Lignin, ki predstavlja enega izmed ključnih sestavnih delov celičnih sten pri višjih rastlinah, ima izjemen potencial za uporabo kot surovina v industriji zaradi svoje zapletene in aromatične strukture. Kljub temu pa lignin, kot naravno prisoten biopolimer, ostaja večinoma neizkoriščen in se ga pretežno uporablja kot nizkovredno gorivo v industriji celuloze in papirja. Vendar pa nedavne raziskave nakazujejo, da bi lignin lahko postal dragocen vir za proizvodnjo visokokakovostnih bioproduktov, če bi bil ustrezno predelan in funkcionaliziran.
Lignin je po vsebnosti tretji najbogatejši biopolimer na Zemlji, takoj za celulozo in hemicelulozo, in predstavlja največji naravni vir aromatskih spojin. Zaradi svoje zapletene kemijske strukture, ki vsebuje fenilpropanoidne enote, povezujejo pa jih različne etrske in karbon-karbon vezi, je lignin težko razgradljiv. Ta stabilnost predstavlja izziv pri njegovem predelovanju in funkcionalizaciji, kar pa je nujno za njegovo vključitev v nove aplikacije, zlasti na področju materialov, kemikalij in energetike.
Cilj te raziskave je bil preučiti možnosti funkcionalizacije lignina z uporabo prilagodljivih zelenih topil, natančneje globokih evtektičnih topil (DES - Deep Eutectic Solvents), ki predstavljajo alternativo tradicionalnim organskim topilom. Globoka evtektična topila so sestavljena iz mešanic dveh ali več komponent, ki tvorijo stabilen sistem z nizko tališčem zaradi tvorbe močnih vodikovih vezi med komponentami. Ta topila imajo številne prednosti, kot so nizka cena, enostavna priprava, nizka toksičnost in okoljska prijaznost, kar jih postavlja v ospredje raziskav na področju zelenih kemikalij.
V tej študij smo pripravili različna globoka evtektična topila z uporabo kombinacij različnih donorskih (HBD) in akceptorskih komponent (HBA) vodikovih vezi. Kot donorske komponente (HBD) smo uporabili, citronovo kislino, sukcinsko kislino, jabolčno kislino in oksalno kislino. Te kisline omogočajo tvorbo močnih vodikovih vezi zaradi prisotnosti karboksilnih in hidroksilnih skupin. Kot akceptorsko komponento (HBA) pa smo uporabili holin klorid, ki se pogosto uporablja v DES zaradi svoje sposobnosti učinkovite tvorbe stabilnih evtektičnih zmesi. Priprava topil je vključevala
segrevanje in mešanje sestavin do homogene zmesi. Viskoznost topila je bila prav tako preučena z mešanjem DES z vodo, saj voda lahko zmanjša viskoznost, vendar lahko vpliva na reaktivnost in učinkovitost reakcije. Ugotovljeno je bilo, da prisotnost vode lahko vpliva na reaktivnost, odvisno od HBD.
Funkcionalizacija lignina je bila izvedena v blagih pogojih, pri atmosferskem tlaku in temperaturah, nižjih od 100 °C, kar predstavlja pomembno prednost v primerjavi s tradicionalnimi metodami, ki pogosto zahtevajo visoke temperature in agresivne kemikalije. Reakcije so potekale v navzočnosti DES, pri čemer smo uporabili različne kombinacije topil in kraft lignina. Kraft lignin se pridobiva kot stranski produkt v Kraft procesu, ki je najpogosteje uporabljen postopek za pridobivanje celuloze iz lesa. V tem procesu se les obdeluje z vročo raztopino natrijevega hidroksida (NaOH) in natrijevega
sulfida (Na$_2$S), kar povzroči razgradnjo lignina v lesu. Alkalni lignin je znan po svoji večji topnosti in reaktivnosti, kar ga dela primernega za nadaljnje kemične modifikacije. Po zaključku reakcije smo funkcionalizirani lignin centrifugirali in osušili in ga nato analizirali z uporabo Fourierjeve transformacijske infrardeče spektroskopije (FTIR), ki je omogočila vpogled v kemijsko strukturo lignina pred in po modifikaciji.
Rezultati FTIR analize so pokazale, da ima vrh pri 1720 cm$^{-1}$, povezan s karboksilnimi skupinami, večjo intenziteto v funkcionaliziranem ligninu kot v navadnem, kar nakazuje na mogočnost funkcionalizacije lignina v prisotnosti različnih DES. Prisotnost vode ni bistveno vplivala na reakcijo, razen pri lignina ki smo ga dobili iz SA:ChCl, kjer je bila zabeležena nižja intenzivnost reakcije. Ti rezultati kažejo na potencial DES za funkcionalizacijo lignina, kar odpira možnosti za razvoj bolj trajnostnih metod za pripravo biomaterialov. Nadaljne raziskave, vključno z forforjevo NMR analizo, bodo potrebne za potrditev prisotnosti -OH in -COOH funkcionalnih skupin v ligninu. Ko bo process funkcionalizacije potrjen, se lahko odprejo nove možnosti za razvoj inovativnih
biomaterialov in trajnostnih rebitev v kemijski industriji.
|
