木质素

本Valsler

人们说木头能让人暖和两次——一次是砍的时候，另一次是烧的时候。但我们还可以加上第三种情况:当它被用来建造你居住的舒适建筑时。本周，布莱恩·克莱格(Brian Clegg)将关注赋予木材巨大属性的化合物。

布莱恩·克莱格

在一个金属和塑料经常占据主导地位的世界里，人们很容易忘记木材对人类文明发展的重要性。一种通用的建筑材料，一种工艺必需品和一种热源，都是天然供应的。即使在今天，你也能在大多数建筑中找到它。而木材多才多艺的核心是一种叫做木质素的复杂芳香聚合物。

木质素的作用就像它在罐头上写的那样，它的名字来自拉丁语，表示木材。话虽如此，尽管这种化合物在木材中的作用可能最为重要，但木质素也存在于具有相同结构的植物中，用于分配水分和营养物质，包括蕨类和开花植物。毫不奇怪，这意味着有大量的木质素，仅次于无处不在的纤维素，是一种有机聚合物，约占生物量的30%。

严格地说，木质素不是一种化合物，而是一个完整的家族——确切的组成因物种而异。每一种都有一个重复的格式，一个单位通常包含一个碳环，一个短碳链，2到4个氧原子，有时还有少量的甲基。然而，与自然界中发现的许多其他聚合物不同，木质素没有标准的结构模式——比如说，没有与DNA优雅的螺旋状骨架等价物。木质素在植物细胞壁中形成随机的结构。在这里，不整洁的网络增加了硬度——因此木质素在木材中的重要性。它的功能被比作玻璃纤维中的环氧树脂，纤维素扮演着玻璃纤维的角色。然而，这并不是木质素所起的唯一作用。

这种化合物尤其在维管植物中被发现是有原因的。细胞壁中的纤维素和其他化合物是亲水的，它们能吸收水分并让水分通过。但在像维管植物的动脉一样的细胞中，水和营养物质必须有效地沿着组织传递，尤其是在树木中，新生物和根之间可能有很大的距离。木质素是疏水的，排斥水——所以细胞壁上的木质素网络起到了保持生命所需液体的作用。

这种能力的第二个含义已被证明对人类非常有用。1813年，当瑞士植物学家奥古斯丁·皮拉穆斯·德·坎多尔首次发现这种化合物时，他指出它不溶于水。一旦植物死亡，木质素的分解速度远远慢于植物细胞中的许多其他有机化合物。这有助于我们使用木材作为一种多功能结构材料的能力，也影响了腐烂的植物物质在堆肥中保留大量营养物质的方式，并使煤和石油等化石碳燃料的形成成为可能，这些燃料使工业革命成为可能。如果没有木质素的缓慢分解，更多的碳将迅速分布在土壤中，不太可能集中形成化石燃料。更重要的是，木材中存在大量的木质素，使其成为一种良好的燃料，因为与其他常见的植物化合物相比，它的碳和氢氧比更高，燃烧时产生更多的能量。

木质素与化石燃料的关系也以新的方式显示出来，这种化合物可以被用作目前依赖石油的产品的替代原料。木质素已被实验性地用于生产塑料、碳纤维、聚氨酯泡沫和生物燃料。当提取木质素时，由于它是一种多极性分子，它也有可能是有用的。虽然它有面向细胞壁的疏水部分，但也有亲水部分。这些分子在生产乳液或操纵其他分子(如离子交换剂)的产品中很有用。尽管到目前为止，这种生产只是小规模的——第一批商业工厂之一于2016年在加拿大投产——但它对环境来说是令人鼓舞的，因为木质素来源的产品如果降解，将是碳中性的，如果不能降解，则是负碳的。与化石燃料不同的是，用于生产它们的碳是最近才被提取它们的植物从空气中吸收的。整个生物炼制工业以木质素为基础，以与目前石油分馏相同的方式进行一系列的产出，已被设想为未来。

在很多方面，木质素是一颗隐藏的宝石。我们无法看到它的复杂结构，因为当它从植物中提取出来时，它们被分解成碎片——但如果没有这些结构，我们就不会有树木和开花植物，也就不会有木材给人类带来的所有好处。即使我们不像过去那样直接使用木材，木质素作为一种绿色能源替代石油的潜力意味着它在未来很长一段时间内仍将是必不可少的。

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布莱恩·克莱格谈无处不在的多用途芳香族聚合物:木质素。下周，一种非常具有侵略性的清洁溶液，研究人员从自然界一种更可怕的动物身上寻找名字。

萨姆特蕾西

它之所以得名，可能是因为它会“吃掉”它接触到的所有有机物质。也可能是因为当它与有机物质反应时，甚至在准备过程中，它倾向于剧烈沸腾，这使它类似于恐怖电影中描述的食人鱼疯狂进食。

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下周加入Sam Tracey，了解更多关于食人鱼的解决方案。在此之前，有任何问题或意见可以通过电子邮件联系chemistryworld@rsc.org或者推特@chemistryworld。我是本·瓦尔斯勒，感谢收看。