Новости химической науки > Никелевый катализатор переработает лигнин

Исследователи из США разработали никельсодержащий гомогенный катализатор, способный к разрушению лигнина – природного полимера, наряду с целлюлозой образующего стенки растительных клеток – на строительные блоки, которые могут использоваться в химической промышленности, например, для получения биотоплива.

Исследователи полагают, что новый никелевый катализатор эффективнее существующих гетерогенных катализаторов, хотя на настоящее время еще пока не может применяться в промышленных масштабах.

В последнее время актуальным направлением исследования стал поиск эффективных методов конверсии биомассы для получения полезных экологически безопасных продуктов. Главной проблемой в разработке подобных методов является то, что основные компоненты растительной биомассы – целлюлоза и лигнин – являются чрезвычайно прочными полимерами, которые не так просто разрушить. Лигнин представляет собой сеть, состоящую из фенилпропановых или фенилизопропановых фрагментов, связанных между собой связями C-O. Для получения полезных в и промышленном синтетическом отношении строительных блоков (а не смеси короткоцепочечных углеводородов) было бы заманчиво подобрать условия расщепления лигнина на фрагменты С₉ с сохранением целостности ароматических фрагментов.

Растительная биомасса отличается высоким содержанием лигнина, однако сложное строение природного полимера затрудняет его превращения в практически полезные низкомолекулярные соединения. (Рисунок из Science, 2011, 332, 439)

Разработанные ранее системы расщепления связей C-O в простых эфирах, содержащих ароматические фрагменты, представляли собой гетерогенные катализаторы, функционирующие только при высоких давлениях и температурах. To одной проблемой в работе таких систем является то, что для них процесс расщепления связи C-O конкурируют с гидрированием ароматических фрагментов, что, во-первых, приводит к образованию сложных трудноразделяемых смесей продуктов, а во-вторых – к перерасходу водорода.

Алексей Сергеев (Alexey Sergeev) и Джон Хартвиг (John Hartwig) из Университета Иллинойса разработали гомогенный катализатор на основе карбенового комплекса никеля, который селективно расщепляет связи C-O ароматических простых эфиров, не затрагивая связи С-О эфиров алифатических, и не ускоряя гидрирование ароматических фрагментов. Помимо высокой селективности новый катализатор привлекателен тем, что работает при меньшем давлении и температуре, чем гетерогенные системы.

Хартвиг отмечает, что исследователи были приятно удивлены, что катализатор с достаточно простым строением способен активировать комплекс достаточно сложных химических реакций неактивированных арильных и бензильных эфиров с высокой селективностью. Высокая селективность катализатора позволяет получать из лигоцеллюлозной биомассы арены С₉, которые в дальнейшем могут использоваться как для получения веществ для тонкого химического синтеза, так и для моторных топлив.

Тем не менее, для практического использования нового катализатора в условиях промышленного производства необходимо в несколько десятков раз понизить его загрузку в реакционную систему. Также желательно увеличить гидролитическую стойкость нового катализатора, так как обычно биомасса отличается высоким содержанием воды.

Источник: Science, 2011, 332, 439; DOI: 10.1126/science.1200437

метки статьи: #биохимия, #кинетика и катализ, #органическая химия, #химическая технология, #химия полимеров, #элементоорганическая химия