حمض الفورميك: كاشف متجدد متعدد الاستخدامات للتوليف الكيميائي الأخضر والمستدام

في السنوات الأخيرة، ومع النقص المتزايد في الموارد الأحفورية وتدهور البيئة المعيشية البشرية، أصبح الاستخدام الفعال والمستدام للموارد المتجددة مثل الكتلة الحيوية محور بحث واهتمام العلماء في جميع أنحاء العالم. حمض الفورميك، أحد المنتجات الثانوية الرئيسية في التكرير الحيوي، يتميز بخصائص رخيصة الثمن وسهلة الحصول عليها، وغير سامة، وكثافة طاقة عالية، ومتجددة وقابلة للتحلل، وما إلى ذلك. وتطبيقه على استخدام الطاقة الجديدة والتحول الكيميائي لا يساعد فقط على توسيع مجال تطبيق حمض الفورميك بشكل أكبر، ولكنه يساعد أيضًا في حل بعض مشكلات الاختناق الشائعة في تكنولوجيا التكرير الحيوي المستقبلية. استعرضت هذه الورقة بإيجاز تاريخ البحث في استخدام حمض الفورميك، ولخصت أحدث التقدم البحثي لحمض الفورميك باعتباره كاشفًا فعالًا ومتعدد الأغراض وكمادة خام في التخليق الكيميائي والتحويل الحفزي للكتلة الحيوية، ومقارنة وتحليل المبدأ الأساسي والنظام الحفاز. استخدام تنشيط حمض الفورميك لتحقيق تحويل كيميائي فعال. يشار إلى أن الأبحاث المستقبلية يجب أن تركز على تحسين كفاءة استخدام حمض الفورميك وتحقيق تخليق انتقائي عالي، وتوسيع مجال تطبيقه على هذا الأساس.

في التركيب الكيميائي، يمكن استخدام حمض الفورميك، باعتباره كاشف متعدد الوظائف صديق للبيئة ومتجدد، في عملية التحويل الانتقائية لمختلف المجموعات الوظيفية. باعتباره كاشف نقل الهيدروجين أو عامل اختزال ذو محتوى هيدروجيني عالي، يتمتع حمض الفورميك بمزايا التشغيل البسيط الذي يمكن التحكم فيه، والظروف المعتدلة والانتقائية الكيميائية الجيدة مقارنة بالهيدروجين التقليدي. يتم استخدامه على نطاق واسع في الاختزال الانتقائي للألدهيدات والنيترو والإيمينات والنيتريل والألكينات والألكينات وما إلى ذلك لإنتاج الكحولات والأمينات والألكينات والألكانات المقابلة. والتحلل المائي وإزالة الحماية الوظيفية للكحوليات والإيبوكسيدات. نظرًا لحقيقة أنه يمكن أيضًا استخدام حمض الفورميك كمادة خام C1، وككاشف أساسي متعدد الأغراض، يمكن أيضًا استخدام حمض الفورميك في اختزال فورميل مشتقات الكينولين، وفورميل وميثيل مركبات الأمين، وكربونيل الأوليفين. وتقليل ترطيب الألكينات وغيرها من التفاعلات الترادفية متعددة المراحل، وهي طريقة مهمة لتحقيق تخليق أخضر فعال وبسيط للجزيئات العضوية الدقيقة والمعقدة. التحدي المتمثل في مثل هذه العمليات هو العثور على محفزات متعددة الوظائف ذات انتقائية عالية ونشاط للتنشيط المتحكم فيه لحمض الفورميك ومجموعات وظيفية محددة. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الدراسات الحديثة أن استخدام حمض الفورميك كمادة خام C1 يمكن أيضًا تصنيع المواد الكيميائية السائبة بشكل مباشر مثل الميثانول بانتقائية عالية من خلال تفاعل عدم التناسب الحفزي.

في التحويل الحفاز للكتلة الحيوية، توفر الخصائص متعددة الوظائف لحمض الفورميك إمكانية تحقيق عمليات تكرير حيوي خضراء وآمنة وفعالة من حيث التكلفة. تعد موارد الكتلة الحيوية أكبر الموارد البديلة المستدامة وأكثرها واعدة، ولكن تحويلها إلى أشكال موارد قابلة للاستخدام يظل تحديًا. يمكن تطبيق الخواص الحمضية وخصائص المذيبات الجيدة لحمض الفورميك على عملية المعالجة المسبقة للمواد الخام للكتلة الحيوية لتحقيق فصل مكونات الليجنوسليلوز واستخلاص السليلوز. بالمقارنة مع نظام المعالجة المسبقة للأحماض غير العضوية التقليدية، فهو يتميز بمزايا نقطة الغليان المنخفضة، والفصل السهل، وعدم إدخال الأيونات غير العضوية، والتوافق القوي للتفاعلات النهائية. كمصدر فعال للهيدروجين، تمت دراسة حمض الفورميك على نطاق واسع وتطبيقه في اختيار التحويل الحفاز لمركبات منصة الكتلة الحيوية إلى مواد كيميائية ذات قيمة مضافة عالية، وتحلل اللجنين إلى مركبات عطرية، وعمليات تكرير الأكسدة الهيدروجينية للزيت الحيوي. بالمقارنة مع عملية الهدرجة التقليدية التي تعتمد على H2، يتمتع حمض الفورميك بكفاءة تحويل عالية وظروف تفاعل خفيفة. إنها بسيطة وآمنة، ويمكن أن تقلل بشكل فعال من استهلاك المواد والطاقة للموارد الأحفورية في عملية التكرير الحيوي ذات الصلة. أظهرت الدراسات الحديثة أنه من خلال إزالة بلمرة اللجنين المؤكسد في محلول مائي لحمض الفورميك في ظل ظروف خفيفة، يمكن الحصول على محلول عطري منخفض الوزن الجزيئي مع نسبة وزن أكبر من 60٪. يوفر هذا الاكتشاف المبتكر فرصًا جديدة للاستخلاص المباشر للمواد الكيميائية العطرية عالية القيمة من اللجنين.

باختصار، يُظهر حمض الفورميك الحيوي إمكانات كبيرة في التوليف العضوي الأخضر وتحويل الكتلة الحيوية، كما أن تعدد استخداماته وتعدد أغراضه ضروريان لتحقيق الاستخدام الفعال للمواد الخام والانتقائية العالية للمنتجات المستهدفة. في الوقت الحاضر، حقق هذا المجال بعض الإنجازات وتم تطويره بسرعة، ولكن لا يزال هناك مسافة كبيرة من التطبيق الصناعي الفعلي، وهناك حاجة إلى مزيد من الاستكشاف. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على الجوانب التالية: (1) كيفية اختيار المعادن النشطة الحفزية وأنظمة التفاعل المناسبة لتفاعلات محددة؛ (2) كيفية تنشيط حمض الفورميك بكفاءة وإمكانية التحكم في وجود مواد خام وكواشف أخرى؛ (3) كيفية فهم آلية تفاعل التفاعلات المعقدة من المستوى الجزيئي؛ (4) كيفية تثبيت المحفز المقابل في العملية ذات الصلة. وبالتطلع إلى المستقبل، واستناداً إلى احتياجات المجتمع الحديث للبيئة والاقتصاد والتنمية المستدامة، ستحظى كيمياء حمض الفورميك بمزيد من الاهتمام والبحث من الصناعة والأوساط الأكاديمية.