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Study on the β-O-4 bond cleavage of lignin model compounds in basic systems using tert-butoxide under mild conditions

曾, 旭 東京大学 DOI:10.15083/0002006506

2023.03.24

概要





















曾旭
ZENG Xu

現在、木質バイオマスの有効利用が、社会的な要請となっている。木質バイオマスの分
離あるいは変換過程では、多くの場合において、多糖類であるセルロースおよびヘミセル
ロースとともに主要構成成分を成す芳香族高分子化合物のリグニンを取り除くこと(脱リ
グニン)を目的として、化学的処理を実施する。一般的に脱リグニンは、リグニン単位間結
合様式の中で最大量の β-O-4 結合の開裂によって達成されるため、上記過程の改善には、
β-O-4 結合の開裂反応をよく理解して高効率化することが必要である。申請者が所属する木
材化学研究室では以前に、一般的なアルカリ性下では厳しい条件(1.5 mol/L NaOH 程度以上
かつ 130ºC 程度以上)を必要とするこの開裂反応が、有機溶媒中でカリウム tert-ブトキシド
(KOtBu)を塩基として用いることによって、温和な条件下(0.5 mol/L KOtBu、30ºC)であって
も十分に進行することを確認していた。なお、この際には、β-O-4 結合をもつ C6-C2 型のリ
グニンモデル化合物(I)を用いていた。
これらを背景に申請者は、化合物 I とともにより実際のリグニンの構造に近い β-O-4 結合
をもつ C6-C3 型のモデル化合物(II)も用いて、tert-ブトキシド(tBuO¯)を塩基とする様々な
反応系における β-O-4 結合開裂機構の検討を行った。この際、特に、化合物 II を用いるこ
とよって可能となる芳香核プロピル側鎖部位の erythro 型(IIe)および threo 型(IIt)ジアステ
レオマーの反応性の差異、および、γ-位ヒドロキシメチル基の果たす役割に注目した。本論
文は、これらの実験結果および考察を、次の通りにまとめたものである。
第1章では、本研究を進める上で必要となる背景、既往の知見、および研究目的につい
て、詳しく記載している。
第2章では、上記の以前の研究で用いられた化合物 I を、この以前の研究の一部と全く同
条件下(非プロトン性溶媒のジメチルスルホキシド(DMSO)中、0.5 mol/L KOtBu、30ºC)での
処理に供したところ、以前の研究よりも化合物 I の β-O-4 結合開裂がかなり速かった現象に
ついて、詳しい考察を行っている。すなわち、反応系への水の混入量の増加に伴いその塩
基強度が低下することを見出し、以前の研究においては少量の水が混入しており、これが
化合物 I の β-O-4 結合開裂を相対的に遅くしたことを明らかにしている。
第3章では、化合物 I、IIe、あるいは IIt を第2章に記載の条件下での反応に供し、第一
に、これらの β-O-4 結合開裂速度が化合物 IIt>IIe>I の順であったこと、第二に、この順

が、α-位水酸基が隣接基として関与して β-O-4 結合が開裂する一般的なアルカリ性下におけ
る速度の順(IIe>I>IIt)とは異なったこと、そして第三に、化合物 II の α-位あるいは γ-位
水酸基のいずれかがメチルエーテル化されたモデル化合物を同じ反応に供したところ、化
合物 I、IIe、あるいは IIt よりは遅いがどちらの化合物の β-O-4 結合も十分な速度で開裂し
たこと、の三点に基づき、α-位のみでなく γ-位水酸基も隣接基として関与することによって、
化合物 II の β-O-4 結合が開裂することを明らかにしている。また、各化合物からの生成物
の種類の相違および機構的解析から、化合物 IIt の β-O-4 結合開裂における γ-位水酸基の関
与の程度が、化合物 IIe においてよりも大きいことを示唆しているが、これは、側鎖 erythro
型および threo 型ジアステレオマーの反応性の差異に関する重要な提案となっている。
第4章では、化合物 I、IIe、あるいは IIt をプロトン性溶媒である tert-ブチルアルコール
(tBuOH)中での反応(0.5 mol/L KOtBu、30ºC)に供した場合、第3章で行った DMSO 中での
反応よりは遅いが β-O-4 結合が十分な速度で開裂し、その順番も DMSO 中と同様であるこ
とを明らかにしており、塩基である tBuO¯と水素結合を形成できるプロトン性溶媒中にお
いても、温和な条件下で β-O-4 結合開裂反応が進行し得ることを示している。また、化合物
IIe あるいは IIt を、LiOtBu あるいは NaOtBu とともに DMSO 中での反応に供し、LiOtBu
の場合には反応がほとんど進行しないが、NaOtBu の場合には β-O-4 結合開裂速度が KOtBu
の場合に類似するがその詳細な挙動は異なることを明らかにしている。そして、これらの
結果が主として、上記の tBuO¯ 塩がイオン対あるいは自由イオンとして溶解しているかど
うか、という溶解状態の相違によってもたらされることを提案している。さらに、化合物
IIe あるいは IIt を、カリウム iso-プロポキシド(KOiPr)、カリウムエトキシド(KOEt)、あ
るいは水素化カリウム(KH)とともに DMSO 中での反応(各 0.5 mol/L、30ºC)に供した場合、
前二者では塩基性強度が十分ではないためにほとんど反応が進行しないこと、そして、非
常に塩基性の高い KH の場合には DMSO の高分子化反応による沈殿の生成が引き起こされ
て系の塩基性強度が低下することを示唆しており、塩基性は高いが KH ほどではない KOtBu
の使用で、最も効率的に β-O-4 結合を開裂可能であることを示している。
これらの研究成果は、学術上応用上寄与するところが少なくない。よって、審査委員一
同は、本論文が博士(農学)の学位論文として価値あるものと認めた。

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参考文献

[1] Zeng, X.; Akiyama, T.; Yokoyama, T.; Matsumoto, Y. (2020). Contribution of the γhydroxy group to the β-O-4 bond cleavage of lignin model compounds in a basic system

using tert-butoxide, Journal of Wood Chemistry and Technology, 40 (5): 348-360.

[2] Takeno, K.; Yokoyama, T.; Matsumoto, Y. (2012). Effect of solvent on the β-O-4

bond cleavage of a lignin model compound by tert-butoxide under mild conditions,

Bioresources, 7 (1): 15-25.

[3] Shimizu, S.; Yokoyama, T.; Akiyama, T.; Matsumoto, Y. (2012) Reactivity of lignin

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Food Chemistry, 26 (26): 6471-6476.

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[5] Reichardt, C.; Welton, T. (2010). “Chapter 2: Solute-solvent interactions” in:

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[8] Schriesheim, A.; Rowe, Jr., C. A. (1962). Anionic activation of C-H bonds in olefins

105

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Chemical Society, 84 (16): 3160-3164.

[9] Hofmann, J. E.; Muller, R. J.; Schriesheim, A. (1963). Ionization rates of weak acids

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Journal of the American Chemical Society, 85 (19): 3000-3002.

106

Chapter 5

Summary

107

It has been reported in previous researches that some quantitatively investigate the

impacts of various erythro/threo for β-O-4 bond cleavage in alkaline/water system.

Furthermore, the degradation of the phenolic or non-phenolic C6-C2-type β-O-4 lignin

model compounds has been identified in organic solvent systems under mild conditions.

The present study focus on the β-O-4 bond cleavage of non-phenolic C6-C3-type lignin

model compounds, which have more similar chemical structures to natural lignin than

C6-C2-type because of the existence of the erythro (E) and threo (T) diastereomers.

In Chapter 2, the non-phenolic C6-C2-type β-O-4 lignin model compound I, 2-(2methoxyphenoxy)-1-(3,4-dimethoxyphenyl)ethanol, was treated in potassium tertbutoxide (tBuOK)/dimethylsulfoxide (DMSO) system with/without water addition to

verify the consistency of reaction systems by comparing with former researches and to

remove possible impact factors for the degradation process.

According to the results, it can be found that the water addition has a significant

impact on the degradation rate of the C6-C2-type β-O-4 lignin model compound in

tBuOK/DMSO system. When tBuOK/DMSO system is employed as a delignification

system, there is a necessary to avoid the pollution from water for the whole reaction

system with special attention.

In Chapter 3, the influence of the γ-hydroxymethyl group on the β-O-4 bond

cleavage of C6-C3-type erythro (IIe), and C6-C3-type threo (IIt) non-phenolic lignin

model compounds in tBuOK/DMSO system was investigated detailedly by comparing

the degradation rate of C6-C3-type lignin model compounds with that of C6-C2-type

lignin model compound and that of α-hydroxy or γ-hydroxy groups methyl-etherified

C6-C3-type

analogues,

the

erythro

and

threo

isomers

of

3-methoxy-2-(2-

methoxyphenoxy)-3-(3,4-dimethoxyphenyl)propan-1-ol (IIIe and IIIt) and 3-methoxy2-(2-methoxyphenoxy)-1-(3,4-dimethoxyphenyl)propan-1-ol (IVe and IVt).

108

The β-O-4 bond cleavage rates follow the order compound C6-C3-type threo (IIt) >

C6-C3-type erythro (IIe) > C6-C2-type (I) in tBuOK/DMSO system, suggesting that the

γ-hydroxy groups obviously contribute to the cleavage process, which is contrast to their

minor contributions in common alkaline/water system. The possible reason for the faster

cleavage of IIt than that of IIe is that the hydrogen bond has been generated between a

generated alkoxide and the other hydroxyl group at the α- or γ-position of compound IIe

in its most preferential conformer as well another lesser one to interfere with the attack

of the alkoxide on the β-carbon to break the β-O-4 linkage, while compound IIt does not

have it in its most preferential conformer.

In the tBuOK/DMSO system, the rates of the β-O-4 bond cleavage of the methyletherified compounds were following the order compound IIIt > IVe ≥ IVt > IIIe,

suggesting that the γ-hydroxy group has a more observable contribution in the reaction

of compound IIt than in that of compound IIe, though the reaction rate order cannot be

totally explained.

In the degradation process of compound I, compounds V, VI, VIII, and IX were

identified and quantified as products. Other products cannot be identified and quantified

because of the minor generation. The formation of compound VIII, which is further

converted to compounds VI and IX with some other unknown routes, can be explained

by the common neighboring participation mechanism. Compounds V, VI, VII, VIII,

and IX were identified and quantified as reaction products in the reaction of compound

IIe or IIt. All other reaction products must have been minor. It was clarified that

compounds VII and VIII primarily form via the common neighboring group

participation mechanism of the γ-and α-hydroxy groups, respectively. Compound VII

was surprisingly converted to compound VIII in its exclusive major route as well as to

unidentified minor reaction products. Compounds VI and IX must have been generated

109

from compound VIII. Because the amounts of unidentified reaction products were

smaller in the reaction of compound IIt than in that of compound IIe, it can be suggested

that the γ-hydroxy group of the former contributes more to the β-O-4 bond cleavage than

that of the latter.

In Chapter 4, the impacts of the different solvent, counter cations, or bases for the

β-O-4 bond cleavage, when C6-C3-type erythro (IIe), C6-C3-type threo (IIt), and/or C6C2-type lignin model compounds were used, were investigated, respectively.

In tBuOK/tBuOH system, the degradation rate of compound I, IIe, or IIt was

slower than that of them in the tBuOK/DMSO system, respectively, which can be

explained by the better dissolvability of tBuO¯ in tBuOH than in DMSO. In both

tBuOK/tBuOH and tBuOK/DMSO systems, the same degradation rates order of

compound IIt, IIe, and I, which was following compound IIt > IIe > I and different from

that in common alkaline/water system, was observed and suggested the significant

participation of the γ-hydroxy groups of C6-C3-type lignin model compounds in the βO-4 bond cleavage process.

When tBuOK, tBuONa, or tBuOLi was employed as a base in DMSO, the β-O-4

bond cleavage of compound IIt was faster than that of compound IIe. Basically, the

degradation rates of both compound IIe and IIt in DMSO systems were following the

order of: tBuONa > tBuOK >> tBuOLi, although that of compound IIe was less great in

the tBuONa system than in the tBuOK system at the initial stage. These phenomena still

cannot be explained clearly but probably be caused by whether each base dissolves in

DMSO as the ion pair or free ions, with resulting basicity changing of the system.

When compound IIe or IIt was treated in DMSO by four bases, their degradation

rate is following the order of: tBuOK >> KH >> iPrOK > EtOKThe degradation rate

order, which suggests that the degradation rates were basically dependent on the

110

basicity of these bases except for KH. As for the specific result of KH, one possible

explanation is that the basicity of it is too strong to quantitatively produce the conjugate

base of DMSO in DMSO, with the formation of lots of DMSO originating aggregates

to consequently decrease the basicity of system and the disappearance rate of lignin

model compounds.

111

...

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