Квантово-химическое исследование механизмов образования лигноцеллюлозных пластиков без связующих

Целью работы являлось исследование электронной структуры и детальный анализ реакционных центров модельных фрагментов лигнина H-типа методом теории функционала плотности (DFT). Это позволило оценить распределение электронной плотности и определить наиболее реакционноспособные позиции в молекулах данного типа лигнина, что необходимо для выявления взаимосвязи между структурными особенностями и реакционной способностью в процессах его химической активации. Полученные результаты легли в основу установления закономерностей формирования лигноцеллюлозных пластиков без связующих (ПБС) на основе растительного (травянистого) сырья. Анализ возможных механизмов участия химических активаторов в активации природного лигнина показал, что их выбор критически влияет на структуру формируемых ПБС и должен учитывать электронную природу реакционных центров лигнина исходного растительного сырья. 

1. Пен Р. З., Каретникова Н. В., Шапиро И. Л. Катализируемая делигнификация растительного сырья пероксидом водорода и пероксикислотами (обзор) // Химия растительного сырья. 2020. № 4. С. 331–349. DOI 10.14258/jcprm.2020048119

2. Pérez A. D., Fiskari J., Schuur B. Delignification of Low-Energy Mechanical Pulp (Asplund Fibers) in a Deep Eutectic Solvent System of Choline Chloride and Lactic Acid // Frontiers in Chemistry. 2021. 9:688291. Doi: 10.3389/fchem.2021.688291

3. Получение целлюлозы щелочно-окислительноорганосольвентным способом / А. В. Вураско, Б. Н. Дрикер, Э. В. Мертин, Г. В. Астратова // Фундаментальные исследования. 2012. № 11-3. С. 586–592.

4. Denisova M. N., Kukhlenko A. A., Orlov S. E. Investigation into the Process of Hydrotropic Delignification of Oat Straw in the Universal Thermo-baric Unit // Theoretical Foundations of Chemical Enginee-ring. 2018. Vol. 52, No. 4. P. 661–663. DOI: 10.1134/S0040579518040073

5. Zhang D., Zhang A., Xue L. A. A review of preparation of binderless fiberboards and its self-bonding mechanism // Wood Science and Technology. 2015. 49:661-679. DOI: https ://doi.org/10.1007/s0022 6-015-0728-6

6. Скурыдин Ю. Г., Скурыдина Е. М. Влияние предгидролитической обработки древесины березы на физико-механические характеристики композитного материала, получаемого на ее основе // Лесной вестник / Forestry Bulletin, 2022. Т. 26. № 4. С. 103–112. DOI: 10.18698/2542-1468-2022-4-103-112

7. Базарнова Н. Г., Галочкин А. И., Крестьянни- ков В. С. Влияние мочевины на свойства прессованных материалов из древесины, подвергнутой гидротермической обработке // Химия растительного сырья. 1997. № 1. С. 17–21.

8. Модифицированные древесные пластики без добавления связующих / В. Г. Дедюхин, В. Г. Бурындин, Н. М. Мухин, О. У. Гайнутдинова // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья : материалы Всерос. семинара, Барнаул, 28–29 марта 2002 года. Барнаул : Алтайск. гос. ун-т, 2002. С. 258–263.

9. Баяндин М. А. Повышение деформативности хвойной древесины с целью гнутья : специальность 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки» : автореф. дис. … канд. техн. наук / Баяндин Михаил Андреевич. Красноярск, 2010. 16 с.

10. Артемов А. В. Разработка технологии получения изделий экструзией из древесных отходов без добавления синтетических связующих : специальность 05.21.03 «Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины» : автореф. дис. … канд. техн. наук / Артемов Артём Вячеславович. Екатеринбург, 2010. 16 с.

11. Савиновских А. В. Получение пластиков из древесных растительных отходов в закрытых прессформах : специальность 05.21.03 «Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины» : дис. … канд. техн. наук / Савиновских Андрей Викторович, 2016. 107 с.

12. Кривоногов П. С. Получение и свойства новых материалов на основе лигноцеллюлозных аграрных отходов : специальность 05.21.03 «Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины» : дис. … канд. техн. наук / Кривоногов Павел Сергеевич, 2020. 130 с.

13. Структура и биомедицинские свойства лигнинов (обзор) / А. П. Карманов, А. В. Ермакова, О. В. Раскоша, Л. A. Башлыкова, Н. Г. Рачкова, Л. C. Кочева // Химия растительного сырья. 2023. № 4. С. 5–28. DOI: 10.14258/jcprm.20230412560

14. Valorization of lignin into phenolic compounds via fast pyrolysis: Impact of lignin structure / J. M. Yuan, H. Li, L. P. Xiao, T. P. Wang, W. F. Ren, Q. Lu, R. C. Sun // Fuel. 2022. Vol. 319. Article 123758.

15. Wang J., Wang S. Preparation, modification and environmental application of biochar: A review // Journal of Cleaner Production. 2019. Vol. 227. Pp. 1002–1022.

16. Резников В. М. Реакционная способность лигнина и его превращения в процессах делигнификации древесины // Химия древесины. 1977. № 3. С. 3–23.

17. Yan, L. Lignin polymerization: towards high-performance materials / L. Yan, A. J. Huertas-Alonso, H. Liu, L. Dai, C. Si, M. H. Sipponen // Chemical Society Reviews. 2025. № 54. Pp. 6634-6651. DOI: 10.1039/d4cs01044b.

18. Urbaniak A., Molski M., Szeląg M. Quantumchemical calculations of the antioxidant properties of trans-p-coumaric acid and trans-sinapinic acid // Computational methods in science and technology. 2012; 18(2):117–128. DOI: http://dx.doi.org/10.12921/cmst.2012.18.02.117-128

19. Kumar N., Pruthi V., Goel N. Structural, thermal and quantum chemical studies of p-coumaric and caffeic acids // Journal of Molecular Structure. 2015; 1085:242-248. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.molstruc.2014.12.064

20. Исследование реакционной способности производных коричной кислоты – предшественников лигнина / О. Х. Каримов, Г. Ю. Колчина, Г. А. Тептерева [и др.] // Тонкие химические технологии. 2020. Т. 15, № 4. С. 7–13. DOI 10.32362/2410-6593-2020-15-4-7-13

21. Akman F. A density functional theory study based on monolignols: molecular structure, HOMO-LUMO analysis, molecular electrostatic potential // Cellulose chemistry and technology. 2019. 53. 243–250. 10.35812/cellulosechemtechnol.2019.53.24

22. Lignin polymerization: towards high-performance materials / L. Yan, A. J. Huertas-Alonso, H. Liu, L. Dai, C. Si, M. H. Sipponen // Chemical Society Reviews. 2025. 54(14):6634–6651. Doi: 10.1039/d4cs01044b

23. Open Babel: An open chemical toolbox / N. M. O'Boyle, M. Banck, C. A. James, C. Morley, T. Vandermeersch, G. R. Hutchison // Journal of cheminformatics. 2011. 3:33. Doi: 10.1186/1758-2946-3-33

24. Neese F. The SHARK integral generation and digestion system // Journal of Computational Chemistry. 2023. 44(3). P. 381–396. DOI: 10.1002/jcc.26942

25. Neese F. Software update: The ORCA program system ‒ Version 5.0 // Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science. 2022. DOI: 10.1002/wcms.1606

26. Efficient, approximate and parallel Hartree-Fock and hybrid DFT calculations. A 'chain-of-spheres' algorithm for the Hartree-Fock exchange / F. Neese, F. Wennmohs, A. Hansen, U. Becker // Chemical Physics. 2009. Vol. 356. No. 1-3. P. 98–109. DOI: 10.1016/j.chemphys.2008.10.036

27. Механизмы и кинетика деструкции органического вещества в водной среде / Б. М. Долгоносов, Т. Н. Губернаторова, Б. М. Долгоносов, Т. Н. Губернаторова ; Российская академия наук, Институт водных проблем. М. : URSS, 2010. 5 с.

28. Electronic Spectra of ortho-Substituted Phenols: An Experimental and DFT Study / S. Tetteh, R. Zugle, J. P. K. Adotey, A. Quashie // Journal of Spectroscopy, (2018). 1, 1-10. DOI: https://doi.org/10.1155/2018/4193657

29. DFT Based Electrophilicity Index and QSAR study of Phenols as AntiLeukaemia Agent / F. A. Pasha, H. K. Srivastava, Y. Beg, P. P. Singh // American Journal of Immunology, 2(1), 23–28 (2006). https://thescipub.com/pdf/ajisp.2006.23.28.pdf

30. Евстигнеев Э. И. Электрохимические реакции лигнина (обзор) // Химия растительного сырья. 2014. № 3. С. 5–42.