W ostatnich latach, wraz z rosnącym niedoborem zasobów kopalnych i pogarszaniem się środowiska życia człowieka, efektywne i zrównoważone wykorzystanie zasobów odnawialnych, takich jak biomasa, stało się przedmiotem badań i uwagi naukowców na całym świecie. Kwas mrówkowy, jeden z głównych produktów ubocznych biorafinacji, charakteryzuje się niskim kosztem i łatwością uzyskania, nietoksycznością, wysoką gęstością energii, odnawialnością i rozkładem itp. Zastosowanie go do nowego wykorzystania energii i transformacji chemicznej nie tylko pomaga jeszcze bardziej rozszerzyć zakres zastosowań kwasu mrówkowego, ale także pomaga rozwiązać niektóre typowe problemy wąskich gardeł w przyszłej technologii biorafinacji. W artykule dokonano krótkiego przeglądu historii badań nad wykorzystaniem kwasu mrówkowego, podsumowano najnowszy postęp badań nad kwasem mrówkowym jako wydajnym i wielofunkcyjnym odczynnikiem i surowcem w syntezie chemicznej i katalitycznej konwersji biomasy, a także porównano i przeanalizowano podstawową zasadę i układ katalityczny zastosowania aktywacji kwasem mrówkowym w celu osiągnięcia wydajnej konwersji chemicznej. Wskazuje się, że przyszłe badania powinny skupiać się na poprawie efektywności wykorzystania kwasu mrówkowego i realizacji syntezy o wysokiej selektywności, a na tej podstawie dalej poszerzać zakres jego zastosowań.
W syntezie chemicznej kwas mrówkowy, jako przyjazny dla środowiska i odnawialny odczynnik wielofunkcyjny, może być stosowany w procesie selektywnej konwersji różnych grup funkcyjnych. Jako odczynnik przenoszący wodór lub środek redukujący o wysokiej zawartości wodoru, kwas mrówkowy ma zalety prostego i kontrolowanego działania, łagodnych warunków i dobrej selektywności chemicznej w porównaniu z tradycyjnym wodorem. Jest szeroko stosowany w selektywnej redukcji aldehydów, nitro, imin, nitryli, alkinów, alkenów i tak dalej, w celu wytworzenia odpowiednich alkoholi, amin, alkenów i alkanów. Oraz hydroliza i odbezpieczanie grup funkcyjnych alkoholi i epoksydów. Z uwagi na fakt, że kwas mrówkowy może być również stosowany jako surowiec C1, jako kluczowy uniwersalny odczynnik zasadowy, kwas mrówkowy może być również stosowany do redukcji formylowania pochodnych chinoliny, formylowania i metylacji związków aminowych, karbonylowania olefin oraz redukcja hydratacji alkinów i innych wieloetapowych reakcji tandemowych, co jest ważnym sposobem na osiągnięcie wydajnej i prostej zielonej syntezy drobnych i złożonych cząsteczek organicznych. Wyzwaniem takich procesów jest znalezienie wielofunkcyjnych katalizatorów o wysokiej selektywności i aktywności do kontrolowanej aktywacji kwasu mrówkowego i określonych grup funkcyjnych. Ponadto ostatnie badania wykazały, że zastosowanie kwasu mrówkowego jako surowca C1 może również bezpośrednio syntetyzować masowe substancje chemiczne, takie jak metanol, z wysoką selektywnością, poprzez katalityczną reakcję dysproporcjonowania.
W katalitycznej konwersji biomasy wielofunkcyjne właściwości kwasu mrówkowego stwarzają potencjał do realizacji ekologicznych, bezpiecznych i opłacalnych procesów biorafinacji. Zasoby biomasy są największymi i najbardziej obiecującymi zrównoważonymi zasobami alternatywnymi, ale przekształcenie ich w nadające się do wykorzystania formy zasobów pozostaje wyzwaniem. Właściwości kwasowe i dobre właściwości rozpuszczalnikowe kwasu mrówkowego można zastosować w procesie wstępnej obróbki surowców biomasy w celu oddzielenia składników lignocelulozy i ekstrakcji celulozy. W porównaniu z tradycyjnym systemem obróbki wstępnej kwasem nieorganicznym ma on zalety w postaci niskiej temperatury wrzenia, łatwej separacji, braku wprowadzania jonów nieorganicznych i dużej kompatybilności z dalszymi reakcjami. Jako wydajne źródło wodoru, kwas mrówkowy był również szeroko badany i stosowany przy wyborze katalitycznej konwersji związków platformy biomasy do substancji chemicznych o wysokiej wartości dodanej, degradacji ligniny do związków aromatycznych oraz procesach rafinacji poprzez hydroodtlenianie biooleju. W porównaniu z tradycyjnym procesem uwodornienia zależnym od H2, kwas mrówkowy charakteryzuje się wysoką wydajnością konwersji i łagodnymi warunkami reakcji. Jest to proste i bezpieczne, a także może skutecznie zmniejszyć zużycie materiałów i energii zasobów kopalnych w powiązanym procesie biorafinacji. Ostatnie badania wykazały, że poprzez depolimeryzację utlenionej ligniny w wodnym roztworze kwasu mrówkowego w łagodnych warunkach można otrzymać aromatyczny roztwór o niskiej masie cząsteczkowej o stosunku wagowym większym niż 60%. To innowacyjne odkrycie stwarza nowe możliwości bezpośredniej ekstrakcji wysokowartościowych aromatycznych związków chemicznych z ligniny.
Podsumowując, biokwas mrówkowy wykazuje ogromny potencjał w zielonej syntezie organicznej i konwersji biomasy, a jego wszechstronność i wielofunkcyjność są niezbędne do osiągnięcia efektywnego wykorzystania surowców i wysokiej selektywności docelowych produktów. Obecnie dziedzina ta poczyniła pewne osiągnięcia i szybko się rozwinęła, jednak do rzeczywistego zastosowania przemysłowego wciąż jeszcze daleko i potrzebne są dalsze badania. Przyszłe badania powinny skupiać się na następujących aspektach: (1) jak wybrać odpowiednie katalitycznie aktywne metale i układy reakcyjne dla określonych reakcji; (2) jak skutecznie i w sposób kontrolowany aktywować kwas mrówkowy w obecności innych surowców i odczynników; (3) Jak rozumieć mechanizm reakcji złożonych reakcji z poziomu molekularnego; (4) Jak ustabilizować odpowiedni katalizator w odpowiednim procesie. Patrząc w przyszłość, w oparciu o potrzeby współczesnego społeczeństwa w zakresie środowiska, gospodarki i zrównoważonego rozwoju, chemia kwasu mrówkowego będzie przyciągać coraz więcej uwagi i badań ze strony przemysłu i środowiska akademickiego.
Czas publikacji: 19 grudnia 2024 r