Mechanistic Insights into Formaldehyde-Blocked Lignin Condensation: A DFT Study

甲醛 木质素 解聚 冷凝 单体 化学 乙醚 缩合反应 密度泛函理论 有机化学 高分子化学 计算化学 聚合物 催化作用 物理 热力学
作者
Xueli Mu,Zhe Han,Chengbu Liu,Dongju Zhang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:123 (14): 8640-8648 被引量:23
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.9b00247
摘要

The formaldehyde (FA)-prevented lignin condensation reported by Luterbacher et al. [Science 2015, 354 (6310), 329–333] provides an efficient strategy for obtaining lignin monomers with near theoretical production. Our work presents a density functional theory calculation study that reveals the intrinsic mechanism why FA can efficiently hinder lignin condensation. Using veratrylglycerol-β-guaiacyl ether (VG) as a lignin model compound, we found that the formation of C–C linkage between two VG units is highly exothermic (−43.7 kcal/mol) and involves a medium-heighted barrier (20.1 kcal/mol), explaining the extensive and irreversible lignin condensation observed during lignin depolymerization. In the presence of FA, VG prefers to react with FA with much lower barrier (13.1–20.7 kcal/mol) to form 1,3-dioxane structures, which protect the reactive sites of VG (1,3-diol groups and the ortho/para positions to methoxyl groups on lignin aromatic rings) and thereby hinder lignin condensation. The theoretical results provide a clear picture of how FA hinders lignin condensation.
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