Green Chem. 二维GC定性定量分析木质素优先降解产物中单体和低聚物
背景介绍
木质素还原催化分离（RCF）解聚反应是一种有效转化利用木质素的方法，在最近几年得到了广泛且深入的研究。所得的解聚产物主要包括木质素单体、二聚体、三聚体及更大的低聚物。领域内大多数研究主要关注于单体部分，而对低聚物的研究较少。这主要是因为单体用途更广，也更容易分析。最常见的RCF产物分析方法当属于（一维）气相色谱（GC）。结合MS和FID检测器，可以定性定量地分析其中的单体部分。然而，产物中二聚体及更大的分子则因难以气化、组分复杂、含量低等原因难以通过普通GC分析。
近年来随着学界对RCF反应认识的深入，更多研究开始关注于低聚物的分析，以期能够有效利用这部分产物。常用的手段包括NMR、FTIR、GPC、热重、元素分析等。然而这些方法仅仅只能分析样品的整体性质，无法清晰地分析样品中每一种分子的结构和含量。即使将样品衍生化，通过GC也仅能观察到少量低聚物组分。
在本文中，来自比利时根特大学的Kevin M. Van Geem和鲁汶大学的Bert F. Sels联合采用了配备FID和MS的全二维气相色谱（GC×GC-FID/MS）对松木RCF解聚产物进行了深入的分析。除了单体以外，他们定性且定量地分析出了36种二聚体和21种三聚体。通过对产物中低聚物的分析，有利于我们更深入地认识RCF及其他木质素解聚过程，也有利于开发低聚物的利用方法。
小编注：GC×GC原理简介：GC×GC是在普通GC基础上多了一根色谱柱并通过一个功能模块连接。1号色谱柱连接进样器和模块；2号色谱柱连接模块和检测器。通常两根色谱柱极性不同，且2号色谱柱极短，使其中的保留时间极短。分析时，待分析物从1号柱流出并进入模块，该模块通常具有制冷功能，使待分析物在模块中停留并富集数秒；然后模块升高温度使这段时间富集的分析物解析并进入2号柱，然后再冷却并富集后续的待分析物。这样一个循环往往只有数秒（本文中为10秒），该时间长度也即是GC×GC的第二维。经过模块富集和2号柱分离，原本多物质重叠的矮宽的峰就能分离成尖锐的单一的峰。因此，相比于普通GC，GC×GC的灵敏度和分离程度更高，适合分析复杂且含量低的样品。
图文解读
作者首先进行RCF反应并制备样品，其反应条件为：2 L反应器，150 g松木（乙醇/甲苯萃取后），800 ml甲醇，15 g Pd/C，30 bar H2, 235 ℃，3 h。反应后得到的木质素油用100%正庚烷、80%正庚烷-20%乙酸乙酯、60%正庚烷-40%乙酸乙酯。。。100%乙酸乙酯依次提取，所得组分记为FH100、FH80、FH60…FEA100。未提取的Foil组分和6个提取后的组分分别进行硅烷基衍生化，然后使用GC×GC-FID/MS分析。为了使低聚物有效挥发，柱温最高升至420 ℃。图1展示了其中4个样品的GC×GC结果，二维图中可划分出单体、二聚体、三聚体和更高低聚物的区域，大量物质被分离出来。
单体的定性根据已有文献报道和查询数据库即可轻易完成。而二聚体和三聚体的结构的确定作者是通过MS碎片信号来分析推测得到的，图S3.1为一个例子。产物的定量上，作者用7种不同产物（包含单体和低聚物）制备混合标品，经过回归拟合分析得到某个物质的校正因子与其结构的关系（如下面公式所示），即在分析出某物质的结构以后可通过该公式计算其校正因子并用于该物质的定量计算。
（该公式中各参数分别表示：该物质的分子量，衍生后的分子量，C、Si、H、O原子数和苯环数）
作者首先分析单体部分。由于原料为松木，属于软木，因此产物中基本只有G单元，且对羟基丙基愈创木酚的含量占单体总量的85%。如图2所示，大部分单体在前3次提取过程中被分离出去的。图3为Foil组分的GC×GC图的单体部分，可以看到有上百种单体被检测到，并且其中有很多单体在普通GC上因分离度不够而无法检测的。单体总收率为34.03%。
作者通过MS信号分析出36种二聚体（图4）和21种三聚体（图5）的结构，它们大多具有5-5，β-5，β-β，β-1等结构，以及不同的支链结构。只有极少量的带醚键的二聚体被检测到，表明反应中大部分醚键被断裂，仅剩下木质素本身自带的C-C连接键结构。大部分二聚体和三聚体具有羟基丙基和γ-OH的支链结构，这与Pd催化剂的性能有关。每个组分中每种二聚体和三聚体的收率都列于表1种，它们的总收率分别为15.79%和7.26%。除了这些低聚物，还有很多物质（甚至包括四聚体，五聚体等）都被检测到（图1），但由于信号较弱而难以进一步分析。
作者探究了不同溶剂萃取部分的区别。由于作者首先用非极性的正庚烷提取，然后逐渐增加提取溶剂的极性，因此单体组分以及具有较多烷基支链的二聚体倾向于溶于极性较低的组分；而低聚物尤其是低聚物中具有较多羟基丙基支链的部分倾向于溶于极性较大的组分（图6和8）。
作者结合二维核磁技术统计了几种主要的末端结构和单体间连接结构占G单体的比例（图11）。大多数产物（包括单体和低聚物）具有羟基丙基的结构；末端为丙基的结构主要由单体中丙基愈创木酚贡献；低聚物的连接键中5-5，β-5，β-β，β-1的比例较高，是主要的连接结构。
总结
本文用GC×GC-FID/MS的方法全面地定性且定量地分析了RCF产物中的二聚体的三聚体。36种二聚体和21种三聚体得以检测。之所以成功检测要归结于以下几个方面：二维GC的应用；高温色谱柱的应用；样品的溶剂分级（每个组分的成分更简单）；样品衍生化。二维GC将来还可以用来分析更多的木质素低聚物，有助于分析木质素解聚和再聚合过程，以及产物的利用与转化等。
原文链接：
https://doi.org/10.1039/D1GC03822B
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