葡萄糖是光合作用的主要碳水化合物产物,也是大多数生物体的主要能量来源。它是一种糖,也是人体的主要燃料来源。并且,由于其普遍存在,它成为替代石油作为燃料、塑料和其他石油产品的丰富来源的主要候选者。
不幸的是,将这种物质转化为可用形式仍然是一个困难的过程。例如,使用酸催化剂将其转化为塑料的基本构件也会产生一堆杂质(如乙酰丙酸和甲酸)。但现在,位于华盛顿州里奇兰的太平洋西北国家实验室(PNNL)的化学家们已经找到了一种有效且清洁地将天然糖转化为塑料的方法,使树木制造特百惠成为可能。
PNNL的化学家康拉德·张和他的同事们测试了各种金属催化剂——加速化学反应的化合物——以寻找将葡萄糖和其他天然糖转化为羟甲基糠醛(HMF)的有效方法,羟甲基糠醛是一种可以很容易地转化为各种化学品和塑料的分子。
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张说:“由于葡萄糖可以直接从纤维素和淀粉中提取,它是自然界中最丰富的碳水化合物构件。”“来自可再生碳水化合物(如果糖和葡萄糖)的HMF是一种多功能平台化学品,可以从中生产出数百种其他化学品。”
化学家们在《科学》杂志上详细介绍了他们如何使用金属氯化物——铬、铜和其他与两个或多个氯原子配对的金属——将70%的葡萄糖和近90%的果糖转化为HMF。他们报告说,氯化铬(CrCl2)效果最好,显然是通过提高糖分子打开并改变其结构中原子位置的能力,尽管确切的机制仍然未知,张说。
这项研究可能成为一种工艺的基础,该工艺可以将树木、玉米秸秆和藻类等生物质转化为化学品、塑料和燃料的原料,温度约为100摄氏度(212华氏度),这比石油炼制所需的600摄氏度(1112华氏度)或石油自然形成时必须承受的高温(以及压力)要低得多。
张指出:“在全面商业化之前,必须进行许多步骤,包括工艺开发和优化。可能需要几年时间才能达到那个阶段。”
最终,在后院烧烤中使用的叉子的塑料可能就像烤架中的木炭和厨师的涤纶围裙一样直接以植物为基础。“直接利用纤维素生物质生产化学品和燃料是一个具有挑战性的目标,”张补充说。“我们的研究结果指出了一种从最丰富的可再生资源中生产HMF的潜在工艺。”