Восстановительное каталитическое фракционирование лигноцеллюлозной биомассы: новый перспективный метод ее комплексной переработки

В обзоре обсуждаются результаты последних исследований в перспективной области комплексной переработки лигноцеллюлозной биомассы – восстановительном каталитическом фракционировании (ВКФ). Рассмотрено влияние катализаторов, сокатализаторов, растворителей, используемых источников водорода, а также природы лигноцеллюлозного сырья на селективность получения мономерных продуктов из лигнина. В процессах ВКФ преимущественно применяются гетерогенные катализаторы, которые позволяют осуществлять восстановительную деполимеризацию лигнина с получением низкомолекулярных соединений при сохранении углеводных компонентов биомассы. Среди изученных катализаторов на основе металлов платиновой группы и переходных металлов, наиболее высокой активностью обладают катализаторы, содержащие Pd, Pt, Ru и Ni. Природа металла также влияет на состав образующихся продуктов. Так, рутениевые катализаторы позволяют получать 4-пропилгваякол в качестве основного продукта, а катализаторы на основе Ni и Pd – 4-пропанолгваякол. Mo-содержащие катализаторы, благодаря их меньшей гидрирующей активности, позволяют получить монолигнолы или их этерефицированные производные при сохранности углеводных компонентов лигноцеллюлозной биомассы. Однако наиболее эффективными в процессах ВКФ являются бифункциональные катализаторы, в которых присутствуют как кислотные, так и металлические активные центры. Кислотные центры способствуют разрыву эфирных β-O-4-связей, а металлические – восстановлению образующихся промежуточных соединений. Важным аспектом в выборе подходящих катализаторов для процесса ВКФ является возможность их многократного применения. Использование ферромагнитного катализатора или корзинки для катализатора позволяет решить задачу его отделения от продуктов процесса.

1. Wang X., Zhou J., Li H. and Sun G. Advanced Materials Research. 2013. Vol. 821-822. P. 1126–1134.

2. Schutyser W., Renders T., Van den Bosch S., Koelewijn S.F., Beckham G.T. and Sels B.F. Chem Soc Rev. 2018. Vol. 47. № 3. P. 852–908.

3. Renders T., Van den Bossche G., Vangeel T., Van Aelst K. and Sels B. Current Opinion in Biotechnology. 2019. Vol. 56. P. 193–201.

4. Li C., Zhao X., Wang A., Huber G.W. and Zhang T. Chemical Reviews. 2015. Vol. 115. № 21. P. 11559–11624.

5. Zhao Y., Shakeel U., Saif Ur Rehman M., Li H., Xu X. and Xu J. Journal of Cleaner Production. 2020. Vol. 253. P. 120076.

6. You T.-T., Zhang L.-M., Zhou S.-K. and Xu F. Industrial Crops and Products. 2015. Vol. 71. P. 65–74.

7. Tarasov D., Leitch M. and Fatehi P. Lignin-carbohydrate complexes: Properties, applications, analyses, and methods of extraction: A review. Biotechnology for Biofuels. 2018. Vol. 11.

8. Zakzeski J., Bruijnincx P.C.A., Jongerius A.L. and Weckhuysen B.M. Chemical Reviews. 2010. Vol. 110. № 6. P. 3552–3599.

9. Lancefield C.S., Panovic I., Deuss P.., Barta K. and Westwood N.J. Green Chemistry. 2017. Vol. 19. № 1. P. 202–214.

10. Van den Bosch S., Koelewijn S. F., Renders T., Van den Bossche G., Vangeel T., Schutyser W. and Sels B.F. Topics in Current Chemistry. 2018. Vol. 376. № 5. P. 36.

11. Deuss P.J., Lancefield C.S., Narani A., de Vries J.G., Westwood N.J. and Barta K. Green Chemistry. 2017. Vol. 19. № 12. P. 2774–2782.

12. Sun Z., Fridrich B., de Santi A., Elangovan S. and Barta K. Chemical Reviews. 2018. Vol. 118. № 2. P. 614–678.

13. Sun Z. and Barta K. Chemical Communications. 2018. Vol. 54. № 56, P. 7725–7745.

14. Taran O.P., Gromov N.V. and Parmon V.N. The Royal Society of Chemistry. 2018. Р. 25–64.

15. Dagle V.L., Smith C., Flake M., Albrecht K.O., Gray M.J., Ramasamy K.K. and Dagle R.A. Green Chemistry. 2016. Vol. 18. № 7. P. 1880–1891.

16. Chen J., Lu F., Si X., Nie X., Lu R. and Xu J. ChemSusChem. 2016. Vol. 9. № 23. P. 3353–3360.

17. Kuznetsov B.N., Sudakova I.G., Garyntseva N.V., Tarabanko V.E., Yatsenkova O.V., Djakovitch L. and Rataboul F. Catalysis Today. 2021. Vol. 375. P. 132–144.

18. Kuznetsov B., Sudakova I., Garyntseva N., Tarabanko V., Chesnokov N., Djakovitch L. and Rataboul F. Kinetic Studies and Optimization of Heterogeneous Catalytic Oxidation Processes for the Green Biorefinery of Wood. Topics in Catalysis. 2020. Vol. 63.

19. Kuznetsov B.N., Sudakova I.G., Garyntseva N.V., Kondrasenko A.A., Pestunov A.V., Djakovitch L. and Pinel C. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis. 2019. Vol. 126. № 2. P. 717–735.

20. Kuznetsov B.N., Sudakova I.G., Garyntseva N.V., Levdansky V.A., Ivanchenko N.M., Pestunov A.V., Djakovitch L. and Pinel C. Wood Science and Technology. 2018. Vol. 52. № 5. P. 1377–1394.

21. Galkin M.V. and Samec J.S. ChemSusChem. 2016. Vol. 9. № 13. P. 1544–1558.

22. Renders T., Van den Bosch S., Koelewijn S.F., Schutyser W. and Sels B.F. Energy & Environmental Science. 2017. Vol. 10. № 7. P. 1551–1557.

23. Van den Bosch S., Schutyser W., Vanholme R., Driessen T., Koelewijn S.F., Renders T., De Meester B., Huijgen W.J.J., Dehaen W., Courtin C.M., Lagrain B., Boerjan W. and Sels B.F. Energy & Environmental Science. 2015. Vol. 8. № 6. P. 1748–1763.

24. Zhang K., Li H., Xiao L.-P., Wang B., Sun R.-C. and Song G. Bioresource technology. 2019. Vol. 285. P. 121335.

25. Kuznetsov B.N., Sharypov V.I., Chesnokov N.V., Beregovtsova N.G., Baryshnikov S.V., Lavrenov A.V., Vosmerikov A.V. and Agabekov V.E. Kinetics and Catalysis. 2015. Vol. 56. № 4. P. 434–441.

26. Macala G.S., Matson T.D., Johnson C.L., Lewis R.S., Iretskii A.V. and Ford P.C. ChemSusChem. 2009. Vol. 2. № 3. P. 215–217.

27. Baryshnikov Sergei V., Sharypov Victor I., Beregovtsova Natalia G., Taran Oksana P., Agabekov Vladimir E. and N K.B. Journal of Siberian Federal University. Chemistry. 2014. Vol. 7. № 3. P. 455–463.

28. Song Q., Wang F., Cai J., Wang Y., Zhang J., Yu W. and Xu J. Energy & Environmental Science. 2013. Vol. 6. № 3. P. 994–1007.

29. Galkin M.V. and Samec J.S.M. ChemSusChem. 2014. Vol. 7. № 8. P. 2154–2158.

30. Ferrini P. and Rinaldi R. Angew Chem Int Ed Engl. 2014. Vol. 53. № 33. P. 8634-–8639.

31. Boocock D.G.B., Mackay D. and Lee P. The Canadian Journal of Chemical Engineering. 1982. Vol. 60. № 6. P. 802–808.

32. Boocock D.G.B., Mackay D., Franco H. and Lee P. The Canadian Journal of Chemical Engineering. 1980. Vol. 58. № 4. P. 466–469.

33. Boocock D.G.B., Kallury R.K.M.R. and Tidwell T.T. Analytical Chemistry. 1983. Vol. 55. № 11. P. 1689–1694.

34. Araya P.E., Droguett S.E., Neuburg H.J. and Badilla-Ohlbaum R. The Canadian Journal of Chemical Engineering. 1986. Vol. 64. № 5. P. 775–780.

35. Кузнецов Б.Н. Катализ химических превращений угля и биомассы. Новосибирск: Наука, Сибирское отлеление, 1990.

36. Calzavara Y., Joussot-Dubien C., Boissonnet G. and Sarrade S. Energy Conversion and Management. 2005. Vol. 46. № 4. P. 615–631.

37. Sun Z., Bottari G., Afanasenko A., Stuart M.C.A., Deuss P.J., Fridrich B. and Barta K. Nature Catalysis. 2018. Vol. 1. № 1. P. 82–92.

38. Rinaldi R., Jastrzebski R., Clough M.T., Ralph J., Kennema M., Bruijnincx P. C. and Weckhuysen B.M. Angew Chem Int Ed Engl. 2016. Vol. 55. № 29. P. 8164–8215.

39. Yan N., Zhao C., Dyson P.J., Wang C., Liu L. T. and Kou Y. ChemSusChem. 2008. Vol. 1. № 7. P. 626–629.

40. Parsell T., Yohe S., Degenstein J., Jarrell T., Klein I., Gencer E., Hewetson B., Hurt M., Kim J.I., Choudhari H., Saha B., Meilan R., Mosier N., Ribeiro F., Delgass W.N., Chapple C., Kenttämaa H.I., Agrawal R. and Abu-Omar M.M. Green Chemistry. 2015. Vol. 17. № 3. P. 1492–1499.

41. Van den Bosch S., Schutyser W., Koelewijn S.F., Renders T., Courtin C.M. and Sels B.F. Chemical Communications. 2015. Vol. 51. № 67. P. 13158–13161.

42. Klein I., Saha B. and Abu-Omar M.M. Catalysis Science & Technology. 2015. Vol. 5. № 6. P. 3242–3245.

43. Schutyser W., Van den Bosch S., Renders T., De Boe T., Koelewijn S.F., Dewaele A., Ennaert T., Verkinderen O., Goderis B., Courtin C.M. and Sels B.F. Green Chemistry. 2015. Vol. 17. № 11. P. 5035–5045.

44. Huang X., Zhu J., Koranyi T.I., Boot M.D. and Hensen E.J. ChemSusChem. 2016. Vol. 9. № 23. P. 3262–3267.

45. Studer M.H., DeMartini J.D., Davis M.F., Sykes R.W., Davison B., Keller M., Tuskan G.A. and Wyman C.E. Proc Natl Acad Sci USA. 2011. Vol. 108. № 15. P. 6300–6305.

46. Torr K.M., van de Pas D.J., Cazeils E. and Suckling I.D. Bioresource technology. 2011. Vol. 102. № 16. P. 7608–7611.

47. Brosse N., Dufour A., Meng X., Sun Q. and Ragauskas A. Biofuels, Bioproducts and Biorefining. 2012. Vol. 6. № 5. P. 580–598.

48. Wang S., Gao W., Li H., Xiao L.-P., Sun R.-C. and Song G. ChemSusChem. 2018. Vol. 11. № 13. P. 2114–2123.

49. Kim S. and Dale B.E. Biomass and Bioenergy. 2004. Vol. 26. № 4. P. 361–375.

50. Luo H., Klein I. M., Jiang Y., Zhu H., Liu B., Kenttämaa H.I. and Abu-Omar M.M. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2016. Vol. 4. № 4. P. 2316–2322.

51. Anderson E.M., Katahira R., Reed M., Resch M.G., Karp E.M., Beckham G.T. and Román-Leshkov Y. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2016. Vol. 4. № 12. P. 6940–6950.

52. Ebikade O.E., Samulewicz N., Xuan S., Sheehan J.D., Wu C. and Vlachos D.G. Green Chemistry. 2020. Vol. 22. № 21. P. 7435–7447.

53. Kazachenko A.S., Tarabanko V.E., Miroshnikova A.V., Sychev V.V., Skripnikov A.M., Malyar Y.N., Mikhlin Y.L., Baryshnikov S.V. and Taran O.P. Catalysts. 2021. Vol. 11. № 1.

54. Kazachenko A.S., Miroshnikova A.V., Tarabanko V.E., Skripnikov A.M., Malyar Y.N., Borovkova V.S., Sychev V.V. and Taran O.P. Catalysts. 2021. Vol. 11. № 8.

55. Rowell R. Handbook Of Wood Chemistry And Wood Composites, 2005.

56. Vangeel T., Renders T., Van Aelst K., Cooreman E., Van den Bosch S., Van den Bossche G., Koelewijn S.F., Courtin C.M. and Sels B.F. Green Chemistry. 2019. Vol. 21. № 21. P. 5841–5851.

57. Stone M., Anderson E., Meek K., Reed M., Katahira R., Chen F., Dixon R., Beckham G. and Roman-Leshkov Y. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2018. Vol. 6.

58. Berstis L., Elder T., Crowley M. and Beckham G.T. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2016. Vol. 4. № 10. P. 5327–5335.

59. Li Y., Shuai L., Kim H., Motagamwala A.H., Mobley J., Yue F., Tobimatsu Y., Havkin Frenkel D., Chen F., Dixon R., Luterbacher J., Dumesic J. and Ralph J. Science Advances. 2018. Vol. 4. P. eaau2968.

60. Казаченко А.С., Барышников С.В., Чудина А.И., Маляр Ю.Н., Сычев В.В., Таран О.П., Дьякович Л., Кузнецов Б.Н. Гидрирование древесины и этаноллигнина пихты водородом в сверхкритическом этаноле в присутствии бифункционального катализатора Ru/C // Химия растительного сырья. 2019. Т. 2. С. (принята в печать).

61. Kumaniaev I., Subbotina E., Sävmarker J., Larhed M., Galkin M.V. and Samec J.S.M. Green Chemistry. 2017. Vol. 19. № 24. P. 5767–5771.

62. Kuznetsov B.N., Sharypov V.I., Baryshnikov S.V., Beregovtsova N.G. and Yakovlev V.A. Journal of Siberian Federal University. Chemistry. 2016. Vol. 9. № 2. P. 230–242.

63. Cheng S., Wilks C., Yuan Z., Leitch M. and Xu C. Polymer Degradation and Stability. 2012. Vol. 97. № 6. P. 839–848.

64. Cheng S., D’cruz I., Wang M., Leitch M. and Xu C. Energy & Fuels. 2010. Vol. 24. № 9. P. 4659–4667.

65. Ghose T.K., Pannir Selvam P.V. and Ghosh P. Biotechnology and Bioengineering. 1983. Vol. 25. № 11. P. 2577–2590.

66. Santos R.B., Hart P., Jameel H. and Chang H.-M. BioResources. 2013. Vol 8. № 1.

67. Sturgeon M.R., Kim S., Lawrence K., Paton R.S., Chmely S.C., Nimlos M., Foust T.D. and Beckham G.T. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2014. Vol. 2. № 3. P. 472–485.

68. Alonso D.M., Bond J.Q. and Dumesic J.A. Green Chemistry. 2010. Vol. 12. № 9. P. 1493–1513.

69. Schüth F. The Royal Society of Chemistry. 2015. Р. 1–21.

70. Moret S., Dyson P.J. and Laurenczy G. Nature Communications. 2014. Vol. 5. P. 4017.

71. Renders T., Cooreman E., Van den Bosch S., Schutyser W., Koelewijn S.F., Vangeel T., Deneyer A., Van den Bossche G., Courtin C.M. and Sels B.F. Green Chemistry. 2018. Vol. 20. № 20. P. 4607–4619.

72. Deuss P.J. and Barta K. Coordination Chemistry Reviews. 2016. Vol. 306. P. 510–532.

73. Deuss P.J., Scott M., Tran F., Westwood N.J., de Vries J.G. and Barta K. J Am Chem Soc. 2015. Vol. 137. № 23. P. 7456–7467.

74. Li C., Zheng M., Wang A. and Zhang T. Energy & Environmental Science. 2012. Vol. 5. № 4. P. 6383–6390.

75. Behling R., Valange S. and Chatel G. Green Chemistry. 2016. Vol. 18. № 7. P. 1839–1854.

76. Chesi C., de Castro I.B.D., Clough M.T., Ferrini P. and Rinaldi R. ChemCatChem. 2016. Vol. 8. № 12. P. 2079–2088.

77. Van den Bosch S., Renders T., Kennis S., Koelewijn S.F., Van den Bossche G., Vangeel T., Deneyer A., Depuydt D., Courtin C.M. Green Chemistry. 2017. Vol. 19. №14. P. 3313–3326.

78. Sun J., Li H., Xiao L.-P., Guo X., Fang Y., Sun R.-C. and Song G. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2019. Vol. 7. № 5. P. 4666–4674.

79. Qiu S., Guo X., Huang Y., Fang Y. and Tan T. ChemSusChem. 2019. Vol. 12. № 4. P. 944–954.

80. Gong X., Sun J., Xu X., Wang B., Li H. and Peng F. Bioresource Technology. 2021. Vol. 333. P. 124977.

81. Huang X., Ouyang X., Hendriks Bart M.S., Gonzalez O.M.M., Zhu J. Faraday Discussions. 2017. Vol. 202. № 0. P. 141–156.

82. Huang X., Morales Gonzalez O.M., Zhu J., Korányi T.I., Boot M.D. and Hensen E.J.M. Green Chemistry. 2017. Vol. 19. № 1. P. 175–187.

83. Renders T., Van den Bosch S., Vangeel T., Ennaert T., Koelewijn S.-F., Van den Bossche G., Courtin C.M., Schutyser W. and Sels B.F. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2016. Vol. 4. № 12. P. 6894–6904.

84. Galkin M.V., Smit A.T., Subbotina E., Artemenko K.A., Bergquist J., Huijgen W.J.J. and Samec J.S.M. ChemSusChem. 2016. Vol. 9. № 23. P. 3280–3287.

85. Huang Y., Duan Y., Qiu S., Wang M., Ju C., Cao H., Fang Y. and Tan T. Sustainable Energy & Fuels. 2018. Vol. 2. № 3. P. 637–647.

86. Kuznetsov B.N., Sharypov V.I., Baryshnikov S.V., Miroshnikova A.V., Taran O.P., Yakovlev V.A., Lavrenov A.V. and Djakovitch L. Catalysis Today. 2021. Vol. 379. P. 114–123.

87. Pepper J.M. and R.W.F. Canadian Journal of Chemistry. 1978. Vol. 56. P. 896–898.

88. Parsell T.H., Owen B.C., Klein I., Jarrell T.M., Marcum C.L., Haupert L.J., Amundson L.M., Kenttämaa H.I., Ribeiro F., Miller J.T. and Abu-Omar M.M. Chemical Science. 2013. Vol. 4. № 2. P. 806–813.

89. Klein I., Marcum C., Kenttämaa H. and Abu-Omar M.M. Green Chemistry. 2016. Vol. 18. № 8. P. 2399–2405.

90. Taran O.P., Sharypov V.I., Baryshnikov S.V., Beregovtsova N.G., Miroshnikova A.V., Kazachenko A.S., Sychev V.V. and Kuznetsov B.N. Kataliz v promyshlennosti. 2020. Vol. 20. № 2. P. 127–139.

91. Alekseeva M.V., Otyuskaya D.S., Rekhtina M.A., Bulavchenko O.A., Stonkus O.А., Kaichev V.V., Zavarukhin S.G., Thybaut J.W., Alexiadis V., Venderbosch R.H. and Yakovlev V.А. Applied Catalysis A: General. 2019. Vol. 573. P. 1–12.

92. Agarwal A., Rana M. and Park J.-H. Fuel Processing Technology. 2018. Vol. 181. P. 115–132.

93. Ullah N., Odda A.H., Liang K., Kombo M.A., Sahar S., Ma L.-B., Fang X.-X. and Xu A.-W. Green Chemistry. 2019. Vol. 21. № 10. P. 2739–2751.

94. Renders T., Schutyser W., Van den Bosch S., Koelewijn S.-F., Vangeel T., Courtin C.M. and Sels B.F. ACS Catalysis. 2016. Vol. 6. no.№ 3. P. 2055–2066.

95. Pepper J.M. and Hibbert H. J Am Chem Soc. 1948. Vol. 70. № 1. P. 67–71.

96. Shuai L. and Luterbacher J. ChemSusChem. 2016. Vol. 9. № 2. P. 133–155.

97. Shuai L., Amiri M.T., Questell-Santiago Y.M., Heroguel F., Li Y., Kim H., Meilan R., Chapple C., Ralph J. and Luterbacher J.S. Science. 2016. Vol. 354. № 6310. P. 329–333.

98. Zhu S., Guo J., Wang X., Wang J. and Fan W. ChemSusChem. 2017. Vol. 10. № 12. P. 2547–2559.

99. Korányi T.I., Fridrich B., Pineda A. and Barta K. Molecules. 2020. Vol. 25. № 12.

100. M.P.J. and W.S. Canadian Journal of Chemistry. 1963. Vol. 41. P. 2867–2875.

101. Chen H., Fu Y., Wang Z. and Qin M. BioResources. 2015. Vol. 10. № 2.

102. Bozell J.J., Black S.K., Myers M., Cahill D., Miller W.P. and Park S.K. Biomass and Bioenergy. 2011. Vol. 35. № 10. P. 4197–4208.

103. Wang X. and Rinaldi R. Angewandte Chemie International Edition. 2013. Vol. 52. № 44. P. 11499–11503.

104. Wang X. and Rinaldi R. Energy & Environmental Science. 2012. Vol. 5. № 8. P. 8244–8260.

105. Chen X., Zhang K., Xiao L.-P., Sun R.-C. and Song G. Biotechnology for Biofuels. 2020. Vol. 13. № 1. P. 2.

106. Sawadjoon S., Lundstedt A. and Samec J.S.M. ACS Catalysis. 2013. Vol. 3. № 4. P. 635–642.