Новости химической науки > Ученые все ближе к разгадке структуры лигнина

Лигнин, компонент клеточных стенок растений, придающий растениям прочность, и позволяющий им вырастать до больших размеров, в тоже время является препятствием при переработке биомассы растений в биотопливо.

Для отработки новых способов использования лигнина исследователи из Великобритании разработали эффективный способ по созданию сложных соединений, которые могли бы выступать в качестве модели лигнина, чтобы помочь себе представить лучший способ разрушения этого биополимера.

Лигнин является сложным и неупорядоченным полимером. На рисунке отображено несколько общих для различных образцов лигнина структурных звеньев. (Рисунок из Green Chem., 2013, DOI: 10.1039/c3gc41110a)

В отличие от целлюлозы, компонента клеточной стенки растения с повторяющейся и регулярной полимерной структурой, лигнин является сложным и неупорядоченным полимером. Структурные звенья лигнина соединяются за счет различных связей, так что один единственный процесс не может разрушить их все. Ранее для моделирования химического строения лигнина использовались мономеры и димеры, но они были слишком простыми для изучения самого лигнина. Были синтезированы и более сложные по строению тримеры, тетрамеры и гексамеры, но методы их синтеза отличались низкой эффективностью и низким выходом продукта.

Работу, выполненную группой исследователей под руководством Гэри Шелдрейка (Gary Sheldrake) из Королевским Университета в Белфасте, по всей видимости можно считать новым существенным этапом в изучении лигнина – она представляет собой развитие нового масштабируемого синтетического подхода для получения сложной модели олигомеров лигнина. Предложенный синтетический протокол может быть реализован в обычной лаборатории, позволяя получить граммовые количества продукта. Шелдрейк отмечает, что конечной целью была разработка надежного способа синтеза. При этом исследователи пытались, насколько это было возможно, избегать использования растворителей, не относящихся к «зеленой химии», а также не применять жесткие условия.

Представленный метод начинается с димеризации ацетованиллона, приводящей к образованию дифенилового соединения. Последовательное восстановление и бромирование приводит к образованию вещества, которое исследователи называют ключевым дибромзамещенным интермедиатом. По мнению Шелдрейка интермедиат увеличивает гибкость и возможность настройки процесса. Это ключевая узловая точка для различных типов связей и структур лигнина, в основании которых лежит именно этот интермедиат. Синтез моделей гексамерных и октамерных соединений уже достигнут благодаря реакциям селективного замещения бромидных фрагментов.

Эксперт по получению биотоплива из биомассы Берт Векхузен (Bert Weckhuysen) из Утрехтского университета в Нидерландах верит, что новый способ получения модельных соединений, имитирующих лигнин, позволит выяснить факт того, как олигомерная структура влияет на легкость, с которой ножницы катализатора могут разрезать различные связующие звенья в лигнине.

Гилл Стефенс (Gill Stephens), изучающий ферментную деполимеризацию лигнина в Ноттингемском университете в Великобритании, допускает, что предыдущие затруднения, связанные с переработкой лигнина, возникали из-за отсутствия хороших моделей этого биологического полимера. Стефенс говорит, что на самом деле хорошо, когда в наличии имеются все связи, характерные для лигнина, находящиеся в правильном порядке, что дает прекрасную возможность начать понимать и контролировать процесс деполимеризации, а также выяснить, как можно ингибировать ферменты, ответственные за полимеризацию лигнина.

Шелдрейк говорит, что исследователи из его группы уже начали определять, какие факторы могут быть полезны при планировании химических методов для разрушения лигнина и его конверсии в полезные химические реагенты. Также Шелдрейк надеется, что другие исследователи, опираясь на результаты его работы, смогут спроектировать и синтезировать такую модель лигнина, которая будет еще более подобна своему прототипу.

Источник: Green Chem., 2013, DOI: 10.1039/c3gc41110a

метки статьи: #биохимия, #органическая химия, #органический синтез, #химия биомассы, #химия полимеров