋰化試劑，2-甲氧基苯氧基乙酸中羰基鄰碳上氫活性較高，與鋰化試劑形成不穩(wěn)定中間產(chǎn)物，有利于甲基化的丁香醛的取代。經(jīng)過(guò)硼烷二甲基硫醚的還原作用和過(guò)氧化氫的氧化作用生成終產(chǎn)物。該方法用六甲基二硅氮烷代替之前研究中用到的二異丙基氨基鋰[66]，不僅可以抑制副產(chǎn)物的生成，還可以控制產(chǎn)物不同構(gòu)型的比例。通過(guò)該方法可以合成不同的S型木質(zhì)素模型物，但是對(duì)操作要求較高，實(shí)驗(yàn)條件要求苛刻，如超低溫環(huán)境、無(wú)水無(wú)氧環(huán)境等，同時(shí)所用試劑活性非常高、使用過(guò)程中危險(xiǎn)性較大等。因此，如果對(duì)于模型物中異構(gòu)體無(wú)特殊要求，應(yīng)盡量避免使用該方法。合成過(guò)程如圖2所示。

Ralph等[67]利用過(guò)氧化氫和過(guò)氧化物酶合成了β-5二聚體，如圖3所示，此合成方法利用了仿生系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的自由基耦合反應(yīng)更快速得到最終產(chǎn)物，而且大大提高了反應(yīng)得率。產(chǎn)物中雖然雜質(zhì)種類較多，但是由于目標(biāo)產(chǎn)物與雜質(zhì)在硅膠中的洗脫速率有巨大差異，所以用層析色譜柱可以很容易將目標(biāo)產(chǎn)物分離，并且總產(chǎn)率達(dá)50%以上。 雖然該方法對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求較低，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單易行，但是經(jīng)由此方法得到的產(chǎn)物中的雜質(zhì)較多，無(wú)法人為干預(yù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和方向，且產(chǎn)物需要過(guò)色譜柱分離，會(huì)浪費(fèi)大量有機(jī)溶劑。同時(shí)，作為仿生合成過(guò)程，此方法不利于對(duì)合成機(jī)理的研究，只能作為一種較為快捷的合成木質(zhì)素模型物的途徑。

圖 2 木質(zhì)素模型物的立體選擇性合成[64]

圖 3 β-5連接的阿魏酸乙酯二聚體的仿生合成[67]

2.2三聚體的合成

Alves等[68]在無(wú)水環(huán)境中用乙酰基香草醛脫氫二聚體和α-溴-3-甲氧基-4-乙氧基苯乙酮在K2CO3作用下生成三聚體，然后以該三聚體為起始物，通過(guò)不同的反應(yīng)過(guò)程生成多種衍生物，合成途徑如圖4所示。由圖4可知，該4種化合物都含有β-O-4和5-5′鍵，而且4號(hào)位上的羥基被烷氧基取代，更接近于天然木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)。該合成過(guò)程不是以簡(jiǎn)單的單體為起始物質(zhì)，而是以乙?；悴萑┟摎涠垠w為原料，由于二聚體的合成過(guò)程產(chǎn)率很低，直接影響三聚體的產(chǎn)率；同時(shí)，另一種原料α-溴-3-甲氧基-4-乙氧基苯乙酮也需要經(jīng)過(guò)連續(xù)兩步反應(yīng)得到，因而增加了反應(yīng)步驟，使三聚體產(chǎn)率進(jìn)一步受到限制。而且，生成的模型化合物中苯環(huán)含有一個(gè)碳作為側(cè)鏈與天然木質(zhì)素結(jié)構(gòu)差別較大，不具有代表性，所以該方法合成的模型物應(yīng)用范圍較窄。

近來(lái)Ouyang等[69]通過(guò)微波輻射方法，以香草乙酮為底物通過(guò)三步反應(yīng)合成含有β-O-4和α-O-4的三聚體。經(jīng)過(guò)微波處理，產(chǎn)物得率可以從36%增加到95%以上。此合成方法所需步驟少、操作簡(jiǎn)單、對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求較低，而且所用反應(yīng)底物為商品化的香草乙酮，不僅價(jià)格低廉，而且無(wú)毒無(wú)害。該方法在提高產(chǎn)率的同時(shí)，縮短了時(shí)間，降低了成本，可以應(yīng)用于批量生產(chǎn)。但是，該合成過(guò)程中多次用到二甲基甲酰胺(DMF)，雖然其溶解能力強(qiáng)，但是由于其沸點(diǎn)較高，對(duì)產(chǎn)物的利用帶來(lái)很大影響。

圖 4 三聚體I-IV的合成路徑[68]

2.3多聚體的合成

二聚體模型物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于表征，被廣泛應(yīng)用于木質(zhì)素的研究中，但在研究中用來(lái)代替天然木質(zhì)素大分子又有其局限性：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的二聚體只是復(fù)雜的三維立體天然木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的片段，不能完全反應(yīng)聚合物的本質(zhì)特征，其化學(xué)鍵斷裂條件也不能用來(lái)推斷木質(zhì)素解聚所需條件[70-71]。以對(duì)-羥基苯丙烯醇為底物經(jīng)過(guò)酶促反應(yīng)生成的脫氫多聚物[51]，雖然在很大程度上與天然木質(zhì)素性質(zhì)相似，但是其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和天然木質(zhì)素并無(wú)太大差別，對(duì)簡(jiǎn)化木質(zhì)素結(jié)構(gòu)方面研究的意義不大。近年來(lái)，對(duì)于大型低聚物的開(kāi)發(fā)發(fā)展迅速，借鑒二聚體模型物的合成方法，合成含有單一或者多種連接鍵的多聚物，如含有β-O-4連接鍵的三聚物[71]，只含有β-O-4連接鍵的四聚物[72-73]，含有β-O-4和β-5′連接鍵的四聚物[74]，含有β-O-4和5-5′連接鍵的四聚物[75]，含有β-O-4和β-5′連接鍵的六聚物[76]以及分子質(zhì)量更高的多聚物[77]。

Kishimoto等[70]通過(guò)2個(gè)連續(xù)的過(guò)程合成了β-O-4型人工木質(zhì)素：1)以Williamson 反應(yīng)為基礎(chǔ)，通過(guò)縮聚阿魏酸乙酯的衍生物生成聚合物；2)對(duì)聚合物中的羰基進(jìn)行還原(如圖5所示)。由香草醛合成的化合物9經(jīng)氯化鈀催化[78]，在不還原α位羰基的前提下經(jīng)過(guò)脫芐基作用生成化合物10，通過(guò)CuBr2或者Br2與之反應(yīng)生成β位活性較高的溴化產(chǎn)物，有利于后續(xù)發(fā)生取代反應(yīng)生成β-O-4連接鍵的聚合物。該聚合過(guò)程條件借鑒了含有2個(gè)碳的側(cè)鏈的木質(zhì)素模型物聚合方法，是后者的一個(gè)延伸，生成的多聚物更接近于木質(zhì)素的苯丙烷結(jié)構(gòu)[79]。此方法以含有3個(gè)碳作為支鏈的單體為起始物，避免了后期在含有羰基的側(cè)鏈上加成醇甲基，使產(chǎn)物得率大幅提高；聚合產(chǎn)物只含有單一的連接鍵，結(jié)構(gòu)信息明確，在后期處理過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化更容易分析，對(duì)于β-O-4連接鍵構(gòu)型木質(zhì)素的研究具有重要意義。

圖 5 人工合成木質(zhì)素聚合物的路線[70]

經(jīng)過(guò)Kishimoto等后期對(duì)上述方法的改進(jìn)，合成含有另外2種單體的聚合物，該系列聚合物可以通過(guò)乙?；珊絮；哪举|(zhì)素多聚體。如圖6所示，以4-羥基乙酰苯的3種溴化衍生物為起始單元，通過(guò)聚合、還原和乙?；磻?yīng)選擇性生成含有不同單體、不同聚合度的模型物[80-81]。該方法聚合過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求較低，單體得率較高。但是聚合物的還原過(guò)程產(chǎn)率只有30 %，使多聚物總產(chǎn)率大幅下降，造成時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本的增加，所以該還原過(guò)程有待于進(jìn)一步研究。產(chǎn)物中只含有單一β-O-4連接鍵，為研究木質(zhì)素中含量最多的連接鍵在聚合物中的性質(zhì)和活性提供可能。該方法可以通過(guò)控制各種單體的比例，生成不同種類的聚合物(2a～2d)，不同單體聚合產(chǎn)率有明顯差別。該方法不足之處在于無(wú)法控制聚合物的聚合度，這與酶促反應(yīng)生成的聚合物相似，可以探索通過(guò)控制反應(yīng)溫度或者反應(yīng)時(shí)間及溶劑來(lái)調(diào)控單體聚合程度。

圖 6 含有β-O-4連接鍵的人工木質(zhì)素的合成方法[80]

2013年，F(xiàn)orsythe等[71]開(kāi)發(fā)不同路線合成木質(zhì)素六聚體和八聚體模型物。以價(jià)格低廉的香草乙酮作為底物，在Na2S2O4催化作用下經(jīng)過(guò)聚合作用生成含有5-5′連接鍵的二聚體。為了防止活潑的酚羥基影響后續(xù)取代反應(yīng)，在堿性二甲基甲酰胺(DMF)中用溴化芐將其進(jìn)行保護(hù)。該二聚體在氫化鈉作用下與碳酸二乙酯發(fā)生取代反應(yīng)生成β-二酮酯二聚體。在該過(guò)程中，過(guò)量的氫化鈉將聚合物羰基鄰碳上的活潑氫拔去，碳酸二乙酯與該碳正離子發(fā)生親核加成，生成苯丙烷為基本單元的二聚體。氫化鈉與質(zhì)子氫發(fā)生反應(yīng)，所以該過(guò)程需要在無(wú)水條件下進(jìn)行，碳酸二甲酯既是反應(yīng)物又是溶劑，在保證產(chǎn)物純度的前提下大大提高了反應(yīng)的得率。從β-二酮酯二聚體的晶體結(jié)構(gòu)可以看出，其扭轉(zhuǎn)角的大小和起始物質(zhì)的扭轉(zhuǎn)角很相近，說(shuō)明在反應(yīng)的初期就形成了三維立體結(jié)構(gòu)，與天然木質(zhì)素結(jié)構(gòu)更加相近，這一特點(diǎn)與其他處于同一平面的芳香環(huán)模型物相比具有很大優(yōu)勢(shì)[82]。最后經(jīng)過(guò)N-溴代琥珀酰亞胺(NBS)的溴化作用，生成β位含有活性位點(diǎn)的對(duì)稱化合物，經(jīng)過(guò)脫芐基的聚合物含有酚羥基和β位2個(gè)活性位點(diǎn)，可以根據(jù)需要在堿性環(huán)境中發(fā)生聚合反應(yīng)生成不同聚合度的多聚物。合成該中間產(chǎn)物步驟較少，有利于提高總反應(yīng)得率，減少化學(xué)藥品的浪費(fèi)，除了碳酸二甲酯加成過(guò)程需無(wú)水環(huán)境外，該反應(yīng)體系對(duì)實(shí)驗(yàn)條件和操作技術(shù)要求并不高，不失為一種5-5′模型物合成的有效途徑。

含有活潑溴的二聚體成為木質(zhì)素模型物合成的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體，通過(guò)帶有苯氧基的親核試劑取代二聚體中的溴，可以生成對(duì)應(yīng)的四聚物、六聚物和八聚物。如圖7所示，通過(guò)FeCl3催化異紫丁香酚可以生成含有β-5′鍵的二聚體，該二聚體含有活潑的酚羥基，與含有活潑溴的二聚體可以在堿性條件下發(fā)生取代反應(yīng)。生成的含有β酮和酯鍵的化合物經(jīng)過(guò)還原反應(yīng)和脫芐基作用生成含有5-5′、β-5′和β-O- 4連接鍵的六聚物。該反應(yīng)首次提出了含有3種不同連接鍵的六聚物合成模式，不僅保證了產(chǎn)物的高得率(總得率12 %)，而且合成過(guò)程簡(jiǎn)單易行，具有很強(qiáng)的可操作性，為研究不同鍵型的活性和斷裂機(jī)理提供原材料[71]。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

木質(zhì)素的生物合成是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。迄今為止，雖然已經(jīng)認(rèn)識(shí)到植物細(xì)胞壁的木質(zhì)化過(guò)程起源于木質(zhì)素的單體聚合，也已經(jīng)闡明了木質(zhì)素單體生物合成的3種基本途徑，但木質(zhì)素生物合成的微觀機(jī)理仍不清楚。當(dāng)今世界對(duì)這一復(fù)雜問(wèn)題的研究產(chǎn)生了2種不同的理論。一種是由Freudenberg建立并由Ralph等深入發(fā)展的隨機(jī)聚合理論，認(rèn)為木質(zhì)素單體的聚合是一個(gè)酚類自由基在簡(jiǎn)單化學(xué)和物理控制條件下的交聯(lián)過(guò)程。另外一種理論是以Davin和Lewis為代表人物的新學(xué)派，認(rèn)為木質(zhì)素單體的沉積表現(xiàn)出一定的時(shí)間順序和空間格局，從這種分布特征推斷木質(zhì)素的聚合是一個(gè)高度有序的過(guò)程，即嚴(yán)格調(diào)控論。在這兩大對(duì)立的理論學(xué)派中，以Ralph為代表的 “組合自由基交聯(lián)偶合理論”由于取得了更多令人信服的研究成果而被廣泛接受。國(guó)內(nèi)關(guān)于木質(zhì)素單體合成低聚體的途徑、機(jī)理及其結(jié)構(gòu)表征等方面的報(bào)道很少。

圖 7 通過(guò)脫氫異丁子香酚二聚體和二溴代二聚體合成六聚物的合成途徑[71]

因?yàn)槟举|(zhì)素的合成過(guò)程非常復(fù)雜，所以研究人員采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反應(yīng)過(guò)程易于控制的模型化合物來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室層面的模擬木質(zhì)素合成途徑研究，試圖逐步揭示木質(zhì)素合成過(guò)程的化學(xué)及生物反應(yīng)機(jī)理，從而掌握木質(zhì)素生物合成的規(guī)律，透徹認(rèn)識(shí)這一過(guò)程的科學(xué)內(nèi)涵，甚至達(dá)到人為調(diào)控木質(zhì)素合成的目的?？傊?，目前的研究對(duì)木質(zhì)素合成這一復(fù)雜過(guò)程來(lái)說(shuō)僅是一個(gè)開(kāi)端。筆者對(duì)已有研究進(jìn)行了基本的梳理和闡述，以便于促進(jìn)木質(zhì)素合成研究的進(jìn)展，并期待更多的科學(xué)家進(jìn)行更深入的研究，為制漿造紙工業(yè)高效分離與脫除木質(zhì)纖維原料中的木質(zhì)素提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，并且為揭示木質(zhì)素合成過(guò)程及其機(jī)理作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

筆者認(rèn)為，今后的研究重點(diǎn)應(yīng)集中在以下3個(gè)方面： 1)在“組合自由基交聯(lián)理論”指導(dǎo)下，研究木質(zhì)素單體模型物的二聚、三聚及多聚反應(yīng)過(guò)程及機(jī)理，建立交聯(lián)反應(yīng)的優(yōu)化工藝技術(shù)體系和產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)表征方法； 2)建立一種理想的細(xì)胞生活環(huán)境模擬方法，使目前在實(shí)驗(yàn)室中主要以化學(xué)反應(yīng)為主的機(jī)理研究深入到生物細(xì)胞或模擬生物細(xì)胞層面，從而有效研究自由基在生物體中的真實(shí)聚合反應(yīng)及機(jī)理； 3)在采用木質(zhì)素模型化合物闡明基本化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高模型化合物的復(fù)雜性及其在反應(yīng)過(guò)程中的可控性，從而推進(jìn)向天然木質(zhì)素生物合成過(guò)程及機(jī)理的研究。

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