本研究由Ting Wang、Hong-Yuan Chen、Jing-Juan Xu*和Jun Hu*共同完成，分别来自江南大学生命科学与健康工程学院以及南京大学化学化工学院（生命分析化学国家重点实验室）。研究成果以《Catalyst-free cleavage of C─O/C─C bonds in lignin linkages by water microdroplets》为题，于2025年发表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊（DOI: 10.1002/anie.202514150）。

学术背景

木质素（lignin）是植物细胞壁中含量第二的天然高分子聚合物，由苯丙烷单元通过C─O和C─C键连接构成，其中β-O-4键型占比最高（43%~65%）。传统木质素解聚方法需依赖高温高压、昂贵催化剂或危险氧化/还原剂，限制了其工业化应用。本研究基于微液滴化学（microdroplet chemistry）的独特性质，首次提出利用水微液滴（water microdroplets）在无催化剂条件下实现木质素键的选择性断裂，为可再生芳香化合物的绿色生产提供了新思路。研究目标包括：（1）验证微液滴界面自发断裂Cβ─O键的可行性；（2）挑战高稳定性Cα─Cβ键的裂解；（3）阐明反应机制。

研究流程与实验方法

1. 微液滴反应系统构建

研究采用电喷雾-质谱联用技术（ESI-MS），通过拉制毛细管装载底物溶液（如β-O-4模型化合物2-phenoxy-1-phenylethanol, PP-OL），在2.5 cm距离处施加电压生成微液滴（直径约1~10 μm），并实时监测产物（图1a）。关键创新点包括：
- 界面电荷调控：负电荷微液滴表面形成超高电场（10^9 V/m级）和碱性环境（pH≈11），促进Cβ─O键的去质子化断裂。
- 无接触电极设计：金属电极距离毛细管前端≥4 cm，避免电化学干扰。

2. Cβ─O键断裂验证

• 模型化合物选择：PP-OL（β-O-4型）、PP-diol（H型木质素模型）、VG-diol（G型木质素模型）。
  
• 产物鉴定：通过高分辨质谱（HRMS，误差 mDa）和串联质谱（MS/MS）确认酚（phenol, m/z 93.0347）和苯乙酮（acetophenone, m/z 119.0502）的生成（图1b）。离线核磁（1H NMR）进一步验证产物结构（图S3）。
  
• 条件优化：微液滴尺寸（毛细管孔径越小效率越高）、反应距离（延长距离提高转化率）、pH（碱性环境提升产率至76%）等参数的系统优化（图S7-S9）。
  

3. Cα─Cβ键断裂机制探究

• 氧化预处理：将PP-OL氧化为2-phenoxy-1-phenylethan-1-one（PP-one），利用微液滴界面溶解氧（O2）生成过氧中间体（m/z 243.0655），降低Cα─Cβ键解离能（图2a）。
  
• 同位素标记实验：使用H2^18O排除水衍生自由基（·OH/H2O2）的参与（图S17），证明分子氧直接氧化机制（图3a）。
  
• 自由基清除剂验证：TEMPO和DMPO的加入不影响反应效率（图S18），排除自由基路径。
  

4. β-1键型断裂扩展

以2-phenylacetophenone（2-PAP）为模型，证实Cα─Cβ键断裂生成苯甲酸（benzoic acid, m/z 121.0291）（图2b），并通过MS/MS和1H NMR验证（图S25-S26）。

主要结果

1. Cβ─O键高效断裂：PP-OL在微液滴中转化率达71%，产物选择性>90%（图1f）；PP-diol和VG-diol的转化率分别为59.02%和34.12%（图S10）。
   
2. Cα─Cβ键突破性裂解：通过氧化-微液滴协同策略，PP-one和2-PAP的Cα─Cβ键断裂效率分别达3.2%和2.8%（图S22-S31）。
   
3. 机制阐明：界面碱性环境驱动Cβ─O键断裂（图1e），而溶解氧介导的过氧中间体促进Cα─Cβ键裂解（图3a-b）。
   

结论与价值

本研究首次证实水微液滴可作为一种绿色“微反应器”，实现木质素键的无催化剂断裂。其科学价值在于：
1. 机制创新：揭示了微液滴界面电荷、pH和分子氧协同作用的新机制。
2. 应用潜力：为木质素高值化利用提供了温和、低成本的转化路径，有望减少化石资源依赖。
3. 学科交叉：拓展了微液滴化学在生物质转化领域的应用边界。

研究亮点

1. 方法新颖性：首次将微液滴化学应用于木质素解聚，突破了传统热催化/电催化的局限。
   
2. 高选择性：β-O-4键的Cβ─O断裂选择性远超体相反应（体相半衰期需数百年）。
   
3. 实时监测技术：通过原位质谱捕获脆性过氧中间体（图S21），为机制研究提供直接证据。
   

其他价值

本研究暗示，远古时期（约2.6亿年前）真菌进化出木质素降解酶（如木质素过氧化物酶）之前，自然界可能已存在微液滴介导的缓慢解聚过程（图5），为生命起源中的化学进化提供了新视角。