Физико-химические основы новых экологически безопасных и ресурсосберегающих методов направленной трансформации возобновляемых растительных полимеров (целлюлозы, лигнина, гемицеллюлоз) в востребованные функциональные полимеры, нанокомпозитные материалы и ценные химические продукты

Объектами исследования являются древесина сосны, осины, березы, кора кедра, сосны, пихты, береста березы и продукты, полученные при их химической, каталитической и термической переработке. Цель исследований – создание физико-химических основ новых экологически безопасных и ресурсосберегающих методов каталитического окислительного и восстановительного фракционирования лигноцеллюлозной биомассы с получением ценных химических продуктов из целлюлозы, лигнина и гемицеллюлоз, химической модификации биополимеров для придания им новых полезных свойств, синтеза на их основе, органических гелей и нанопористых сорбентов для различных областей применения. В ходе выполнения НИР получены следующие научные результаты: Установлено влияние природы катализаторов на основе переходных металлов и активирующих микроволновых и ультразвуковых воздействий на выход, состав и строение нанофибриллированной целлюлозы, полученной с использованием пероксидной делигнификации древесины сосны. Преимущества предложенного метода получения нанофибриллированной целлюлозы из древесины сосны заключается в сокращении числа технологических стадий и в отсутствии вредных серу и хлор-содержащих делигнифицирующих агентов. На основании кинетических исследований предложены маршруты окислительной деполимеризации крафт лигнина и этаноллигнина пихты и осины кислородом в водно-щелочной среде в присутствии катализаторов, содержащих наноразмерные частицы Pt и Au на поверхности TiO2. Катализатор Pt/TiO2 промотирует реакции конденсации, способствующие образованию ароматических соединений, а катализатор Au/TiO2 благоприятствует реакциям раскрытия ароматического кольца с образованием алифатических соединений. Определены оптимальные характеристики бифункционального катализатора Ru(углерод), обеспечивающих в процессе гидрирования этаноллигнина древесины березы в среде сверхкритического этанола при 300 °С высокий выход жидких продуктов, обогащенных метоксифенолами, среди которых преобладают производные сирингола и гваякола. Оптимизированы методы экстракционного извлечения из древесной коры ценных химических веществ: таннинов и этаноллигнина из коры кедра, бета-ситостерина из коры сосны, дипропионата бетулина (ДПБ) из бересты березы. Механохимическими методами получены новые композиционные материалы по основе биологически активного дипропионата бетулина, обладающие лучшей, чем ДПБ, растворимостью в воде и биодоступностью. Предложено осуществлять солюбилизацию биологически активного бетулина путем его сокристализации с субериновой и адипиновой кислотами при механохимической обработке. Разработаны новые подходы и эффективные методы синтеза биологически активных сульфатированных полисахаридов, основанные на использовании экологически безопасной сульфаминовой кислоты. Установлена возможность регулирования скорости и степени сульфатирования полисахаридов различной природы (производные целлюлозы, хитозан, арабиногалактан, ксилан, ксантан, крахмал, гуар-гам, галактоманнан, галактоглюкоманнан) путем вариации соотношения сульфатирующий агент/полисахарид, температуры и продолжительности процесса, природы растворителя и катализатора. Предложены новые «зеленые» методы сульфатирования арабиногалактана и ксилана, основанные на использовании расплава смеси сульфаминовая кислота/мочевина. Разработаны новые методы получения на основе древесной коры и её полифенольных компонентов востребованных пористых материалов. Для синтеза пористых органических ксерогелей, содержащих сульфогруппы, использован сульфатированный этаноллигнин, выделенный из древесины сосны. Установлена возможность регулирования состава, плотности, пористой структуры и строения лигнин-содержащих ксерогелей путем вариации природы связующего агента (формальдегид, фурфуроловый спирт), содержания сульфатированного этаноллигнина и использования добавок таннинов. Предложено использовать гидролизный лигнин для синтеза лигнин-таннин-формальдегидных и лигнин-таннин-фурфуроловых ксерогелей с регулируемой плотностью и пористой структурой. Показана возможность регулирования выхода и пористой структуры углеродных материалов при карбонизации коры пихты путем ее модификации добавками соединений калия KCl и K3PO4. Установлено, что путем вариации соотношение кора: графит: хлорид цинка можно регулировать текстурные характеристики и электрическую емкость (до 540 Ф/г) получаемого углеродного композита. Результаты выполненных исследований по созданию новых экологически безопасных и ресурсосберегающих методов переработки возобновляемой лигноцеллюлозной биомассы с получением нанофибриллированных целлюлоз, фенольных веществ, биологически активных соединений и сульфатированных полисахаридов, органических гелей, пористых углеродных материалов могут быть использованы при производстве функциональных полимеров и композитов, топливных присадок, в химической и пищевой промышленности, медицине, ветеринарии, охране окружающей среды и других областях. Опубликовано 26 статей, получено 2 патента РФ, представлены 5 докладов на конференциях.