Поиск рентабельной альтернативы ископаемому топливу становится тем более актуальным для химиков, чем в большей степени истощаются запасы нефти и газа. Один из таких перспективных способов был разработан исследователями из США – они нашли условия, позволяющие превратить углевод целлюлозу – пожалуй, самое распространенное на Земле органическое соединение, в 5-гидроксиметилфурфураль [5-(hydroxymethyl)furfural (HMF)], многообещающий прекурсор для получения топлива, альтернативного ископаемому.

Разработанные до настоящего времени методы конверсии углеводов в 5-гидроксиметилфурфураль требовали применения жестких условий и/или токсичных катализаторов на основе тяжелых переходных металлов. Исследователи из группы Рональда Рэйнса (Ronald Raines) предлагают для этой конверсии новый, низкотемпературный подход в режиме one-pot, для реализации которого необходимо использование малотоксичного органокатализатора.

Рис. 1. Рисунок из Chem. Sci., 2013, DOI: 10.1039/c2sc21403b.

Превращение целлюлозы в 5-гидроксиметилфурфураль представляет собой трехстадийный процесс. Он включает в себя

• гидролиз целлюлозы до глюкозы,
• изомеризацию глюкозы до фруктозы и
• дегидратацию фруктозы до 5-гидроксиметилфурфураля.

Самым сложным является переход от глюкозы до фруктозы, это превращение невозможно осуществить без катализатора. Для решения проблемы исследователи использовали фенилборную кислоту в комбинации с хлоридом магния и минеральными кислотами, получив при этом 5-гидроксиметилфурфураль с выходом 54%, этот выход сравним с выходом 5-гидроксиметилфурфураля, который можно достичь с помощью металлокомплексных катализаторов. Сама по себе фенилборная кислота проявляет каталитическую активность, однако эффективность каталитической системы увеличивается в присутствии хлорида магния и минеральных кислот.

Несмотря на то, что для высокой конверсии целлюлозы нужна значительная загрузка фенилбороната, катализатор может быть регенерирован просто за счет добавления воды, что позволяет экстрагировать фенилбороновую кислоту и хлорид магния, при этом каталитическая активность системы борорганического соединения сохраняется.

Для проверки эффективности метода в качестве источника целлюлозы исследователи использовали хлопок, бумажные полотенца и газеты. Выход 5-гидроксиметилфурфураля колебался в пределах 18–40%, в зависимости от степени чистоты целлюлозы. Рэйнс отмечает, что

хотя в этом случае выходы 5-гидроксиметилфурфураля был чуть ниже, результаты показывают, что новый метод может применяться для переработки обычных бытовых отходов в биотопливо и другие полезные вещества.

Ацуси Фукуока (Atsushi Fukuoka), директор центра исследования каталитических процессов из Университета Хоккайдо отмечает, что

ранее для превращения целлюлозы в 5-гидроксиметилфурфураль использовали токсичные соли хрома, и преимуществом нового метода является замена производных хрома на менее токсичные органокатализаторы.