Современное состояние и перспективы развития химии растительных полимеров

К.Г. Боголицын

Архангельский государственный технический  университет
Архангельский научный центр УрО РАН

            Приоритеты в химии природных высокомолекулярных соединений растительного происхождения состоят в развитии фундаментальных исследований, представляющих реальную научную основу для создания современных экологически безопасных технологий комплексного и рационального использования природных лесных ресурсов России [1]. Анализ современной ситуации в химико–лесном комплексе показывает, что наблюдается заметный разрыв между прикладными работами в области оптимизации и модификации классических технологических процессов, теоретические основы которых начали создаваться еще в 19 веке и к настоящему моменту достаточно глубоко проработаны, а сами способы исчерпали свои возможности, и разработкой принципиально новых технологий переработки растительного сырья. Для последних, при наличии множества часто противоречивых результатов, не позволяющих сделать четких выводов, практически отсутствует теоретически обоснованная научная база. Важным фактором, сдерживающим прорыв в данной области науки, по нашему мнению, является отсутствие в системе РАН и министерств программ фундаментальных исследований по химии и химической технологии растительных полимеров, академического института и журнала данного профиля.

            Создание современных способов химической переработки древесины должно основываться на выполнении фундаментальных исследований структуры, свойств и закономерностей превращения компонентов древесины на молекулярном и надмолекулярном уровнях.

            Структура клеточных оболочек древесины имеет сложную иерархическую организацию. Молекулярный уровень организации позволяет объяснить свойства отдельного полимера, зависящие от особенностей химического строения. Рассмотрение надмолекулярного уровня затрагивает вопросы взаимодействия компонентов клеточных оболочек. С одной стороны, это вопросы динамики синтеза клеточных оболочек и процессов самоорганизации, управляющих образованием хаотических объектов биологического происхождения, с другой – вопрос термодинамической совместимости компонентов композиции.

            Исследования древесной матрицы с позиций формирования и существования микрогетерогенной композиции биополимеров позволили нам разработать термодинамические методы исследования  компонентов древесины, впервые определить области их термодинамической совместимости и создать физико-химическую модель формирования лигноуглеводной матрицы в процессе биосинтеза и лигнификации клеточных оболочек [2,3].

            Сделанный нами вывод о термодинамической неравновесности древесины  и возможности расширения областей несовместимости ее компонентов за счет химического (использование органических и смешанных растворителей, окислителей и т.д.) и физического (обработка низкоэнтальпийной плазмой, проведение процессов в сверхкритических и приближенных к ним условиях и т.д.) воздействия на лигноуглеводную матрицу служит основой для создания и развития научных положений приоритетных технологий переработки растительного сырья.

            В настоящее время реальной альтернативой существующим методам получения целлюлозы являются органосольвентные способы делигнификации, выгодно отличающиеся как экологической безопасностью, так и простотой регенерации реагентов. В качестве среды для проведения таких процессов используются различные протолитические (одно- и многоосновные спирты) и апротонные (ДМСО, ДМФА, диоксан и ацетон) органические растворители, а также их смеси с водой; в качестве окислителя — молекулярный кислород, перекись водорода, озон и т.д. Известно, что растворитель посредством специфической и неспецифической сольватации различных структурных фрагментов макромолекулы лигнина может оказывать значительное влияние на реакционные и макромолекулярные свойства полимера, а следовательно и на закономерности протекания процесса делигнификации.

            Нами изучено влияние природы растворителя на физико-химические свойства, макромолекулярную структуру лигнина и процессы взаимодействия в системе полимер – низкомолекулярная жидкость. Впервые определены значения физико–химических параметров, характеризующих  реакционную способность лигнина и родственных ему соединений в реакциях окисления-восстановления и кислотно-основных превращениях в различных средах, — эффективного окислительного потенциала и констант ионизации [2,4,5]. Установлена их взаимосвязь со структурными особенностями макромолекул и характеристиками растворителя, что позволило прогнозировать изменение реакционных свойств лигнина в зависимости от способов и технологических режимов химической переработки древесины. На этой основе разработаны новые физико-химические модели и теории современных окислительных, органосольвентных способов делигнификации с использованием селективных гомогенных катализаторов нового поколения, а также трансформации компонентов древесной матрицы в условиях сверхкритической флюидной экстракции.

            Одним из немногих ведущих научных центров страны, успешно работающих в области химии и химической технологии растительного сырья является Научно–образовательный центр «Химия природных соединений» результаты фундаментальных и прикладных исследований которого широко известны в научных кругах.(рис.1) НОЦ основан на базе Проблемной лаборатории химической переработки древесины, созданной в 1954 г. и реорганизованной в 1994 г. в Институт химии и химической технологии древесины Архангельского государственного технического университета, и подразделений Архангельского научного центра УрО РАН, МГУ и выполняет объединяющую и координирующую функции деятельности научных коллективов вузов и исследовательских организаций по научному направлению «Физикохимия полимеров растительного происхождения». Основной целью деятельности НОЦ является проведение фундаментальных и прикладных исследований по приоритетным направлениям науки в области химии и химической технологии растительного сырья и экологии, повышение эффективности внедрения разработок в практику и обеспечение опережающей подготовки и переподготовки кадров, в том числе высшей квалификации, путем объединения усилий на основе новой организационной структуры высшей школы и академической науки, создания наиболее благоприятных условий для развития творческих качеств и способностей человека к приобретению новых знаний и навыков владения современными методами получения, накопления, классификации и передачи знаний, интеграции научных исследований в образовательный процесс в рамках единого научно– образовательного пространства..

            В соответствии с поставленными целями структура НОЦ включает как научно-исследовательскую компоненту, так и важнейшую составляющую — образовательную. Поэтому, определяя инновационную деятельность в образовании как важнейшую, в НОЦ образована принципиально новая по форме и содержанию структура — межуниверситетская кафедра Архангельского государственного технического университета, МГУ им. М.В. Ломоносова, Поморского государственного университета. Кафедра является региональным научным и методическим  центром университетского химического образования и как выпускающая кафедра, единственная в стране, готовит специалистов инженеров-исследователей по специализации «Физикохимия растительных полимеров» по учебному плану, предусматривающему сочетание глубокой химической подготовки в рамках программ классических университетов с фундаментальной технологической подготовкой в области химической переработки растительного сырья и экологии. Подготовка ведется по авторским учебным курсам с привлечением специалистов из ведущих вузов и научных центров страны, стран Баренцева Евро-Арктического региона, Германии, Польши, США.. Работа кафедры осуществляется на основе ежегодных программ и планов, предусматривающих обмен и стажировку преподавателей, научных сотрудников, аспирантов, студентов и выполнение совместных  научных исследований.

            Перечисленные направления деятельности НОЦ характеризуют данную структуру как активно действующий единый научно-образовательный комплекс, в рамках которого координируются и выполняются приоритетные научные исследования в химии и химической технологии растительного сырья, осуществляется принципиально новый подход в подготовке специалистов на основе интегрированного международного образовательного пространства.

Список литературы

1.      Боголицын К.Г. Разработка научных основ экологически безопасных технологий комплексной химической переработки растительного сырья// Изв. вузов. Лесной журнал.- 1998.- №2-3.- С.40-52.

2.      Боголицын К.Г., Резников В.М.. Химия сульфитных методов делигнификации древесины. -М.:Экология, 1994. – 288с.

3.      K. Bogolitsyn. Thermodynamics of wood matrix state // Cellulose and cellulose derivatives: Physico-chemical aspects and industrial applications, Woodhead Pub.Ltd. – 1995.-P.499-506.

4.      Боголицын К.Г., Горбова Н.С., Косяков Д.С.. Кислотно-основные свойства родственных лигнину фенолов в системе вода—апротонный растворитель //Журнал физической химии, 2003 – Т.77. – № 4.-С.667-671.

5.      Боголицын К.Г., Косяков Д.С., Горбова Н.С. Термодинамические параметры кислотной ионизации фенолов гваяцильного ряда в системе вода – диметилсульфоксид. // Журнал физической химии.- 2003 – Т.77.- №.11. – С.1937-1939.