Тема 44.6 Химическая трансформация растительного сырья в ценные органические соединения и новые материалы на их основе

Растительная биомасса генерируется из углекислого газа и воды с использованием солнечного света в качестве источника энергии с выделением кислорода в качестве побочного продукта. Киотский протокол, вместе с желанием уменьшить зависимость общества от импортируемой сырой нефти, привлек внимание исследователей к использованию биомассы в качестве источника энергии и, в частности, транспортного топлива [1]. Если учесть содержание энергии в различных продуктах биомассы, первое место в списке занимают терпены, за ними следуют растительные масла, лигнин и сахара. Ограниченное количество доступных триглицеридов направило будущее развитие крупномасштабного производства биотоплива на лигноцеллюлозу как наиболее перспективный источник. Если лигноцеллюлоза может быть использована в качестве источника биотоплива, тогда более ценные сахара, растительные масла и терпены можно использовать для синтеза химических соединений с более высокой добавленной стоимостью, таких как продукты тонкого органического синтеза. Последние благодаря возобновляемым растительным источникам могут успешно конкурировать с химическими веществами, полученными из нефти, при этом их дальнейшая функционализация позволит создавать материалы с новыми и улучшенными свойствами. В промышленных масштабах глюкоза производится из крахмала путем ферментативного гидролиза, при этом основным источником крахмала является кукуруза. Только в США ежегодно производится около 200–250 млрд. тон данной культуры, причем 1 т зерна позволяет получить около 590 кг глюкозы. Ежегодно производимая кукуруза содержит углеродный эквивалент 500 миллионов баррелей сырой нефти, то есть около двух третей того, что ежегодно расходуется на производство химикатов. Ферментативным путем глюкоза может быть также преобразована в ряд органических кислот, в том числе молочную, янтарную, 3-гидроксипропановую, итаконовую и глутаминовую, каждая из которых, в свою очередь, дает начало широкому спектру ценных продуктов органического синтеза. Таким образом, разработка и реализация новых научных подходов к химической переработке относительно простых органических веществ растительного происхождения, представляющих собой исходные вещества для получения ценных органических соединений и новых материалов на их основе, является актуальной научной проблемой. Её решение обеспечит достижение целей устойчивого развития за счет принципов зеленой химии и использования возобновляемых природных ресурсов. Принимая во внимание имеющийся научный задел по каталитическим способам превращения молочной кислоты в лактид, олиго- и поли(молочную кислоту), на начальном этапе предлагаются к решению следующие задачи: (1) синтез координационных соединений лантаноидов на основе молочной, янтарной и 3-гидроксипропановой кислот; (2) исследование каталитической активности полученных соединений в олиго- и полимеризации указанных органических кислот с целью получения соответствующих гомо- и гетерополимеров. Далее предполагается разработка каталитических систем для реализации следующих процессов органического синтеза в рамках платформ молочной, 2-гидроксипропановой (2HPA) и 3-гидроксипропановой (3HPA) кислот: (3) получение акриловой кислоты дегидратацией 2HPA и 3HPA; (4) получение 1,2-пропандиола гидрированием молочной кислоты или ее сложных эфиров; (5) получение 1,3-пропандиола из 3HPA. На заключительном этапе работ планируется создать новые каталитические системы для реализации следующих реакций органического синтеза в рамках платформы янтарной кислоты: (6) получение сложных эфиров – сукцинатов – путем этерификации янтарной кислоты спиртами или алкоголизом янтарного альдегида; (7) получение алкилиденсукцинатов альдольной конденсацией Стоббе сложных эфиров янтарной кислоты и различных кетонов; (8) получение 2-пирролидона и N-алкилпирролидонов из янтарной кислоты и ее производных (янтарный альдегид, сукцинат аммония, сукцинимид) в присутствии аммиака или первичных аминов.