กรดฟอร์มิก: รีเอเจนต์หมุนเวียนอเนกประสงค์สำหรับการสังเคราะห์สารเคมีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและยั่งยืน

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา จากการขาดแคลนทรัพยากรฟอสซิลที่เพิ่มขึ้นและการเสื่อมสภาพของสภาพแวดล้อมในการดำรงชีวิตของมนุษย์ การใช้ทรัพยากรหมุนเวียน เช่น ชีวมวล อย่างมีประสิทธิภาพและยั่งยืน ได้กลายเป็นจุดสนใจของการวิจัยและความสนใจของนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก กรดฟอร์มิกซึ่งเป็นหนึ่งในผลพลอยได้หลักในการกลั่นทางชีวภาพ มีลักษณะราคาถูกและหาง่าย ปลอดสารพิษ มีความหนาแน่นของพลังงานสูง สามารถหมุนเวียนและย่อยสลายได้ เป็นต้น การนำไปประยุกต์ใช้กับการใช้พลังงานใหม่และการเปลี่ยนแปลงทางเคมีไม่เพียงแต่ช่วยให้ ขยายขอบเขตการประยุกต์ใช้กรดฟอร์มิกต่อไป แต่ยังช่วยแก้ปัญหาคอขวดทั่วไปในเทคโนโลยีการกลั่นทางชีวภาพในอนาคต บทความนี้ทบทวนประวัติการวิจัยเกี่ยวกับการใช้กรดฟอร์มิกโดยสรุป สรุปความคืบหน้าการวิจัยล่าสุดของกรดฟอร์มิกในฐานะตัวทำปฏิกิริยาและวัตถุดิบที่มีประสิทธิภาพและอเนกประสงค์ในการสังเคราะห์ทางเคมีและการเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาของชีวมวล และเปรียบเทียบและวิเคราะห์หลักการพื้นฐานและระบบตัวเร่งปฏิกิริยา ของการใช้กรดฟอร์มิกเพื่อการแปลงสภาพทางเคมีอย่างมีประสิทธิภาพ ชี้ให้เห็นว่าการวิจัยในอนาคตควรมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้กรดฟอร์มิกและการสังเคราะห์การเลือกสรรที่สูง และขยายขอบเขตการใช้งานบนพื้นฐานนี้ต่อไป

ในการสังเคราะห์ทางเคมี กรดฟอร์มิกซึ่งเป็นรีเอเจนต์อเนกประสงค์ที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและหมุนเวียนได้ สามารถใช้ในกระบวนการแปลงแบบเลือกของกลุ่มฟังก์ชันต่างๆ ได้ ในฐานะรีเอเจนต์การถ่ายโอนไฮโดรเจนหรือตัวรีดิวซ์ที่มีปริมาณไฮโดรเจนสูง กรดฟอร์มิกมีข้อดีคือใช้งานได้ง่ายและควบคุมได้ มีสภาวะที่ไม่รุนแรง และสามารถเลือกใช้สารเคมีได้ดีเมื่อเปรียบเทียบกับไฮโดรเจนแบบดั้งเดิม มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการคัดเลือกอัลดีไฮด์, ไนโตร, อิมีน, ไนไตรล์, อัลคีน, อัลคีนและอื่น ๆ เพื่อผลิตแอลกอฮอล์เอมีนอัลคีนและอัลเคนที่สอดคล้องกัน และการไฮโดรไลซิสและหมู่ฟังก์ชัน deprotection ของแอลกอฮอล์และอีพอกไซด์ เมื่อพิจารณาจากข้อเท็จจริงที่ว่ากรดฟอร์มิกยังสามารถใช้เป็นวัตถุดิบ C1 ได้ โดยเป็นรีเอเจนต์พื้นฐานอเนกประสงค์ที่สำคัญ กรดฟอร์มิกยังสามารถนำไปใช้กับการสร้างรูปรีดักชันของอนุพันธ์ควิโนลีน การสร้างฟอร์มิเลชันและเมทิลเลชันของสารประกอบเอมีน คาร์บอนิลเลชันของโอเลฟิน และลดความชุ่มชื้นของอัลไคน์และปฏิกิริยาควบคู่หลายขั้นตอนอื่นๆ ซึ่งเป็นวิธีสำคัญในการสังเคราะห์โมเลกุลอินทรีย์ที่มีขนาดเล็กและซับซ้อนอย่างมีประสิทธิภาพและเรียบง่าย ความท้าทายของกระบวนการดังกล่าวคือการหาตัวเร่งปฏิกิริยาแบบมัลติฟังก์ชั่นที่มีความสามารถในการคัดเลือกและกิจกรรมสูงสำหรับการกระตุ้นการทำงานของกรดฟอร์มิกและหมู่ฟังก์ชันเฉพาะที่มีการควบคุม นอกจากนี้ การศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นว่าการใช้กรดฟอร์มิกเป็นวัตถุดิบ C1 ยังสามารถสังเคราะห์สารเคมีจำนวนมากได้โดยตรง เช่น เมทานอล ที่มีค่าการคัดเลือกสูงผ่านปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่สมส่วน

ในการเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาของชีวมวล คุณสมบัติอเนกประสงค์ของกรดฟอร์มิกทำให้เกิดกระบวนการกลั่นทางชีวภาพที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ปลอดภัย และคุ้มต้นทุน ทรัพยากรชีวมวลเป็นทรัพยากรทางเลือกที่ยั่งยืนที่ใหญ่ที่สุดและมีแนวโน้มมากที่สุด แต่การเปลี่ยนแปลงให้เป็นรูปแบบทรัพยากรที่ใช้งานได้ยังคงเป็นความท้าทาย คุณสมบัติของกรดและคุณสมบัติตัวทำละลายที่ดีของกรดฟอร์มิกสามารถนำไปใช้กับกระบวนการปรับสภาพของวัตถุดิบชีวมวลเพื่อให้ทราบถึงการแยกส่วนประกอบลิกโนเซลลูโลสและการสกัดเซลลูโลส เมื่อเปรียบเทียบกับระบบปรับสภาพกรดอนินทรีย์แบบดั้งเดิม มีข้อดีคือมีจุดเดือดต่ำ แยกง่าย ไม่มีไอออนอนินทรีย์ และเข้ากันได้ดีกับปฏิกิริยาขั้นปลายน้ำ ในฐานะแหล่งไฮโดรเจนที่มีประสิทธิภาพ กรดฟอร์มิกยังได้รับการศึกษาและนำไปใช้อย่างกว้างขวางในการเลือกการเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาของสารประกอบชีวมวลไปเป็นสารเคมีที่มีมูลค่าเพิ่มสูง การย่อยสลายลิกนินเป็นสารประกอบอะโรมาติก และกระบวนการกลั่นน้ำมันชีวภาพแบบไฮโดรดีออกซิเดชัน เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการไฮโดรจิเนชันแบบดั้งเดิมที่อาศัย H2 กรดฟอร์มิกมีประสิทธิภาพในการแปลงสูงและมีสภาวะปฏิกิริยาที่ไม่รุนแรง ง่ายและปลอดภัย และสามารถลดการใช้วัสดุและพลังงานของทรัพยากรฟอสซิลในกระบวนการกลั่นชีวภาพที่เกี่ยวข้องได้อย่างมีประสิทธิภาพ การศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นว่าโดยการกำจัดพอลิเมอร์ลิกนินออกซิไดซ์ในสารละลายน้ำกรดฟอร์มิกภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรง จึงสามารถได้สารละลายอะโรมาติกน้ำหนักโมเลกุลต่ำที่มีอัตราส่วนน้ำหนักมากกว่า 60% การค้นพบเชิงนวัตกรรมนี้นำมาซึ่งโอกาสใหม่ในการสกัดสารเคมีอะโรมาติกที่มีมูลค่าสูงจากลิกนินโดยตรง

โดยสรุป กรดฟอร์มิกจากชีวภาพแสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ยอดเยี่ยมในการสังเคราะห์สารอินทรีย์สีเขียวและการแปลงมวลชีวมวล และความอเนกประสงค์และอเนกประสงค์มีความจำเป็นเพื่อให้บรรลุถึงการใช้วัตถุดิบอย่างมีประสิทธิภาพและการเลือกสรรผลิตภัณฑ์เป้าหมายในระดับสูง ปัจจุบันสาขานี้ประสบความสำเร็จและได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็ว แต่ก็ยังห่างไกลจากการใช้งานจริงทางอุตสาหกรรมมากและจำเป็นต้องมีการสำรวจเพิ่มเติม การวิจัยในอนาคตควรมุ่งเน้นไปที่ประเด็นต่อไปนี้: (1) วิธีเลือกโลหะที่ออกฤทธิ์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและระบบปฏิกิริยาที่เหมาะสมสำหรับปฏิกิริยาเฉพาะ; (2) วิธีการกระตุ้นกรดฟอร์มิกอย่างมีประสิทธิภาพและควบคุมได้เมื่อมีวัตถุดิบและรีเอเจนต์อื่นๆ (3) จะเข้าใจกลไกการเกิดปฏิกิริยาของปฏิกิริยาที่ซับซ้อนจากระดับโมเลกุลได้อย่างไร (4) วิธีการรักษาเสถียรภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาที่สอดคล้องกันในกระบวนการที่เกี่ยวข้อง มองไปข้างหน้าสู่อนาคต ตามความต้องการของสังคมยุคใหม่ด้านสิ่งแวดล้อม เศรษฐกิจ และการพัฒนาที่ยั่งยืน เคมีกรดฟอร์มิกจะได้รับความสนใจและการวิจัยจากภาคอุตสาหกรรมและสถาบันการศึกษามากขึ้นเรื่อยๆ