INVESTIGATION OF ACID-CATALYSED CONVERSION OF LIGNOCELLULOSIC BIOMASS BY 1H NMR SPECTROSCOPY | ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯМР 1Н СПЕКТРОСКОПИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ПРОДУКТОВ КИСЛОТНО-КАТАЛИЗИРУЕМОЙ КОНВЕРСИИ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ БИОМАССЫ

English. The composition of the products of acid-catalyzed conversion of plant materials was studied using 1H NMR spectroscopy. CH3SO3H was used as an acid catalyst. A procedure was developed for quantitative determination of the content of such compounds as glucose, furfural, 5-hydroxymethylfurfural, formic, acetic, glycolic and levulinic acids in reaction mixtures. This was carried out on the basis of the integrated intensities of the corresponding signals in 1H NMR spectra using CH3SO3H as an internal standard. Birch, oak and pine wood samples, as well as agricultural waste, were selected as the starting plant materials for the acid-catalyzed conversion. Hydrolysis was carried out in a 3.5% solution of methanesulfonic acid in D2O at temperatures from 120 °C to 160 °C in sealed glass ampoules. The use of D2O allowed NMR studies of the reaction products to be carried out without additional sample preparation. The results obtained on the basis of 1H NMR spectra showed that the ratio of hydrolysis products depends on the ratio of cellulose and hemicellulose in the feedstock. When carrying out the acid-catalyzed conversion process at different tem-peratures (120 °C, 140 °C, 160 °C), the effect of temperature on the composition and yield of the reaction products was studied. It was revealed that with increasing temperature the amount of mon-osaccharides decreases, while the yield of formic and acetic acids increases. The maximum yield of levulinic acid and furfural is observed at a temperature of 140 °C. These data emphasize the effect of temperature conditions on the efficiency of the process for optimizing the production of the de-sired products, which may be of great importance for further research in the field of conversion of plant materials into useful chemicals.

Russian. С помощью ЯМР 1Н спектроскопии был изучен состав продуктов кислотно-катализируемой конверсии растительных материалов. В качестве кислотного катализатора использовалась CH3SO3H. Разработана методика количественного определения содержания таких соединений, как глюкоза, фурфурол, 5-гидроксиметилфурфурол, муравьиная, уксусная, гликолевая и левулиновая кислоты в реакционных смесях. Это осуществлялось на основе интегральных интенсивностей соответствующих сигналов в 1Н ЯМР спектрах с использованием CH3SO3H как внутреннего стандарта. В качестве исходных растительных материалов для кислотно-катализируемой конверсии были выбраны образцы древесины березы, дуба и сосны, а также сельскохозяйственные отходы. Гидролиз проводился в 3.5% растворе метансульфоновой кислоты в D2O при температурах от 120 °C до 160 °С в запаянных стеклянных ампулах. Использование D2O позволило проводить ЯМР исследования продуктов реакций без дополнительной пробоподготовки. Полученные на основании 1H ЯМР спектров результаты показали, что соотношение продуктов гидролиза зависит от соотношения целлюлозы и гемицеллюлозы в исходном сырье. При проведении процесса кислотно-катализируемой конверсии при различных температурах (120, 140 и 160 °C) было изучено влияние температуры на состав и выход продуктов реакций. Выявлено, что с повышением температуры количество моносахаридов уменьшается, в то время как выход муравьиной и уксусной кислот увеличивается. При этом максимальный выход левулиновой кислоты и фурфурола наблюдается при температуре 140 °C. Эти данные подчеркивают влияние температурных условий на эффективность процесса для оптимизации получения желаемых продуктов, что может иметь важное значение для дальнейших исследований в области конверсии растительных материалов в полезные химические вещества.