CN112409608B - 一种羧基化木质素衍生物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种羧基化木质素衍生物及其制备方法。所述羧基化木质素衍生物的特征在于，在所述羧基化木质素衍生物的结构中，所述木质素上的通过氧化反应使1～15％的苯环开环形成的羧基与非离子型亲水性基团接枝。本申请的羧基化方法不以牺牲木质素中的大量酚羟基为代价，通过苯环开环产生新的羧基，显著提高木质素的活性。

Description

一种羧基化木质素衍生物及其制备方法

技术领域

本申请涉及木质素的羧基化，所述木质素的苯环经氧化后开环产生羧基，与非离子型亲水性基团接枝形成活性得到提高的羧基化木质素衍生物。本申请还涉及所述羧基化木质素衍生物的制备方法。

背景技术

木质素因富含酚基和脂族羟基而具有独特的功能，是化学修饰和化学反应的很好的基础材料，可用于开发新的生物基材料，目前该领域已开发出多种具有不同功能的木质素衍生物(参照专利文献1)。

对于羧基化的木质素衍生物，在过去几十年中，通过化学羧基化制备木素基功能型高聚物一直是木质素研究的热点，但是其复杂结构引起的化学反应“惰性”制约了相关研究。因此，提高木质素的反应活性和制备高活性的木质素成为目前功能性木质素衍生物研究中的关键(参照专利文献2)。

木质素的结构复杂，具有疏水性的多苯环结构，可为表面活性剂提供疏水基团，另外其含有的酚羟基等共轭基团还可提供优异的抗氧化性和抗紫外性能。木质素类表面活性剂根据其修饰基团的种类与特性分为三大类：木质素离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂(参照非专利文献1)。

木质素离子型表面活性剂存在如下问题：1.污染环境或存在其他不良影响，例如，硫类物质对环境造成污染，破坏土壤渗透压；2.对水溶液的酸碱值较为敏感，有很强的酸碱效应。例如，木质素磺酸盐在酸性溶液中产生磺酸基，导致溶解度大大减小，以沉淀形式析出，从而失去表面活性以及乳化特性。3.降低某些产品的品质，例如，对于某些食品和护肤品(参照非专利文献2)。木质素离子型表面活性剂存在的这些问题导致其使用受到一定程度的限制。

目前，非离子型表面活性剂成为开发新型木质素类表面活性剂的方向。非离子型表面活性剂具有电离性弱、受酸碱度影响小、易与其他类型表面活性剂复配使用、稳定且不易形成沉淀、耐硬水和低起泡等优点。现有技术中制备木素基非离子型表面活性剂的方法以修饰木质素侧链上酚羟基以及芳香环上酚羟基为主，通过接枝非离子型亲水性基团(例如，聚乙二醇二缩水甘油醚)产生木质素非离子表面活性剂。

但是上述木质素类非离子型表面活性剂制备方法的缺点在于，所述修饰以牺牲木质素中高含量的酚羟基为代价，由此降低了木质素的抗氧化性和抗紫外线的能力，导致木质素表面活性剂的高附加值降低(参照非专利文献3)。

现有技术文献

专利文献1：CN105968852B

专利文献2：CN104610514B

非专利文献1：Cole B W,Huth S,Runnels P.Modification of High-YieldPulps with Polyethylene Glycols.I.Model Compound and Isolated Lignin Studies[J].Journal of Wood Chemistry and Technology,1993,13(1):14.

非专利文献2：Homma H,Kubo S,Yamada T,et al.Preparation andCharacterization of Amphiphilic Lignin Derivatives as Surfactants[J].Journalof Wood Chemistry and Technology,2008,28(4):270-282.

非专利文献3：Lin X,Zhou M,Wang S,et al.Synthesis,Structure,andDispersion Property of a Novel Lignin-Based Polyoxyethylene Ether from KraftLignin and Poly(ethylene glycol)[J].ACS Sustainable Chemistry&Engineering,2014,2(7):1902-1909.

发明内容

发明要解决的问题

面对现有技术中羧基化木质素衍生物存在的诸多问题，本申请主要将研究集中于以下几方面：保护木质素上的酚羟基，使其保留抗氧化性；增强木质素的反应活性，使其更容易接枝功能性高分子基团，例如，非离子型亲水性基团，从而赋予木质素新的功能，例如生产木质素类非离子型表面活性剂。

用于解决问题的方案

本申请通过氧化反应将木质素分子中的苯环开环以产生大量羧基，并使羧基与功能性高分子基团接枝，从而得到有效保留木质素中的酚羟基的同时提高木质素活性等的羧基化木质素衍生物。

本发明主要涉及以下内容：

[1]、一种羧基化木质素衍生物，其特征在于，在所述羧基化木质素衍生物的结构中，所述木质素上的通过氧化反应使1～15％的苯环开环形成的羧基与非离子型亲水性基团接枝。

[2]、根据[1]所述的羧基化木质素衍生物，其特征在于，所述非离子型亲水性基团来源于由聚醚类、聚酰胺类、多元醇类和水溶性高分子组成的组中的一种或多种。

[3]、根据[1]或[2]所述的羧基化木质素衍生物，其特征在于，所述非离子型亲水性基团来源于聚乙二醇。

[4]、根据[1]～[3]中任一项所述的羧基化木质素衍生物，其特征在于，所述羧基化木质素衍生物为木质素接枝聚乙二醇的非离子型表面活性剂。

[5]、一种羧基化木质素衍生物的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

通过氧化反应将木质素的1～15％苯环开环形成羧基，然后将所得的羧基化木质素与具有非离子型亲水性基团的高分子化合物和酸催化剂混合，发生酯化反应，使所述苯环开环形成的羧基与非离子型亲水性基团接枝，得到羧基化木质素衍生物。

[6]、根据[5]所述的方法，其特征在于，所述氧化反应使用的氧化剂选自由臭氧、双氧水、过氧酸类、硝酸、二氧化氮、四氧化二氮、高锰酸钾、亚氯酸及其盐类、次氯酸及其盐类、氧化氮自由基组成的组中的一种或多种。

[7]、根据[5]或[6]所述的方法，其特征在于，所述非离子型亲水性基团来源于由聚醚类、聚酰胺类、多元醇类和水溶性能高分子组成的组中的一种或多种。

[8]、根据[5]～[7]中任一项所述的方法，其特征在于，将所述用于氧化反应的木质素溶解于选自由二氧六环、水、甲酸、乙酸、二甲基亚枫和氢氧化钠溶液组成的组中的一种或多种。

[9]、根据[5]～[8]中任一项所述的方法，其特征在于，所述酸催化剂为选自由小分子路易斯酸型催化剂、固体酸催化剂、均相杂多酸催化剂、超强酸催化剂组成的组中的一种或多种。

[10]、根据[5]～[9]中任一项所述的方法，其特征在于，所述氧化反应以臭氧为氧化剂，在所述木质素溶液的质量体积浓度为0.1～90％，臭氧流速为1～10L min^-1，反应温度为20～40℃下进行，反应时间为0.5～4小时。

[11]、根据[5]～[10]中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)将原料木质素分散到溶剂中，制备成质量体积浓度为0.1～90％的木质素溶液；

(2)将步骤(1)得到的木质素溶液加到反应釜中，进行臭氧氧化反应，所述臭氧的流速为1～10L min^-1，反应温度为20～40℃，反应时间为5分钟至4小时，将反应得到的产物取出，在40～60℃下浓缩蒸发，然后将所得的粘稠的产物用有机溶剂沉淀，并对沉淀出的产物进行过滤；

(3)将步骤(2)过滤得到的产物与聚乙二醇以质量比1:1～1:15混合，添加质量浓度为0.05～20％的酸催化剂，在50～200℃的反应釜中反应0.5～5小时；

(4)向步骤(3)得到的反应产物中添加饱和食盐水，用有机溶剂进行萃取，同时保留有机溶剂相；

(5)将步骤(4)得到的有机溶剂相在40～60℃下浓缩旋蒸，将旋蒸后的产物在有机溶剂中沉淀并过滤；

(6)将步骤(5)得到的过滤产物在20～80℃下真空干燥，去除残余的有机溶剂，获得所述的羧基化木质素衍生物。

[12]、根据权利要求[5]～[11]中任一项所述的方法，其特征在于，所述羧基化木质素衍生物为木质素非离子型表面活性剂。

发明的效果

本申请发现一种活性得到显著提高的羧基化木质素衍生物及其制备方法，该方法还具有工艺简单、成本低且环境友好等特点。

具体而言，本发明的效果包括：

1.通过氧化反应使木质素的1～15％的苯环开环产生大量羧基，在所述开环的位置这些羧基易于与功能性高分子基团接枝，从而得到被赋予新功能的羧基化木质素衍生物。相较于现有技术中通过牺牲酚羟基而接枝聚合物的方法，本发明不但保留了酚羟基从而有效保留了抗氧化性，还通过大量产生羧基而显著提高了木质素的活性。

2.通过上述本发明方法获得臭氧氧化的木质素与聚乙二醇接枝的非离子表面活性剂，该木质素非离子表面活性剂具有水溶液的表面张力低，润湿性强，乳化性能良好、抗氧化性和抗紫外能力高等特点。

附图说明

图1为木质素(EL)和臭氧氧化的木质素(OzEL)的红外谱图(a)，OzEL、OzEL-PEG200、OzEL-PEG1000和OzEL-PEG4000的红外谱图(b)。

图2为EL(a)和OzEL(b)的³¹P-NMR磷谱检测图。

图3为EL-PEG1000和OzEL-PEG1000的水溶性效果图(a)和红外谱图(b)。

图4为显示不同分子量的PEGs和OzEL-PEGs水溶液的表面张力与浓度之间关系的曲线图(a)和接触角与浓度之间关系的曲线图(b)。

图5为吐温80、水、不同分子量的PEGs和OzEL-PEGs的乳化效果图。

图6为EL、OzEL、和OzEL-PEGs基于EC₅₀值分析的抗氧化效果图(a)；和DPPH、DPPH+PEG1000、DPPH+OzEL、DPPH+OzEL-PEG1000的颜色试验反映的抗氧化效果图(b)。

图7为水、OzEL、OzEL-PEG1000的抗紫外线能力的效果图(a)，和不同浓度OzEL-PEGs的UV吸收曲线图(b)。

具体实施方式

<定义>

将本申请中的有关术语定义如下。

本申请的“羧基化木质素衍生物”是指在木质素的芳香核上发生羧基化反应得到的衍生物。具体而言，是指木质素上通过氧化开环形成的羧基与非离子型亲水性基团接枝而成的木质素衍生物。优选为木质素非离子型表面活性剂，更优选为木质素接枝聚乙二醇的非离子型表面活性剂。

本申请中的“非离子型亲水性基团”是指用于形成非离子表面活性剂的亲水性基团，主要由具有一定数量的含氧基团构成。该亲水性基团决定了非离子表面活性剂在某些方面比离子表面活性剂更优异。因为在溶液中不是离子状态，所以稳定性高，不易受强电解质无机盐类存在的影响，也不易受pH值的影响，与其他类型表面活性剂相容性好。

非离子表面活性剂按亲水性基团分类，可分为聚氧乙烯型和多元醇型两类。本申请的非离子型亲水性基团可选自由聚醚类、聚酰胺类、多元醇类、水溶性高分子组成的组中的一种或多种。其中，所述聚醚类可以为例如聚乙二醇、聚丙二醇、聚甘油醚等，所述聚酰胺类可以为例如丙烯酰胺等，所述多元醇类可以为例如甘油、聚乙烯醇、蔗糖、肌醇、异山梨醇等，所述水溶性高分子可以为例如超支化甘油、淀粉、蛋白质、羧甲基纤维素、壳聚糖、海藻提取物等。只要可以与木质素上氧化开环得到的羧基接枝，本申请的非离子型亲水性基团不限于此。

本申请的非离子型亲水性基团优选为聚醚类，更优选为聚乙二醇。

本申请中的“氧化反应”是指木质素三维网络结构上的苯环通过氧化而开环形成羧基的反应，所述羧基可与非离子型亲水性基团接枝。本申请的氧化反应使用的氧化剂可选自由臭氧、氧气、双氧水、过氧酸类、硝酸、二氧化氮、四氧化二氮、高锰酸钾、亚氯酸及其盐类、次氯酸及其盐类、氧化氮自由基组成的组中的一种或多种，但本申请不限于此。

本申请中的“酸催化剂”可使用本领域公知的酸催化剂，只要能催化本申请的羧基化木质素与具有非离子型亲水性基团的高分子化合物发生酯化反应即可。

所述酸催化剂包括小分子路易斯酸型催化剂、固体酸催化剂、均相杂多酸催化剂、超强酸催化剂等。其中，所述小分子路易斯酸型催化剂可选自硫酸、盐酸和三氟化硼等。所述固体酸催化剂可选自碱式硝酸盐、聚合树脂、阳离子交换树脂、硫酸锡、氧化锆等。所述均相杂多酸催化剂可选自固载杂多酸PW₁₂/SiO₂、杂多钨酸、H₃PW₁₂O₄₀、H₃PMo₁₂O₄₀等。所述超强酸催化剂可选自如SO₄/FeO₃、SO₄/TiO₂、SO₄/ZnO₂等的硫酸负载的固体超强酸和如WO₃/ZnO₂、MoO₃/ZnO₂等的金属氧化物负载的固体超强酸等。所述酸催化剂还可为其他催化剂，如DCC(二环己基碳二亚胺)、DIC(N,N’-二异丙基碳二亚胺)、EDC(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)或DMAP(4-二甲氨基吡啶)等，但本申请不限于此。

本申请中的“原料木质素”可使用本领域公知的木质素，不受任何限制。所述原料木质素可选择由磺酸盐木质素、碱木质素、有机提取木质素、球磨木质素、离子液体分离的木质素和酶解木质素组成的组中的一种或多种，但本申请不限于此。

本申请的羧基化木质素衍生物具有广泛用途，可用于非离子型表面活性剂、防紫外和抗氧化剂中的应用等，优选用于非离子型表面活性剂。

<本申请的羧基化木质素衍生物的制备方法>

将原料木质素制成溶液，在反应釜中进行氧化反应得到羧基化木质素，然后与具有非离子型亲水性基团的高分子化合物和酸催化剂混合发生酯化反应，所得产物用有机溶剂萃取，旋转蒸发后用溶剂沉淀，过滤后得到羧基化的木质素衍生物。其中，所述木质素的苯环通过氧化反应开环形成羧基，所述羧基与非离子型亲水性基团接枝。

在上述本申请方法中，可将氧化反应得到羧基化木质素溶解于溶剂中，然后再与具有非离子型亲水性基团的高分子化合物和酸催化剂反应，所述溶剂可选自由二氧六环、水、甲酸、乙酸、二甲基亚枫和氢氧化钠溶液组成的组中的一种或多种，但本申请不限于此。

在上述本申请方法中，用于萃取的有机溶剂不受限制，只要能使羧基化木质素衍生物溶于该溶剂。优选为选自由二氯甲烷、三氯甲烷、乙酸乙酯、碳酸二甲酯、正丁醚、异丙醚、甲乙酮、三氯乙烯和二苯醚组成的组中的一种或多种，更优选选自二氯甲烷、三氯甲烷、乙酸乙酯中的一种或多种，最优选为乙酸乙酯。

在上述本申请方法中，用于沉淀的溶剂不受限制，只要能使羧基化木质素衍生物不溶于该溶剂而沉淀。优选的溶剂为醚类或酸性溶液，更优选为乙醚或pH为1～6的酸化水，最优选为乙醚。

在上述本申请方法中，所述反应釜可使用本领域公知的氧化反应的反应釜，例如，可使用球式或者柱式，可为连续式或者间歇式，也可使用流化床或者固定床，但本申请不限于此。

<本申请的木质素羧基化反应机理>

下面以木质素接枝聚乙二醇非离子型表面活性剂为例，从机理上解释本申请的木质素羧基化反应。

如下为木质素接枝聚乙二醇非离子型表面活性剂的制备流程图。

如图所示，对低附加值的工业级木质素进行臭氧氧化预处理后，所述木质素的苯环开环产生羧基，然后通过酯化反应接枝聚乙二醇。酯化后，通过有机溶剂萃取、沉淀分离、干燥等步骤，得到木质素接枝聚乙二醇的非离子表面活性剂。

该生产工艺中，木质素溶解和纯化所使用的溶剂，例如乙醚、二氧六环、二氯甲烷等可以通过精馏循环使用。所得到的木质素接枝聚乙二醇的非离子表面活性剂具有乳化程度好、抗氧化性能和抗紫外性能优异等优点。另外，整个工艺简单易行、成本低、且绿色环保。

本发明人深入研究该羧基化反应后发现，臭氧氧化的木质素与PEG接枝形成木质素接枝聚乙二醇的非离子表面活性剂的反应机理可能为如下。

臭氧氧化的木质素接枝聚乙二醇的反应机理图

木质素中存在大量的酚羟基和醛基，现有技术中的氧化羧基化反应通常是使酚羟基和醛基转化为羧基，即以牺牲酚羟基为代价。本申请的机理图显示，臭氧氧化使苯环开环，并使苯环上的碳原子形成羧基，而不是将酚羟基转化为羧基，因此，该方法保留了木质素中的大量酚羟基。进一步地，聚乙二醇上的羟基与该羧基反应，使聚乙二醇接枝于木质素上，由此得到亲水亲油两性的非离子型表面活性剂。由于保留了大量的酚羟基，抗氧化性因此得以保留，同时又因为产生很多新的羧基，因此又提高了木质素的活性。

相比于现有技术，本申请的羧基化木质素存在大量的羧基和酚羟基，在成醚或成酯反应中，利用羧基活性高于酚羟基，从而以羧基为接枝位点生产羧基化木质素亲水性衍生物，同时使得酚羟基得以保留，因此显著提高了木质素在极性溶液中的抗氧化性和抗紫外吸收能力。

<木质素接枝聚乙二醇非离子型表面活性剂的制备方法>

在本申请的具体实施方式中，可采用如下步骤制备木质素接枝聚乙二醇非离子表面活性剂：

(1)将原料木质素分散到溶剂中，制备成质量体积浓度为0.1～90％的木质素溶液；

(2)将步骤(1)得到的木质素溶液加到反应釜中，进行臭氧氧化反应，所述臭氧的流速为1～10L min^-1，反应温度为20～40℃，反应时间为5分钟至4小时，将反应得到的产物取出，在40～60℃下浓缩蒸发，将粘稠的产物用有机溶剂沉淀，对沉淀出的产物进行过滤；

(3)将步骤(2)过滤得到的产物与聚乙二醇以质量比1:1～1:15混合，在0.05～20％的酸催化剂作用下，在50～200℃的反应釜中反应0.5～5小时；

(4)向步骤(3)得到的反应产物中添加饱和食盐水，用有机溶剂进行萃取，同时保留有机溶剂相；

(5)将步骤(4)得到的有机溶剂相在40～60℃下浓缩旋蒸，将旋蒸后的产物在有机溶剂中沉淀并过滤；

(6)将步骤(5)得到的过滤产物在20～80℃下真空干燥，去除残余的有机溶剂后得到所述的羧基化木质素衍生物。

上述制备方法中使用的原料木质素、木质素溶解用溶剂、萃取用有机溶剂、沉淀用溶剂与前述本申请的羧基化木质素衍生物的制备方法中限定的相同。使用的聚乙二醇不受限制，可具有各种分子量，优选为PEG200、PEG1000或PEG4000，更优选为PEG1000。

在步骤(1)中，制备的木质素浓度更优选为1～30％，最优选为2～10％。

在步骤(3)中，步骤(2)过滤得到的产物与聚乙二醇的反应质量比更优选为1:2～1:12，最优选为1:5～1:9。反应釜中的反应温度更优选为50～200℃，最优选为80～150℃。反应时间更优选为0.5分钟至10小时，最优选为1～5小时。

<性能检测>

本申请主要涉及如下性能检测。

羧基的定性检测：通过红外光谱(FT-IR)(Nicolet 8700，Thermo Fisher.,美国)对所得产品进行羧基的定性检测。所述光谱在分辨率为4cm^-1和4000～500cm^-1的范围内采集。

羧基的定量检测：通过³¹P NMR对臭氧氧化前后的木质素中的羧基含量进行检测，检测条件如下：

将约20mg真空干燥的样品在磁力搅拌状态下溶于吡啶/氯仿(1.6:1,v/v)溶液中。以环己醇为内标物，乙酰丙酮铬为驰豫试剂，使用2-氯-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧膦杂戊环(TMDP)将羟基磷酸化。在NMR光谱(600MHz)上测量³¹P-NMR光谱。样品以90°脉冲之间25s延迟扫描64次。

分子量分布的检测：使用Waters Styragel HT3THF、Waters Styragel HT4THF和Waters Styragel HT5THF系列柱通过凝胶渗透液相(GPC)对样品进行分子量分布的检测。

以四氢呋喃为流动相，流速为1mL·min^-1，温度为35℃。使用Waters 1525UV吸收检测仪(Waters Corp.,USA)在280nm下监测洗脱。使用1000～100,000g mol^-1的聚苯乙烯标准品进行校准，所有样品均用四氢呋喃溶解并通过0.22mm过滤器过滤。

表面张力检测：使用Wilhelmy板型张力计(Krüss K100,德国)在25℃下测量表面张力。表面张力为6次测量后的平均值。每个样品测量后，将板用乙醇清洗并用火焰烧至红色。

接触角测量：使用外形图像分析法测量接触角。

用丙酮和超纯水将PTFE板洗涤数次，然后用热空气干燥。使用接触角测量仪(DataPhysics,德国)进行静态接触角测量(q)。每次测量在25℃下注入4μL的液滴体积于PTFE板上，拍照并测量接触角大小，每个试验重复6次，结果为6次测量的平均值。

乳化性检测：使用油水乳化的方法检测乳化效果。

将样品溶解在去离子水中并使用具有80％脉冲幅度和85W功率的超声波仪与食用油(10:1，v/v)混合。每个样品超声处理3分钟，然后利用光学显微镜观察乳液一周，用激光粒度仪(Mastersizer 2000,英国)连续测量粒度分布5天，对乳液大小进行表征。

抗氧化性检测：使用DPPH法测定抗氧化活性。

使用乙醇制备DPPH储备溶液(2.5mg/100ml)。将不同浓度的150μl样品与2.85ml的DPPH溶液混合。在室温下黑暗处测量抗氧化活性30分钟，然后用紫外可见光分光光度计(Persee Co.,北京,中国)在516nm下测量吸光度，对照为乙醇。按照下式计算抗氧化活性百分比：

抗氧化活性(％)＝[A_对照-A_样品/A_对照]×100

EC₅₀的检测：EC₅₀值用于描述样品的抗氧化活性，将其定义为使初始DPPH浓度降低到50％所需的抗氧化样品的量。

抗紫外线能力检测：使用紫外分光光度法和硫酸奎宁荧光法测定抗紫外线能力。

使用去离子水制备不同浓度的样品，并且通过紫外分光光度计测量样品在200～400nm的透射率，并绘制不同浓度的样品的UV吸光度，来描述抗紫外线活性。对于奎宁硫酸盐的荧光强度试验，制备硫酸奎宁(1mg mL^-1)和OzEL/OzEL-PEG1000水溶液(0.5mg mL^-1)的水溶液，365nm的紫外光通过样品溶液，然后在黑暗环境中激发硫酸奎宁溶液，拍摄照片以描述硫酸奎宁的荧光强度。

<实施例>

下面结合实施例和附图详细描述本发明，但本申请不限于此。

下述实施例1～3为臭氧氧化的木质素(OzEL)的制备方法，实施例4～6为臭氧氧化的木质素与聚乙二醇接枝的非离子型表面活性剂(OzEL-PEG4000)的制备方法，比较例1为未经臭氧氧化的木质素与聚乙二醇接枝的非离子型表面活性剂(EL-PEG1000)的制备方法，实施例7～8为上述产品的性能测定。

实施例1

(1)将18g酶解木质素分散到600ml(9:1)一四二氧六环/水溶剂中，制备成浓度为3％(g/ml)的木质素溶液。

(2)从步骤(1)得到的木质素溶液中取200ml加入到反应釜中，以1L min^-1流速通入5％的臭氧进行氧化反应，反应温度为25℃，反应时间为1小时。将200ml反应产物取出，55℃旋转蒸发回收溶液，并将剩余的粘稠产物用乙醚沉淀，析出的产物1为4g OzEL，通过过滤进行收集，乙醚溶剂通过精馏回收。

实施例2

从实施例1步骤(1)得到的木质素溶液中取200ml加入到反应釜中，以2L min^-1流速通入5％的臭氧进行氧化反应，反应温度为30℃，反应时间1小时。然后将200ml反应产物取出，55℃旋转蒸发回收溶液，并将剩余的粘稠产物用乙醚沉淀，析出的产物2为4g OzEL，通过过滤进行收集，乙醚溶剂通过精馏回收。

实施例3

从实施例1步骤(1)得到的木质素溶液中取200ml加入到反应釜中，以2L min^-1流速通入5％的臭氧进行氧化反应，反应温度为30℃，反应时间2小时。然后将200ml反应产物取出，55℃旋转蒸发回收溶液，并将剩余的粘稠产物用乙醚沉淀，析出的产物3为4g OzEL，通过过滤进行收集，乙醚溶剂通过精馏回收。

实施例4

(1)将18g酶解木质素分散到600ml(9:1)一四二氧六环/水溶剂中，制备成浓度为3％(g/ml)的木质素溶液。

(2)从步骤(1)得到的木质素溶液中取200ml加入到反应釜中，以1L min^-1流速通入5％的臭氧进行氧化反应，反应温度为25℃，反应时间为1小时。然后将200ml反应产物取出，55℃旋转蒸发回收溶液，并将剩余的粘稠产物用乙醚沉淀，析出的产物4g通过过滤进行收集，乙醚溶剂通过精馏回收。

(3)从步骤(2)过滤得到的产物中取0.5g与PEG1000按质量比为1:9混合，在0.035mg的0.7％的浓硫酸催化剂作用下，在120℃的反应釜中反应2小时。

(4)向步骤(3)反应得到的产物5g中加入100ml饱和食盐水，用100ml二氯甲烷进行萃取，同时保留有机溶剂相。

(5)将步骤(4)得到的有机溶剂相100ml在55℃下进行浓缩旋蒸，然后将旋蒸后的产物5g在100ml乙醚中沉淀并过滤。

(6)将步骤(5)得到的过滤产物1.5g在60℃下真空干燥，去除残余的有机溶剂后，得到木质素接枝PEG1000的非离子表面活性剂OzEL-PEG1000为1.25g。

实施例5

以与实施例4相同的方式，从步骤(2)过滤得到的产物中取0.5g，进行如下步骤的反应和处理。

(3)从步骤(2)过滤得到的产物中取0.5g与PEG200按质量比为1:9混合，在0.035mg的0.7％的浓硫酸催化剂作用下，在120℃的反应釜中反应2小时。

(4)向步骤(3)反应得到的产物5g中加入100ml饱和食盐水，用100ml二氯甲烷进行萃取，同时保留有机溶剂相。

(5)将步骤(4)得到的有机溶剂相100ml在55℃下进行浓缩旋蒸，然后将旋蒸后的产物5g在100ml乙醚中沉淀并过滤。

(6)将步骤(5)得到的过滤产物1g在60℃下真空干燥，去除残余的有机溶剂后，得到OzEL-PEG200非离子表面活性剂0.83g。

实施例6

以与实施例4相同的方式，从步骤(2)过滤得到的产物中取0.5g，进行如下步骤的反应和处理。

(3)从步骤(2)过滤得到的产物中取0.5g与PEG4000按质量比为1:9混合，在0.035mg的0.7％的浓硫酸催化剂作用下，在120℃的反应釜中反应2小时。

(4)向步骤(3)反应得到的产物5g中加入100ml饱和食盐水，用100ml二氯甲烷进行萃取，同时保留有机溶剂相。

(5)将步骤(4)得到的有机溶剂相100ml进行浓缩旋蒸，温度55℃，然后将旋蒸后的产物5g，过葡聚糖凝胶G-25柱分离，去离子水做流动相。

(6)将步骤(5)得到的过滤产物冷冻干燥，得到OzEL-PEG4000非离子表面活性剂2.3g。

比较例1

以与实施例4相同的方式，用0.5g酶解木质素代替实施例4的从步骤(2)过滤得到的产物中取0.5g，进行如下步骤的反应和处理。

(3)用0.5g酶解木质素与PEG1000按质量比为1:9混合，在0.035mg的0.7％的浓硫酸催化剂作用下，在120℃的反应釜中反应2小时。

(4)向步骤(3)反应得到的产物5g中加入100ml饱和食盐水，用100ml二氯甲烷进行萃取，同时保留有机溶剂相。

(5)将步骤(4)得到的有机溶剂相100ml在55℃下进行浓缩旋蒸，然后将旋蒸后的产物5g在100ml乙醚中沉淀并过滤。

(6)将步骤(5)得到的过滤产物0.6g在60℃下真空干燥，去除残余的有机溶剂后得到EL-PEG1000非离子表面活性剂0.4g。

实施例7

以实施例1～3的臭氧氧化产物OzEL为样品进行羧基的定性和定量测试，结果如下。

[羧基定性的检测结果]

图1中的a图为实施例1的EL和OzEL的红外谱图，可以看出，对应于苯环的1606cm^-1和1550cm^-1处的峰降低，1718cm^-1处出现明显的信号峰，为羧基的信号峰，该信号峰明显加强。该结果表明，部分苯环被臭氧降解，羧基被引入木质素基质中。

[羧基定量的检测结果]

对上述实施例1中的EL和OzEL进行磷谱NMR检测(参见图2)，通过羧基含量的变化计算苯环开环的比例。

由图2的磷谱计算羧基量，结果记载于表1中。表1结果显示，臭氧处理前后羧基量增加1倍，有3.7％的苯环开环形成羧基。

对实施例2和3的OzEL也进行磷谱检测(未提供附图)，发现分别有6.5％和12％的苯环开环产生新的羧基。

上述实验结果表明，本发明条件下进行的臭氧氧化可以使部分苯环开环，形成新的羧基，提高了木质素的活性。相对于未进行苯环开环的木质素氧化，不仅保留了原有的酚羟基，还因为增加羧基含量而使抗氧化性相对提高。

表1 ³¹P NMR测量EL和OzEL中的羧基含量

实施例8

以实施例4～6和比较例1获得的OzEL-PEG200、OzEL-PEG1000、OzEL-PEG4000、EL-PEG1000、PEG200、PEG1000、PEG4000、水和吐温80为样品，进行分子量分布、表面张力、接触角、临界胶束浓度、乳化效果、抗氧化效果、抗紫外线能力方面的检测，检测结果如表2～3和图1、3～7所示。

[臭氧氧化对羧基与PEG接枝的影响]

图1中的b图为OzEL、OzEL-PEG200、OzEL-PEG1000、OzEL-PEG4000的红外测试谱图。可以看出，随着PEG分子量的增长，样品中PEG的信号峰不断加强，表明PEG1000、PEG200和PEG4000与OzEL均实现接枝。

图3中a图显示臭氧氧化前后木质素与PEG反应后样品的EL-PEG1000和OzEL-PEG1000的水溶性，EL-PEG1000比OzEL-PEG1000的反应性差，产物的水溶性差，静止出现大量沉淀，说明PEG1000没有被大量的接入酶解木质素，相反，臭氧氧化处理后的样品OzEL与PEG1000反应后表现出很好的水溶性。

图3中b图为EL-PEG1000和OzEL-PEG1000的红外谱图，木质素臭氧氧化后得到的OzEL-PEG1000的信号峰强，说明臭氧氧化有利于酶解木质素与PEG1000的接枝。实施例4与比较例1也显示，同样反应条件下，获得的EL-PEG1000比OzEL-PEG1000少，说明臭氧氧化显著改善了木质素与PEG的接枝效果。

[分子量检测结果]

表2显示了EL、OzEL和OzEL-PEGs的分子量，酯化后具有较长链的PEG显示较高的分子量和较低的木质素含量，进一步证明PEG被接枝到木质素上。OzEL的Mw/Mn(PDI)为1.28，OzEL-PEG200和1000的PDI分别为1.33和1.52，表明衍生化相对均匀。

表2.EL、OzEL和OzEL-PEGs的木质素含量、重均分子量(Mw)、数均分子量(Mn)以及分散性(Mw/Mn)。

[表面性质实验结果]

表3与图4显示了本申请方法制备的木质素-PEG非离子表面活性剂的表面特性。

表3.OzEL-PEGs在25℃水中的表面性质

a CMC，临界胶束浓度

b_γCMC，CMC时的表面张力

如表3和图4中的a图所示，OzEL-PEGs溶液的表面张力随其浓度增加而降低。对于PEG分子量的影响，OzEL-PEG200显示CMC值为0.11mg mL^-1，OzEL-PEG1000和OzEL-PEG4000分别为0.27mg mL^-1和0.17mg mL^-1。因此，OzEL-PEG1000表现出最佳的表面活性，γCMC为52.87mN m^-1，而OzEL-PEG200和OzEL-PEG4000的表面活性稍差，γCMC分别为55.42mN m^-1和57.48mN m^-1。

图4中的b图显示了不同浓度的OzEL-PEGs在聚四氟乙烯(PTFE)板上的接触角。结果显示，OzEL-PEG1000随浓度的增加，接触角从115°减小至91°，在CMC之后该值保持恒定。相比之下，OzEL-PEG200和OzEL-PEG4000仅将接触角分别降低至94.9°和99.4°。

[乳化性实验结果]

图5显示了OzEL-PEGs的乳化效果图。由图可以看出，超声处理后三个样品OzEL-PEG200、OzEL-PEG1000、OzEL-PEG4000以及吐温80均发生明显的乳化现象，PEG200、PEG1000、PEG4000以及水则发生明显的油水分离。由此可知，OzEL-PEG200、OzEL-PEG1000、OzEL-PEG4000均具有良好的乳化能力。

[抗氧化性实验结果]

基于EC₅₀值分析抗氧化性质，EL、OzEL、OzEL-PEG200、OzEL-PEG1000、OzEL-PEG4000的EC₅₀值示于图6的a中。由a图可以看出，在不同分子量的OzEL-PEGs样品中，OzEL-PEG1000的抗氧化活性最高。b图的颜色试验也验证了此点，DPPH+OzEL-PEG1000使DPPH的粉紫色变为乳黄色。

[抗紫外线能力实验结果]

图7中的a图显示了OzEL-PEG200、OzEL-PEG1000、OzEL-PEG4000的抗紫外线能力效果。如a图所示，将365nm紫外光分别通过水、OzEL、OzEL-PEG1000水溶液照在硫酸奎宁上，当紫外光通过水照射硫酸奎宁溶液时，出现强烈的蓝色荧光，而当紫外光分别通过OzEL和OzEL-PEG1000照射硫酸奎宁溶液时，荧光强度减弱至中蓝色或弱蓝色。由此可知，OzEL-PEG1000表现出最强的抗紫外线活性。

图7中的b图显示了不同浓度和PEG分子量的OzEL-PEGs的UV吸收曲线，根据200～400nm波长下的积分面积计算UV吸收能力。OzEL-PEG1000显示出最强的抗紫外线性，在0.1％的浓度下可达到99％。此外，b图还显示OzEL-PEG1000的抗紫外线性能与其浓度成正比。

产业上的可利用性

本申请人潜心研究后发现一种制备羧基化木质素衍生物的新方法，所得羧基化木质素衍生物具有较高的抗氧化性和抗紫外线能力。特别是，本申请获得一种表面性能、乳化效果、抗氧化效果、抗紫外线性能均优异的木质素接枝聚乙二醇非离子表面活性剂。本申请方法具有工艺简单易行，成本低，绿色环保的优点，适于工业化生产。

Claims (9)

1.一种羧基化木质素衍生物，其特征在于，在所述羧基化木质素衍生物的结构中，所述木质素上的通过氧化反应使3.7～12％的苯环开环形成的羧基与非离子型亲水性基团接枝，所述羧基化木质素衍生物为木质素非离子型表面活性剂，所述非离子型亲水性基团来源于由聚醚类、聚酰胺类和多元醇类组成的组中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的羧基化木质素衍生物，其特征在于，所述非离子型亲水性基团来源于聚乙二醇。

3.根据权利要求1或2所述的羧基化木质素衍生物，其特征在于，所述羧基化木质素衍生物为木质素接枝聚乙二醇的非离子型表面活性剂。

4.一种羧基化木质素衍生物的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

通过氧化反应将木质素的3.7～12％苯环开环形成羧基，然后将所得的羧基化木质素与具有非离子型亲水性基团的高分子化合物和酸催化剂混合，发生酯化反应，使所述苯环开环形成的羧基与非离子型亲水性基团接枝，得到羧基化木质素衍生物，所述羧基化木质素衍生物为木质素非离子型表面活性剂，所述非离子型亲水性基团来源于由聚醚类、聚酰胺类和多元醇类组成的组中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述氧化反应使用的氧化剂选自由臭氧、双氧水、过氧酸类、硝酸、二氧化氮、四氧化二氮、高锰酸钾、亚氯酸及其盐类、次氯酸及其盐类、氧化氮自由基组成的组中的一种或多种。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，将所述用于氧化反应的木质素溶解于选自由二氧六环、水、甲酸、乙酸、二甲基亚枫和氢氧化钠溶液组成的组中的一种或多种。

7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述酸催化剂为选自由小分子路易斯酸型催化剂、固体酸催化剂、均相杂多酸催化剂、超强酸催化剂组成的组中的一种或多种。

8.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述氧化反应以臭氧为氧化剂，在所述木质素溶液的质量体积浓度为0.1～90％，臭氧流速为1～10L min^-1，反应温度为20～40℃下进行，反应时间为0.5～4小时。

9.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)将原料木质素分散到溶剂中，制备成质量体积浓度为0.1～90％的木质素溶液；

(2)将步骤(1)得到的木质素溶液加到反应釜中，进行臭氧氧化反应，所述臭氧的流速为1～10L min^-1，反应温度为20～40℃，反应时间为5分钟至4小时，将反应得到的产物取出，在40～60℃下浓缩蒸发，然后将所得的粘稠的产物用有机溶剂沉淀，并对沉淀出的产物进行过滤；

(3)将步骤(2)过滤得到的产物与聚乙二醇以质量比1:1～1:15混合，添加质量浓度为0.05～20％的酸催化剂，在50～200℃的反应釜中反应0.5～5小时；

(4)向步骤(3)得到的反应产物中添加饱和食盐水，用有机溶剂进行萃取，同时保留有机溶剂相；

(5)将步骤(4)得到的有机溶剂相在40～60℃下浓缩旋蒸，将旋蒸后的产物在有机溶剂中沉淀并过滤；

(6)将步骤(5)得到的过滤产物在20～80℃下真空干燥，去除残余的有机溶剂，获得所述的羧基化木质素衍生物。

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