Ligniini aromaattisten kemikaalien lähteenä

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2016-10-31
Department
Major/Subject
Kemia
Mcode
KE3001
Degree programme
KEM - Kemian tekniikan koulutusohjelma
Language
fi
Pages
82 + 8
Series
Abstract
Tämän diplomityön tarkoituksena oli vertailla erilaisia kuparikatalyyttejä ja lisäaineita ligniinin β-O-4-malliaineiden katalyyttisessä kupari-TEMPO-hapetuksessa. Ligniini on runsaasti aromaattisia ryhmiä sisältävä luonnonpolymeeri, jota saadaan kasviperäisestä biomassasta. Paperi- ja sellutehtaat tuottavat vuosittain n. 50 miljoonaa tonnia ligniiniä, ja suurin osa siitä käytetään polttoaineena tehtaiden energiantuotannossa. Ligniini saataisiin kuitenkin huomattavasti tehokkaammin hyödynnettyä käyttämällä sitä aromaattisten kemikaalien lähteenä. Toisaalta ligniinin epäsäännöllinen rakenne ja sen erotuksessa tapahtuvat rakenteelliset muutokset vaikeuttavat sen hyödyntämistä, mistä johtuen ligniinin hajotus monomeereiksi on vasta tutkimusasteella. β-O-4-sidos on runsaslukuisin ligniinin monomeerien välisistä sidoksista, ja suuri osa tutkimuksesta on keskittynyt sen katkaisuun. Usein tutkimuksissa käytetään oikean ligniinin sijaan malliaineita, joiden hajotustuotteet on helpompi analysoida. Ligniinin sidosten hajotukseen on käytetty useita menetelmiä, joihin kuuluvat mm. katalyyttiset hapetukset, pelkistykset ja hapetuspelkistysneutraalit menetelmät. Työn kirjallisuusosassa tarkastellaan ligniinin rakennetta ja ominaisuuksia, sen erotukseen käytettyjä menetelmiä, sen käyttökohteita sekä sen sidosten hajottamiseen kehitettyjä menetelmiä. Lisäksi kirjallisuusosassa tarkastellaan yksityiskohtaisemmin kupari-TEMPO-katalyyttien käyttöä sekä alkoholien että ligniinin malliaineiden hapetuksessa. Työn tutkimusosassa valmistettiin kaksi β-O-4-malliainetta hapetuskokeita varten. Sopivan analyysimenetelmän löytäminen hapetusreaktioiden konversioiden ja saantojen määrittämiseen osoittautui vaikeaksi, ja lopulta päädyttiin käyttämään kvantitatiivista 1H NMR -spektroskopiaa. Asetonitriilissä suoritetuissa CuCl-2,2’-bipyridiini-TEMPO-hapetuksissa NaBF4:n havaittiin parantavan malliaineiden konversioita ja päätuotteina muodostuvien bentsaldehydien saantoja. Sen sijaan 1-metyyli-imidatsolin vaikutus vaihteli eri kokeissa.

The aim of this master’s thesis project was to compare different copper catalysts and additives in catalytic copper/TEMPO oxidation of lignin β-O-4 model compounds. Lignin is a natural polymer, which contains a high number of aromatic groups and is separated from plant-based biomass. Paper and pulp mills produce annually ca. 50 million tons of lignin, which is mainly used as a fuel to produce energy for the mills. However, lignin could be much more efficiently exploited by using it as a source of aromatic chemicals. On the other hand, the irregular structure of lignin and structural changes caused by its separation processes complicate its exploitation, and consequently degradation of lignin to monomers is still at the study stage. The β-O-4 bond is the most abundant interunit linkage in lignin, and much of the research is focused on its cleavage. In the studies model compounds are often used instead of real lignin since their degradation products are easier to analyze. Several methods have been used to degrade lignin bonds, which include catalytic oxidations, reductions and redox-neutral methods. In the literature review of this work the structure and properties, separation processes and applications of lignin and methods developed for degrading lignin are studied. Moreover, the use of copper/TEMPO catalysts in oxidation of alcohols and lignin model compounds is studied in more detail. In the experimental part two β-O-4 model compounds were prepared for the oxidation experiments. Finding an appropriate method for analyzing the conversions and yields of the reactions turned out to be a challenging task, and eventually quantitative 1H NMR spectroscopy was chosen. In CuCl/2,2’-bipyridine/TEMPO oxidations carried out in acetonitrile, NaBF4 was observed to improve conversions of the model compounds and yields of the benzaldehydes forming as the major products. Instead, the effect of 1-methylimidazole varied in different experiments.
Description
Supervisor
Koskinen, Ari
Thesis advisor
Joensuu, Pekka
Keywords
ligniini, beta-O-4-sidos, selluloosan keitto, kupari, TEMPO, katalyyttinen hapetus
Other note
Citation