第一作者：刘永前
通讯作者：刘守新，田兵，陈志俊
通讯单位：东北林业大学
论文DOI：10.1038/s41467-025-59054-0
木质素是自然界中最丰富的可再生天然芳香烃来源，以木质素为原料通过解聚得到芳基小分子，能够为生产具有广泛应用的芳基精细化学品提供一条可再生以及绿色的替代方案，是实现林木资源高值化利用的重要手段之一。然而，将木质素解聚并转化为学术研究和工业界不可或缺的芳基卤化物，仍然具有挑战性。为此，东北林业大学刘守新教授团队巧妙地利用木质素芳香环的富电子性质以及甲氧基的定位效应，诱导卤正试剂对木质素芳基环进行位点选择性亲电加成，继而高选择性断裂C(sp2)–C(sp3)键，在解聚的同时发生卤化反应，得到溴化、氯化芳基单体分子。所得木质素基芳基卤分子具有丰富的转化性，可转化为药物中间体、生物活性分子、天然产物、有机催化剂、稠环分子及离子探针等。该研究发展了“木质素-高值精细分子-下游应用”策略，为木质素的高值化利用提供了新的思路。
芳基卤化合物是学术研究和工业界不可或缺的重要化学品，在现代化学合成的发展中发挥了重要的作用。当前，芳基卤分子主要通过芳烃的卤化反应制备，而芳烃原料则来源于传统的石油和煤。木质素是自然界中最丰富的可再生天然芳香烃来源，以木质素为原料通过解聚得到芳基小分子，能够为生产具有广泛应用的芳基精细化学品提供一条可再生以及绿色的替代方案，是实现林木资源高值化利用的重要手段之一。因此，开发可再生生物质资源向可持续化学品的高效转化方法具有重要的意义。
尽管当前木质素解聚可制备官能团丰富的芳基分子，然而其高值化程度较低、产物的可转化性有限，极大限制了木质素的高值化转化利用。以木质素为原料直接制备芳基卤分子是将生物质资源转化为高价值芳基分子的理想路径。然而，木质素复杂结构导致的卤化反应活性和选择性调控困难，使得开发兼具木质素解聚和原位卤化功能的高效转化体系极具挑战性。
1. 以常用的商业化试剂N-溴代丁二酰亚胺(NBS)和三氯异氰脲酸(TCCA）为溴化和氯化试剂，利用卤正离子对木质素芳基环发生选择性亲电加成，进一步发生木质素C(sp2)–C(sp3)键的高效断裂，解聚的同时生成卤化芳基分子。
2. 反应条件温和，对多种类木质来源的木质素均有优异的解聚性能，且可放大至克级反应。反应过程溶剂和卤化试剂副产物均可通过简单处理回收再利用，显示出良好的经济性与操作简便性。
3. 木质素解聚后得到的溴代、氯代芳烃具有优异的转化特性，可转化为药物中间体、生物活性分子、天然产物、有机催化剂、稠环分子及离子探针等。
图1 木质素β-O-4模型化合物的溴化、氯化解聚条件筛选
溴化试剂NBS和氯化试剂TCCA在常规有机溶剂中无法启动解聚反应，三氟乙醇可作为活化试剂活化卤化试剂，提升卤正试剂亲电性，增强反应活性。对于G-型木质素单元，芳基环上会发生多卤取代，分别得到二溴化、四氯化芳基单体分子。这是由于卤正试剂具有强亲电性，可对苯环发生亲电加成和亲电取代反应。
图2 木质素模型化合物的卤化解聚
研究发现，对于溴化解聚反应，S-型木质素模型化合物解聚后会发生过度溴化，得到三溴化芳基分子。G-型木质素模型化合物过度溴化程度较低，最终得到二溴化产物。H-型木质素的溴化由于其芳香环富电子性较S-、G-型差，故得到的单溴化芳基分子不会发生进一步溴化亲电取代反应。而对于氯化解聚反应，由于氯正试剂其亲电性较强，底物发生解聚后得到的芳基分子会发生过度氯化反应，生成全取代芳基氯分子。
图3 机理研究
机理研究表明：1）三氟乙醇通过氢键作用可增强卤化试剂卤正离子的亲电性，进而提升其与木质素芳香环的亲电反应性，有利于反应活性的提升。此外，三氟乙醇可提升木质素在体系中的溶解性，提升反应效率。2）木质素芳香环上甲氧基的取代度与反应卤化程度正相关，导致不同类型的木质素单元（S-, G-, H-）发生不同程度的卤化反应。3）通过对底物中苄位羟基进行甲基化保护，在解聚反应中实现了三氟乙醇捕获碳正离子中间体，证实了C(sp2)–C(sp3)键的选择性断裂。4）卤化中间体捕获实验发现对于S-和G-型木质素的反应，卤正离子对芳环的亲电加成和亲电取代是同时发生的，最终导致多卤化单体分子的生成。
图4 真实木质素解聚
该策略可应用于不同木种来源的木质素，HSQC二维谱显示木质素中β-O-4、β-β和 β-5连接片段得到了高效断裂，证实对真实木质素中C(sp2)–C(sp3)键的断裂具有极高的效率。该方法在克级反应中能分别以6.2 mg/g和35.7 mg/g的产率得到二溴化和四氯化单体芳基分子（柱层析分离）。值得注意的是，在克级反应中所用三氟乙醇溶剂可简单通过旋蒸高效回收再利用，溴化和氯化试剂（N-X）去卤后得到的N-H副产物可通过简单的萃取回收，回收率分别为90 mol%和87 mol%，该副产物可作为所用卤化试剂的前体进行高效再利用，整个反应流程显示出较好的经济性和简便的操作性。
图5 木质素卤化解聚产物应用
以往研究得到的芳基分子的官能团种类通常为含碳或含氧官能团如烷烃、羧酸、酮、醚、醇、醛等，其高值化程度较低、产物的可转化性有限，极大限制了木质素的高值化转化利用。在本工作中，作者对木质素解聚得到的二溴化和四氯化单体芳基分子的转化应用进行了考察。二溴化单体分子4,5-二溴-2-甲氧基苯酚其羟基和碳溴键具有丰富的转化性，可通过脱保护、取代、偶联等转化制备一系列杂环化合物、天然产物、光电材料前体、有机合成子等。四溴化单体分子2,3,4,5-四氯-6-甲氧基苯酚可通过转化实现分子探针、催化剂、有机半导体的制备。这些探索展现了木质素基芳烃卤化物在下游合成中的强大实用性。
本研究开发出了一种高效、温和的方法，首次实现了木质素到芳基卤分子的转化。三氟乙醇对卤化试剂的氢键活化是提高卤正离子反应活性的关键。卤正离子对木质素芳香环的位点高选择性亲电性加成可引发木质素C(sp2)-C(sp3)键的断裂，并进一步促进过度卤化，得到芳基卤分子。总之，该研究发展了“木质素-高值精细分子-下游应用”整链利用策略，为木质素的高值化利用提供了新的思路。后续研究将集中在更多类型官能团的构筑以及真实木质素的规模化反应和优化工艺路线的研究中。
Producing aryl halides from lignin. Yongqian Liu, Yi Li, Zhiyang He, Simeng Wu, Chunhui Ma, Wei Li, Shujun Li, Zhijun Chen*, Shouxin Liu* & Bing Tian* Nat. Commun. 2025, 16, 3673.
https://doi.org/10.1038/s41467-025-59054-0
刘守新：东北林业大学教授，博士生导师，入选国家级高层次人才项目、全国优秀科技工作者、曾获中国青年科技奖。主要研究方向为新型生物质基炭功能材料、木质纤维素功能材料、生物质资源催化转化制备平台化合物。主持完成国家自然科学基金重大项目课题等项目。获教育部自然科学一等奖。
田兵：东北林业大学教授，博士生导师。从事林木资源转化的分子方法学研究，包括生物质碳点催化、木质素官能团化解聚、光催化生物质转化。以第一或通讯作者在Nat. Catal., Nat. Commun., Angew, Carbon 等期刊发表论文20余篇。主持国家重点研发计划项目子课题、国家自然科学基金面上项目、黑龙江省重点研发计划项目以及黑龙江省优秀青年基金等。
陈志俊：东北林业大学教授，博士生导师。国家“四青”人才，全国林草科技创新人才“青年拔尖人才”，中国科协“青年人才托举工程”入选者，黑龙江省领军学科后备带头人，荣获霍英东青年科学奖(二等)、中国林草青年科技奖、黑龙江省青年五四奖章。研究方向为林木资源的光理化特性与高效转化，以通讯作者身份在Nat. Rev. Chem.，Nat. Commun (6篇), Angew (10篇), Matter 等领域高水平期刊发表论文100余篇。主持国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金重大项目子课题、面上项目以及青年基金、黑龙江省重点研发计划项目等，研究成果荣获黑龙江省科学技术一等奖(1/5)、教育部自然科学一等奖(3/5)、梁希林业自然科学一等奖(3/5)与教育部技术发明二等奖(5/6)。
刘永前：东北林业大学在读硕士生，主要研究方向为木质素解聚。
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