Partitioning Mechanism of Lignin in Biphasic Solvent Systems: Combined Experiments with Theoretical Calculations

木质素 化学 机制(生物学) 溶剂 溶剂效应 化学工程 反应机理 计算化学 有机溶剂 有机化学 密度泛函理论 材料科学 单体 催化作用 解聚 水溶液
作者
Yingren Lyu,Ye Wu,Qixuan Lin,Xingjie Wang,Junli Ren,Feng Peng,Zongjin Li
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.6c00924
摘要

Biphasic solvent pretreatment selectively partitions lignocellulosic compositions between immiscible phases, facilitating fractionation and valorization. However, the molecular determinants of lignin partitioning remain unclear. Herein, lignin partitioning in n-pentanol/H2O and methyl isobutyl ketone (MIBK)/H2O biphasic systems was investigated across pH 1–13 using combined experiments and molecular dynamics (MD) simulations. Higher proton activity (lower pH) promoted lignin transfer into the organic phase, whereas alkaline conditions deprotonated lignin and drove its accumulation in the aqueous phase. In the n-pentanol/H2O system, lignin fragments enriched in syringyl (S) units preferentially partitioned into the n-pentanol phase, followed by guaiacyl (G) and p-hydroxyphenyl (H) units. MD simulations showed that the total interaction energies between lignin units and the n-pentanol/H2O system were stronger than those in the MIBK/H2O system, especially for S and G units, while the difference for H units was marginal. van der Waals forces dominated the lignin-n-pentanol interactions, with strengths in the order S > G > H. n-Pentanol also exhibited stronger affinity for ferulate (FA) than for p-coumarate (PCA). This study elucidated lignin partitioning mechanisms in biphasic solvents, providing a theoretical basis for optimizing biphasic pretreatment and tuning lignin structure.
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