Eine praktikable und nachhaltige Strategie zur Biomasseverwertung

Biomasse, die hauptsächlich aus Lignozellulose und Pflanzenöl besteht, gilt als eine der vielversprechendsten nachhaltigen Quellen für Kohlenstoffrohstoffe für die Synthese von Transportkraftstoffen und Mehrwertchemikalien. Die katalytische Umwandlung von Lignozellulose/Pflanzenöl und ihren verwandten Derivaten hat bei der Biomasseverwertung große Aufmerksamkeit erregt.

Viele elegante Methoden, einschließlich Hydrolyse, Dehydratisierung, Hydrierung, Hydrogenolyse, Oxidation, Veretherung, Veresterung, Aminierung, Aldolkondensation, Diels-Alder-Kondensation, Knoevenagel-Kondensation und Acetalisierung, wurden für die Aufwertung von Lignocellulose-/Pflanzenölderivaten zu Mehrwertchemikalien entwickelt Biokraftstoffe.

Insbesondere wird die Acetalisierung als attraktiver Ansatz bei der Biomasseverwertung befürwortet, da sie sowohl als Synthesewerkzeug für erneuerbare Acetal-Kraftstoffadditive als auch als Schutzstrategie zur Verbesserung der Produktselektivität dient. Ein Team von Wissenschaftlern fasste die neuesten Fortschritte bei der Anwendung der Acetalisierungsstrategie bei der Biomasseverwertung zusammen. Ihre Arbeit ist veröffentlicht in Industrielle Chemie und Materialien.

„Die Entwicklung effizienter und selektiver Strategien ist für die Valorisierung von Lignozellulose-/Pflanzenölderivaten von entscheidender Bedeutung“, sagte Changzhi Li, Professor am Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. „In dieser Übersicht haben wir systematisch die jüngsten Fortschritte diskutiert Anwendung der Acetalisierungsstrategie bei der Biomasseverwertung.“

„Die neuesten Fortschritte in der Entwicklung katalytischer Systeme für die Acetalisierung biobasierter Furanverbindungen und biogenen Ethylenglykols/Glycerins werden systematisch zusammengefasst und diskutiert, wobei der Schwerpunkt auf dem Reaktionsweg, der Beziehung zwischen Katalysatorstrukturen und ihrer Leistung sowie dem relevanten katalytischen Mechanismus liegt. “

„Darüber hinaus wird die Anwendung der Acetalisierungsstrategie zum Schutz von Carbonylgruppen/Diolstrukturfunktionalitäten hervorgehoben, um die Selektivität der Zielprodukte bei der Lignin-Depolymerisation, der 5-Hydroxymethylfurfural-Oxidation, der Sorbitol-Dehydratisierung und der Xylose-Hydrierung zu verbessern. Wir haben auch einen Ausblick auf den Rest gegeben Herausforderungen für dieses Feld.

„Acetalisierung, eine bekannte reversible Reaktion zwischen Carbonylverbindungen und Alkoholen, erfordert normalerweise einen Überschuss eines der Reaktanten, um den reversiblen Abschluss der Acetalisierung zu erzwingen“, sagte Li.

„Dennoch gibt es nur wenige Studien zur Rückgewinnung überschüssiger Reaktanten nach der Reaktion. Darüber hinaus verdient die Trennung und Reinigung zyklischer Acetale/Ketale große Aufmerksamkeit. Es ist zu erwarten, dass eine Rektifikation oder der Entwurf eines geeigneten zweiphasigen Reaktionssystems für diese Umwandlung wahrscheinlich die Rückgewinnung ermöglichen wird das überschüssige Substrat und/oder die Abtrennung des Acetalprodukts.“

„Ein Fünfring-Acetal (d. h. 1,3-Dioxolan) und ein Sechsring-Acetal (d. h. 1,3-Dioxan) sind durch Acetalisierung von Furanverbindungen und Glycerin erhältlich“, sagte Li, „ Die selektive Synthese von 1,3-Dioxolan oder 1,3-Dioxan stellt jedoch immer noch eine erhebliche Herausforderung dar. Die Entwicklung strukturell anpassbarer Katalysatoren oder die Auswahl geeigneter Lösungsmittel kann eine Möglichkeit zur selektiven Synthese von 1,3-Dioxolan oder 1,3-Dioxolan bieten 1,3-Dioxan.“

„Außerdem ist die Verwendung von Rohglycerin, das aus der Biodieselproduktion stammt, für die Acetalisierung wirtschaftlicher, und der Einfluss von Verunreinigungen auf die Acetalisierungsreaktion muss untersucht werden.“

Derzeit gibt es nur begrenzte Forschungsergebnisse, um Einblicke in detaillierte katalytische Mechanismen für die Acetalisierung von Furanverbindungen und Ethylenglykol/Glycerin zu erhalten. Daher sollten mehr Anstrengungen unternommen werden, um das grundlegende Verständnis des katalytischen Mechanismus durch In-situ-Spektroskopiemessungen und Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie zu verstehen.

„Die Synthese eines einzelnen Produkts mit hoher Selektivität während der Verwertung von Biomassederivaten ist aufgrund der Anwesenheit mehrerer funktioneller Gruppen (z. B. C=O, C=C und CO) in Biomassemolekülen eine große Herausforderung“, sagte Li.

„Unter Ausnutzung der Tatsache, dass die Acetalisierung eine reversible Reaktion ist und die gebildeten zyklischen Acetale/Ketale in basischen Medien stabil bzw. von geringer Reaktivität sind, lohnt es sich, die Acetalisierung als Schutzstrategie für die Carbonylgruppe bei der Biomasseverwertung wie der ausschließlichen Hydrierung von C weiter voranzutreiben =C in biobasierten multifunktionalen Verbindungen, während die C=O-Gruppe nicht reduziert bleibt.“

„Unser Hauptziel in dieser Rezension ist es, den Lesern zeitnahe und genaue Forschungsfortschritte zur Anwendung der Acetalisierungsstrategie bei der Biomasseverwertung zu liefern“, sagte Li.