Новые методы разделения и каталитической трансформации биополимеров лигноцеллюлозы в востребованные химические соединения

Проект направлен на решение проблемы комплексной переработки лигноцеллюлозы – непищевого растительного сырья, в практически ценные химические реагенты и мономеры. В России при обработке древесины и сельскохозяйственной продукции образуется значительное количество лигноцеллюлозных отходов, методы утилизации которых пока малоэффективны. В Китае лигноцеллюлоза рассматривается в качестве перспективного углеродсодержащего сырья для интенсивно растущей экономики. Для эффективного использования лигноцеллюлозы в качестве химического сырья необходимы новые технологии разделения и деполимеризации биополимеров и их конверсии в практически востребованные химические соединения. Целью проекта является разработка новой методологии комплексной переработки лигноцеллюлозы с конверсией всех ключевых биополимеров – лигнина, гемицеллюлозы и целлюлозы, которая основана на применении глубоких эвтектических растворителей (DES), органо-, металлокомплексного и гетерогенного катализа для реализации ключевых стадий разделения биополимеров, деполимеризации полисахаридов и трансформации продуктов деполимеризации в стабильные соединения-платформы. Ключевой особенностью проекта является использование глубоких эвтектических растворителей (deep eutectic solvents, DES) - эвтектических смесей из доноров и акцепторов водородных связей, кислот или оснований Льюиса или Бренстеда, содержащих ионное соединение, как правило четвертичную аммониевую соль (аналоги ионных жидкостей), на стадиях разделения биополимеров и последующих стадиях каталитической трансформации лигнина, гемицеллюлозы и целлюлозы в фенолы, фурфурол и 5-гидроксиметилфурфурол и их производные. DES относятся к новому типу жидких ионных систем, которые по свойствам во многом аналогичны ионным жидкостям. Благодаря высокой полярности и способности к образованию водородных связей, DES обладают высокой растворяющей способностью, сопоставимой с классическими ионными жидкостями. DES, в зависимости от состава, способны растворять лигнин, ксилозу и целлюлозу. Ключевыми преимуществами DES перед ионными жидкостями являются доступность и сравнительно низкая стоимость основных компонентов, низкая токсичность (компоненты, как правило, природные вещества), биоразлагаемость, легкость получения, высокая вариативность состава и свойств. Ключевые элементы новизны разрабатываемой методологии: • применение DES совместно с органо-, металлокомплексными и гетерогенными катализаторами для разделения и деполимеризации биополимеров лигноцеллюлозы, а также трансформации полисахаридов в фурановые соединения; • применение Ni/цеолитных катализаторов для деполимеризации лигнина с получением фенолов; • применение NHC и комплексов металлов с N-гетероциклическими карбенами (M/NHC) в качестве катализаторов реакций окисления, С-Н и С-С активации фурановых субстратов; • синтез мономеров и реагентов фуранового ряда на основе новых каталитических методов С-Н функционализации положений 3 и 4 фуранового цикла. Проект является комплексным и будет выполняться объединенным российско-китайским научным коллективом. Группа китайских химиков решает задачи разделения основных компонентов лигноцеллюлозы (гемицеллюлозы, целлюлозы и лигнина) и каталитической конверсии лигнина в фенолы, а также, совместно с российской группой, конверсии полисахаридов в фурфурол и 5-гидроксиметилфурфурол. Группа российских химиков решает задачи разработки новых органо- и металлокомплексных катализаторов и, совместно с китайской группой, методов трансформации углеводов в 5-гидроксиметилфурфурол, конверсии фурфурола и 5-гидроксиметилфурфурола в реагенты и мономеры фуранового ряда на основе металл-катализируемых реакций окисления, С-Н и С-С функционализации.