Создание фундаментальных основ экологически безопасных методов получения полифункциональных материалов на основе природных полисахаридов

В последние годы возрастает актуальность использования возобновляемых источников сырья для производства различных классов химических продуктов. Наиболее востребованным направлением является переработка древесной биомассы, а в особенности отходов целлюлозно-бумажной промышленности. Этот интерес обусловлен огромным количеством отходов, представляющих собой лигнины и гемицеллюлозы, которые практически не используется в промышленности. По оценкам Министерства энергетики США, в США ежегодно доступно около 400 миллионов тонн гемицеллюлоз. Кроме того, сообщается, что ежегодно около 15 миллионов тонн гемицеллюлоз производится в целлюлозно-бумажной промышленности США. При этом гемицеллюлозы являются вторым наиболее распространенным возобновляемым полимером в лигноцеллюлозной биомассе. В отличие от целлюлозы, в которой мономерные звенья химически однородны, гемицеллюлозы представляют собой семейство гетерогенных полисахаридов с различными структурными единицами. Кроме того, эти полисахариды отличаются друг от друга с точки зрения структуры, физических и физико-химических свойств. Следовательно, использование гемицеллюлоз для разработки функциональных материалов является весьма перспективной, но сложной задачей. Большинство работ по утилизации гемицеллюлоз посвящено деполимеризации с получением химических веществ с добавленной стоимостью, таких как этанол, фурфурол, левулиновая кислота, 5- гидроксиметилфурфурол (HMF) и ксилит. Альтернативным подходом к переработке гемицеллюлоз является их химическая модификация с сохранением полимерной структуры. Благодаря добавлению функциональных групп, частичной деполимеризации с укорочением основной цепи полимера становится возможным получение новых материалов с широким спектром востребованных свойств. Частичная карбонизация гемицеллюлоз с целью получения углерода также является перспективным способом утилизации гемицеллюлоз. Целью проекта является разработка научных основ и методик химической модификации древесных гемицеллюлоз, выделенных путем каталитического фракционирования древесины в окислительной среде, путем взаимодействия с различными четвертичными аммонийными солями. Данный подход позволит получить широкий спектр востребованных катионных полимерных материалов, сорбентов и интерполиэлектролитных комплексов для применения в качестве сорбенов, флокулянтов, для стабилизации коллоидных и биологически активных систем. Применение в работе основополагающих принципов "зеленой химии", в частности, использование катализаторов, физических методов обработки, нетоксичных растворителей и реагентов позволяет говорить о экологической безопасности процессов утилизации отходов целлюлозно-бумажной промышленности. В рамках проекта будут решаться следующие основные научно-технологические задачи: 1. Разработка и оптимизация новых методов модификации гемицеллюлоз различными четвертичными аммонийными солями в качестве катионных этерифицирующих агентов (3-Хлор-2-гидроксипропил)триметиламмоний хлорид (CHPTAC), 2,3-эпрокситриметиламмоний хлорид (EPTAC) и др.) в водных средах, а также ионных жидкостях. 2. Разработка методов модификации катионных гемицеллюлоз с получением востребованных ИПЭК и сорбентов для экологических применений, фармакологии и катализа. 3. Изучение процессов образования ИПЭК, в том числе с включением биологически активных веществ и металлов 4. Разработка фундаментальных основ новых процессов химической модификации гемицеллюлоз с получением сульфат-цитратных и сульфат-ацетатных производных. Исследование кинетики процессов, а также экспериментальная и математическая оптимизация указанных новых процессов. 5. Разработка методов получения интерполиэлектролитных комплексов сульфатов-цитратов и сульфат-ацетатов гемицеллюлоз с катионными полимерами (хитозан). Изучение условий процесса взаимодействия катионных и анионных полиэлектролитов. 6. Исследование процессов эффективного и экологически безопасного получения катионных производных гемицеллюлоз. 7. Изучение физико-химических характеристик и биологической активности полученных производных полисахаридов и ИПЭК на их основе. Выявление взаимосвязи между химическим составом, морфологией и биологическими свойствами новых синтезированных материалов. Решение указанных задач позволит создать научно-технологические основы комплексного подхода к получению модифицированных полисахаридов, которые в перспективе найдут широкое применение в биомедицине, а также в качестве биокатализаторов.