مروری کوتاه بر کاربرد سلولز به عنوان یک کاتالیزگر کارآمد و موثر در واکنشهای آلی
محورهای موضوعی : سایر
عبدالحمید دهقانی
1
,
میلاد قزلسفلو
2
,
یوسف دلشاد
3
,
سهیل دهقانی سیاهکی
4
1 - گروه شیمی آلی، دانشکده شیمی، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران
2 - گروه شیمی آلی، دانشکده شیمی، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران
3 - گروه شیمی آلی، دانشکده شیمی، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران
4 - گروه شیمی آلی، دانشکده شیمی، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران
کلید واژه: سلولز, پلیمر زیستی, کاتالیزگر, واکنش های آلی,
چکیده مقاله :
تهیه مواد شیمیایی تجدیدپذیر و ارزشمند از منابع زیست توده تجدیدپذیر مانند سلولز، توجه جهانی را به منظور ایجاد جوامع پایدار جلب کرده است. سلولز فراوان¬ترین زیست¬توده غیرغذایی است و از اهمیت اقتصادی زیادی برخوردار است. برخلاف کاتالیزگرهای سنتی مشتق¬شده از منابع نفتی، سلولز مزایای متعددی از جمله تجدیدپذیری، زیست تخریب¬پذیری و سازگاری با اصول شیمی سبز را ارائه می¬دهد. استفاده از کاتالیزگر ناهمگن می¬تواند به پژوهشگران اجازه دهد تا فرآیندهای بی¬خطر محیطی را توسعه دهند. کاتالیزگرهای مبتنی بر سلولز فعالیت قابل توجهی را در طیف گسترده¬ای از واکنش¬ها از جمله هیدروژناسیون، اکسیداسیون و پلیمریزاسیون نشان داده¬اند. تطبیق¬پذیری آنها ناشی از توانایی آنها در تثبیت انواع نانوذرات فلزی است که به عنوان جایگاه های کاتالیزگری فعال عمل می¬کنند. تثبیت نانوذرات فلزی روی سلولز مزایای متعددی از جمله بهبود پایداری، جلوگیری از تجمع نانوذرات و افزایش قابلیت پخش¬شدن آنها را به همراه دارد. سلولز پتانسیل خود را برای ایجاد انقلابی شگرف در شیمی سبز نشان می¬دهد. بنابراین تطبیق پذیری، پایداری و ویژگی های قابل تنظیم سلولز آن را به یک کاتالیزگر ضروری برای آینده ای سبزتر تبدیل کرده است. هدف این بررسی، ارائه یک نمای کلی از کاربرد سلولز به عنوان کاتالیزگر در واکنش های آلی توسط پژوهشگران ایرانی است.
The production of renewable and valuable chemicals from renewable biomass sources such as cellulose has attracted global attention in order to create sustainable societies. Cellulose is the most abundant non-food biomass and is of great economic importance. Unlike traditional catalysts derived from petroleum sources, cellulose offers several advantages such as renewability, biodegradability and compatibility with the principles of green chemistry. The use of heterogeneous catalysis can allow researchers to develop environmentally safe processes. Cellulose-based catalysts have shown significant activity in a wide range of reactions including hydrogenation, oxidation and polymerization. Their versatility is due to their ability to support all kinds of metal nanoparticles that act as active catalysis sites. Stabilization of metal nanoparticles on cellulose brings several advantages, including improving stability, preventing the accumulation of nanoparticles, and increasing their dispersibility. Cellulose shows its potential to create a great revolution in green chemistry. Therefore, cellulose's versatility, sustainability, and tunable properties make it an essential catalyst for a greener future. The purpose of this review is to provide an overview of the use of cellulose as a catalyst in organic reactions by Iranian researchers.
1.
R.S. Riseh, M.G. Vazvani, M. Hassanisaadi, V.K.T hakur, Ind Crops Prod 208, 117904 (2024) 2.
S. Li, G. He, J. Huang, Curr Opin Colloid Interface 63, 101655 (2023) 3.
A. Prekob, V. Hajdu, G. Muránszky, B. Fiser, A. Sycheva, T. Ferenczi, L. Vanyorek, Mater. Today Chem 17, 100337 (2020) 4.
N. Chokesawatanakit, S. Thammasang, S. Phanthanawiboon, J.T. Knijnenburg, S. Theerakulpisut, K. Kamwilaisak, Int. J. Biol. Macromol 256, 128321 (2024) 5.
T.I. Gromovykh, M.A. Pigaleva, M.O. Gallyamov, I.P. Ivanenko, K. E. Ozerova, E.P. Kharitonova, O.I. Kiselyova, Carbohydr. Polym 237, 116140 (2020) 6.
J. Liu, H. Sixta, Y. Ogawa, M. Hummel, M. Sztucki, Y. Nishiyama, M. Burghammer, Carbohydr. Polym 324, 121512 (2024) 7.
J. Malešič, I. Kraševec, I. Kralj Cigić, Polym 13, 1990 (2021) 8.
A. Yamakawa, S. Suzuki, T. Oku, K. Enomoto, M. Ikeda, J. Rodrigue, S. Kitamura, Carbohydr. Polym 171, 129-135 (2017) 9.
P.L. Hurtado, A. Rouilly, V. Vandenbossche, C. Raynaud, Build Environ 96, 170-177 (2016) 10.
P.L. Nasatto, F. Pignon, J.L. Silveira, M. E.R. Duarte, M.D. Noseda, M. Rinaudo, Polym 7, 777-803 (2015) 11.
L. Pan, J. Du, Q. Yin, Y. Tao, P. Li, Int. J. Biol. Macromol 257, 128552 (2024) 12.
R. Blažic, K. Marušić, E. Vidović, Gels 9, 94 (2023) 13.
J. Mantovan, G.A.G. Giraldo, B.M. Marim, P.S. Garcia, A.M. Baron, S. Mali, Biomass Convers. Biorefin 1-12 (2021) 14.
M.M. Pérez-Madrigal, M.G. Edo, C. Alemán, Green Chem 18, 5930-5956 (2016) 15.
D. Zhao, Y. Zhu, W. Cheng, W. Chen, Y. Wu, H. Yu, Adv Mater 33, 2000619 (2021) 16.
J. Wei, G. Zhang, J. Dong, H. Wang, Y. Guo, X. Zhuo, Y. Li, ACS Sustain. Chem. Eng 6, 11335-11344 (2018) 17.
L.O. Mota, I.F. Gimenez, Rev. Virtual Quím 60, 2525-2542 (2022) 18.
A. Shrotri, H. Kobayashi, A. Fukuoka, Acc. Chem. Res 51, 761-768 (2018) 19.
L.E. Silva, Dos A.D.A. Santos, L. Torres, Z. McCaffrey, A. Klamczynski, G. Glenn, G.H.D. Tonoli, Carbohydr. Polym 252, 117165 (2021) 20.
J. Zhang, Q.I. Yingping, S.H.E.N Yongfeng, L.I. Hua, Mater. Sci 28, 60-67 (2022) 21.
Y. Li, J. Guo, M. Li, Y. Tang, V. Murugadoss, I. Seok, Y. Luo, ES food & agroforestry 4, 9-27 (2021) 22.
R. Yekta, R. Abedi-Firoozjah, S. Azimi Salim, A. Khezerlou, K. Abdolmaleki, Cellul 30, 9925-9953 (2023) 23.
T. Aziz, A. Farid, F. Haq, M. Kiran, A. Ullah, K. Zhang, R. Ullah, Polym 14, 3206 (2022) 24.
S. Eyley, W. Thielemans, Nanoscale 6, 7764-7779 (2014) 25.
S. Hokkanen, A. Bhatnagar, M. Sillanpää, Water Res 91, 156-173 (2016) 26.
K. Jedvert, T. Heinze, J. Polym. Eng 37, 845-860 (2017) 27.
A. Shrotri, H. Kobayashi, A. Fukuoka, ChemCatChem 8, 1059-1064 (2016) 28.
T. Aziz, A. Ullah, H. Fan, R. Ullah, F. Haq, F.U. Khan, J. Wei, J Polym Environ 29, 2062-2071(2021) 29.
K. Missoum, M.N. Belgacem, J. Bras, Mater 6, 1745-1766 (2013) 30.
J. Mantovan, G.A.G. Giraldo, B.M. Marim, P.S. Garcia, A.M. Baron, S. Mali, Biomass Convers. Biorefin 1-12 (2021) 31.
W. Zheng, L. Fan, Z. Meng, J. Zhou, D. Ye, W. Xu, J. Xu, Carbohydr. Polym 324, 121502 (2024) 32.
D. Trache, M.H. Hussin, M.M. Haafiz, V.K. Thakur, Nanoscale 9, 1763-1786 (2017) 33.
D.K.P.K. Lavanya, P.K. Kulkarni, M. Dixit, P.K. Raavi, L.N.V. Krishna, Int. J. Drug Dev. Res 2, 19-38 (2011) 34.
J. Gong, J. Li, J. Xu, Z. Xiang, L. Mo, RSC adv 7, 33486-33493 (2017) 35.
T. Heinze, O.A. El Seoud, A. Koschella, Cellulose derivatives: Synthesis, structure, and properties, (Springer, 2018) 36.
E.R. Keijsers, G. Yılmaz, J.E. Carbohydr van Dam, Polym 93, 9-21 (2013) 37.
M.A. Mohamed, W.N.W. Salleh, J. Jaafar, A.F. Ismail, M.Abd. Mutalib, S.M. Jamil, J. Appl. Polym. Sci 132, (2015) 38.
H.M. Ng, L.T. Sin, T.T. Tee, S.T. Bee, D. Hui, C.Y. Low, A.R. Rahmat, Compos. B. Eng. 75, 176-200 (2015) 39.
J. Safari, S.H. Banitaba, S.D. Khalili, J Mol Catal A Chem 335, 46-50 (2011) 40.
A. Maleki, M. Kamalzare, Catal. Commun 53, 67-71 (2014) 41.
K. Rad-Moghadam, N. Dehghan, J Mol Catal A Chem 392, 97-104 (2014) 42.
A. Shaabani, H. Nosrati, M. Seyyedhamzeh, Res. Chem. Intermed 41, 3719-3727 (2015) 43.
A. Maleki, H. Movahed, R. Paydar, RSC adv 6, 13657-13665 (2016) 44.
S. Azad, B.B.F. Mirjalili, RSC adv 6, 96928-96934 (2016) 45.
S. Sabaqian, F. Nemati, H.T. Nahzomi, M.M. Heravi, Carbohydr. Polym 177, 165-177 (2017) 46.
B.B.F. Mirjalili, A. Bamoniri, S. Azad, J. Iran. Chem. Soc 14, 47-55 (2017) 47.
A. Maleki, P. Ravaghi, H. Movahed, Nanomicro Lett 13, 591-594 (2018) 48.
B.B.F. Mirjalili, F. Aref, Res. Chem. Intermed 44, 4519-4531 (2018) 49.
A. Maleki, V. Eskandarpour, J. Rahimi, N. Hamidi, Carbohydr. Polym 208, 251-260 (2019) 50.
N. Safajoo, B.B.F. Mirjalili, A. Bamoniri, RSC adv 9, 1278-1283 (2019) 51.
B.B.F. Mirjalili, M. Imani, J. Chin. Chem. Soc 66, 1542-1549 (2019) 52.
M. Jokar, H. Naeimi, G. Nabi Bidhendi, Appl. Organomet. Chem 35, 6266 (2021) 53.
N. Safajoo, B.B.F. Mirjalili, A. Bamoniri, Polycycl. Aromat. Compd 41, 1241-1248 (2021) 54.
S. Azad, B.B.F. Mirjalili, A. Bamoniri, J. Org. Chem. Res 7, 23-31 (2021) 55.
M. Jokar, H. Naeimi, G. Nabi Bidhendi, Polycycl. Aromat. Compd 42, 4994-5005 (2022) 56.
S.S. Hoseinikhah, B.F. Mirjalili, N. Salehi, A. Bamoniri, Sci. Iran 29, 1301-1307 (2022) 57.
M.A.M. Tabaei, A. Bamoniri, B.B.F. Mirjalili, J. Iran. Chem. Soc 19, 2679-2691 (2022)
مروری کوتاه بر کاربرد سلولز به عنوان یک کاتالیزگر کارآمد و موثر در واکنشهای آلی
عبدالحمید دهقانی*، میلاد قزلسفلو، یوسف دلشاد، سهیل دهقانی سیاهکی
چكيده: تهیه مواد شیمیایی تجدیدپذیر و ارزشمند از منابع زیست توده تجدیدپذیر مانند سلولز، توجه جهانی را به منظور ایجاد جوامع پایدار جلب کرده است. سلولز فراوانترین زیستتوده غیرغذایی است و از اهمیت اقتصادی زیادی برخوردار است. برخلاف کاتالیزگرهای سنتی مشتقشده از منابع نفتی، سلولز مزایای متعددی از جمله تجدیدپذیری، زیست تخریبپذیری و سازگاری با اصول شیمی سبز را ارائه میدهد. استفاده از کاتالیزگر ناهمگن میتواند به پژوهشگران اجازه دهد تا فرآیندهای بیخطر محیطی را توسعه دهند. کاتالیزگرهای مبتنی بر سلولز فعالیت قابل توجهی را در طیف گستردهای از واکنشها از جمله هیدروژناسیون، اکسیداسیون و پلیمریزاسیون نشان دادهاند. تطبیقپذیری آنها ناشی از توانایی آنها در تثبیت انواع نانوذرات فلزی است که به عنوان جایگاه های کاتالیزگری فعال عمل میکنند. تثبیت نانوذرات فلزی روی سلولز مزایای متعددی از جمله بهبود پایداری، جلوگیری از تجمع نانوذرات و افزایش قابلیت پخششدن آنها را به همراه دارد. سلولز پتانسیل خود را برای ایجاد انقلابی شگرف در شیمی سبز نشان میدهد. بنابراین تطبیق پذیری، پایداری و ویژگی های قابل تنظیم سلولز آن را به یک کاتالیزگر ضروری برای آینده ای سبزتر تبدیل کرده است. هدف این بررسی، ارائه یک نمای کلی از کاربرد سلولز به عنوان کاتالیزگر در واکنش های آلی توسط پژوهشگران ایرانی است. واژگان کلیدی: سلولز، پلیمرزیستی، کاتالیزگر، واکنشهای آلی
|
Abdulhamiddehghani@grad.kashanu.ac.ir
1- مقدمه
سلولز، یک پلیمر زیستی طبیعی و فراوان در طبیعت است که به دلیل خواص منحصر به فرد و سازگاری با محیط زیست، به عنوان یک ماده امیدوارکننده برای کاربردهای کاتالیزگری مطرح شده است. برخلاف کاتالیزگرهای سنتی مشتقشده از منابع نفتی، سلولز مزایای متعددی از جمله تجدیدپذیری، زیست تخریبپذیری و سازگاری با اصول شیمی سبز را ارائه میدهد. ماهیت آبدوست آن جذب و انتشار موثر واکنشدهنده را تسهیل میکند، در حالی که مساحت سطح بالای آن مکانهای زیادی را برای فعالیت کاتالیزگری فراهم میکند. علاوه بر این، گروههای هیدروکسیل روی سلولز را میتوان به راحتی تغییر داد تا خواص آن را تنظیم کرده و عملکرد کاتالیزگری آن را افزایش داد[1].
کاتالیزگرهای مبتنی بر سلولز فعالیت قابلتوجهی را در طیف گستردهای از واکنشها از جمله هیدروژناسیون، اکسیداسیون و پلیمریزاسیون نشان دادهاند. تطبیقپذیری آنها ناشی از توانایی آنها در پشتیبانی از انواع نانوذرات فلزی است که به عنوان جایگاه های کاتالیزگری فعال عمل میکنند. تثبیت نانوذرات فلزی روی سلولز مزایای متعددی از جمله بهبود پایداری، جلوگیری از تجمع نانوذرات و افزایش قابلیت پخششدن آنها را به همراه دارد. علاوه بر این، سلولز میتواند به عنوان یک واسطه بین نانوذرات فلزی و واکنش دهندهها عمل کند و انتقال الکترونها را تسهیل کرده و گزینشپذیری واکنش را بهبود بخشد[2].
توسعه کاتالیزگرهای مبتنی بر سلولز در سالهای اخیر به دلیل تقاضای فزاینده برای جایگزین‌های پایدار و سازگار با محیط زیست به جای کاتالیزگرهای معمولی، توجه قابل توجهی پیدا کرده است. این کاتالیزگرها دارای پتانسیل بسیار زیادی برای کاربردهای صنعتی مختلف، از جمله سنتز آلی و استفاده به عنوان زیست کاتالیزگرها هستند. توانایی آنها در ترویج واکنشهای کارآمد و انتخابی در حالی که اثرات زیستمحیطی را به حداقل میرساند، آنها را به ابزاری امیدوارکننده برای آیندهای سبزتر و پایدارتر تبدیل میکند[3].
2-ساختار سلولز
سلولز، فراوانترین ترکیب آلی روی زمین، یک هموپلیمر خطی متشکل از واحدهای–D گلوکز است که توسط پیوندهایگلیکوزیدی β(1 → 4) به هم متصل شدهاند. این جزء ساختاری اولیه دیوارههای سلولی گیاه است که استحکام بافتهای گیاه را فراهم میکند. سلولز دارای طیف وسیعی از خواص منحصر به فرد است که آن را به مادهای ارزشمند برای کاربردهای مختلف از جمله کاغذ، منسوجات و بسته بندی تبدیل کرده است[4]. زنجیرههای سلولزی به دو شکل متمایز کریستالی و آمورف وجود دارند. سلولز کریستالی بسیار منظم و محکم سازماندهی شده است که منجر به استحکام کششی بالا و مقاومت در برابر تخریب میشود. از طرف دیگر سلولز آمورف سازماندهی کمتری دارد و استحکام و پایداری کمتری دارد[5]. آرایش زنجیرههای سلولزی در داخل دیواره سلولی پیچیده و سلسله مراتبی است. تکتک مولکولهای سلولز برای تشکیل میکروفیبریلها تجمع می‌یابند که بیشتر در دسته‌هایی به نام میکروفیبریلها سازماندهی میشوند. این میکروفیبریلها در ماتریکسی از همیسلولزها و لیگنین تعبیه شدهاند و استحکام بیشتری را برای دیواره سلولی فراهم میکنند[6]. وزن مولکولی سلولز بسته به منبع و روشهای فرآوری بسیار متغیر است. درجه پلیمریزاسیون، که نشاندهنده میانگین تعداد واحدهای گلوکز در یک زنجیره سلولزی است، از چند صد تا چند هزار متغیر است. سلولز با درجه پلیمریزاسیون بالاتر عموماً قویتر و کریستالیتر از سلولز با درجه پلیمریزاسیون پایینتر است[7].
3-خواص فیزیکی سلولز
سلولز چندین ویژگی فیزیکی منحصر به فرد را نشان میدهد که به تطبیقپذیری و کاربردهای آن کمک میکند. سلولز در آب و اکثر حلالهای آلی نامحلول است. این خاصیت از پیوندهای هیدروژنی قوی بین زنجیرههای سلولزی ناشی میشود که از نفوذ مولکولهای آب به ساختار پلیمری جلوگیری میکند[8]. همچنین سلولز دارای تعداد زیادی گروه هیدروکسیل بر روی واحدهای گلوکز خود است که آن را آبدوست و قادر به جذب آب میکند. این ویژگی برای کاغذسازی و سایر کاربردهای مبتنی بر سلولز بسیار مهم است[9]. پیوندهای هیدروژنی قوی بین زنجیرههای سلولزی استحکام کششی فوق العادهای ایجاد میکند و سلولز را به مادهای ارزشمند برای کاربردهای مختلف تبدیل میکند که به استحکام و دوام نیاز دارد. همچنین، سلولز به دلیل وجود هر دو ناحیه کریستالی و آمورف در ساختار خود میتواند انعطافپذیری از خود نشان دهد. این ویژگی به ویژه برای کاربردهایی مانند منسوجات و بسته بندی مهم است. سلولز میتواند توسط میکروارگانیسمها از طریق فرآیند هیدرولیز تجزیه شود و آن را به یک ماده پایدار و سازگار با محیطزیست تبدیل کند[10-12].
سلولز یک پلیمر زیستی طبیعی است که فراوان، تجدیدپذیر و زیست تخریبپذیر است و آن را به مادهای امیدوارکننده برای کاربردهای پایدار تبدیل میکند. برخلاف پلاستیک‌های نفتی که به آلودگی محیط زیست و کاهش منابع کمک میکنند، مواد مبتنی بر سلولز جایگزین سازگار با محیطزیست هستند[13]. سلولز از منابع گیاهی به دست میآید که از طریق فتوسنتز دوباره تولید میشود و آن را به یک منبع تجدیدپذیر تبدیل میکند. این در تضاد با نفت است، که یک سوخت فسیلی تجدیدناپذیر است که به سرعت در حال کاهش است[14]. سلولز به طور طبیعی توسط میکروارگانیسمها از طریق فرآیند هیدرولیز تجزیه میشود و به دیاکسیدکربن و آب تبدیل میشوند. این زیستتخریبپذیری تضمین میکند که محصولهای مبتنی بر سلولز میتوانند کمپوست یا تجزیه شوند و اثرات زیست محیطی آنها به حداقل برسد[13]. سلولز را میتوان از منابع مختلف گیاهی از جمله خمیر چوب، پنبه و بقایای کشاورزی تولید کرد. شیوههای جنگلداری پایدار و روشهای برداشت کارآمد میتواند اثرات زیست محیطی تولید سلولز را به حداقل برساند[15]. مواد مبتنی بر سلولز را میتوان بازیافت و استفاده مجدد کرد که باعث کاهش بیشتر ردپای محیطی آنها میشود. سلولز بازیافتی را میتوان برای تولید محصولهای جدید، افزایش طول عمر مواد و کاهش تقاضا برای سلولز بکر استفاده کرد[16]. ارزیابی‌های چرخه حیات برای مقایسه اثرات زیستمحیطی مواد مبتنی بر سلولز با پلاستیک‌های سنتی مبتنی بر نفت انجام شدهاند. این پژوهشها به طور مداوم نشان دادهاند که مواد مبتنی بر سلولز اثرات زیست محیطی کمتری با کاهش انتشار گازهای گلخانهای، مصرف انرژی و مصرف آب دارند[17]. همچنین کاتالیزگرهای سلولزی به دلیل کاربردهای بالقوه خود در اصلاح محیطی مورد توجه قرار گرفتهاند. میتوان از آنها برای تخریب آلایندههایی مانند هیدروکربنها، آفتکشها و رنگها استفاده کرد که به کیفیت آب و هوای پاک کمک میکند. زیست تخریب پذیری کاتالیزگرهای مبتنی بر سلولز، سازگاری با محیط زیست آنها را بیشتر افزایش میدهد[18].
4-اصلاح و کاربردها
خواص منحصر به فرد سلولز را میتوان با اصلاحات شیمیایی بیشتر تنظیم کرد که منجر به طیف گستردهای از کاربردها میشود[19]. مشتقسازی شیمیایی سلولز میتواند حلالیت، آبگریزی و واکنشپذیری آن را تغییر دهد و کاربردهای آن را در زمینه‌های مختلف از جمله داروسازی، آرایشی و بهداشتی و الکترونیک ممکن سازد[20]. سلولز را می توان به الیاف یا نانوبلورهای با ابعاد نانو (نانوسلولز) تجزیه کرد و در نتیجه میتوان خواص مانند استحکام، سفتی و زیست سازگاری را افزایش داد. نانوسلولز کاربردهای بالقوهای در زیست پزشکی، مهندسی بافت و کامپوزیتها دارد[21]. همچنین، سلولز را میتوان با مواد دیگر مانند پلاستیک یا فلزها ترکیب کرد تا کامپوزیتهای زیستی با خواص بهبود یافته و کاهش اثرات زیست محیطی تشکیل دهد. کامپوزیتهای زیستی میتوانند جایگزین مواد سنتی در کاربردهای مختلف از جمله ساخت و ساز، بستهبندی و قطعات خودرو شوند[22]. البته خود سلولز، بهعنوان یک پلیمر زیستی طبیعی، خواص قابلتوجهی از جمله استحکام، دوام، زیست تخریب پذیری و زیست سازگاری را نشان میدهد. با این حال، خواص ذاتی آن، مانند نامحلول بودن در آب و واکنشپذیری محدود، تطبیقپذیری آن را در کاربردهای مختلف محدود میکند. برای رفع این محدودیت‌ها، سلولز میتواند دستخوش تغییرات مختلفی شود[23]. مشتقسازی شیمیایی سلولز، شامل وارد کردن گروههای عاملی بر روی گروههای هیدروکسیل سلولز، تغییر خواص و سازگاری آن با مواد مختلف است. روشهای رایج مشتقسازی شامل استری کردن، آمیناسیون و اتصال عرضی میباشد[24]. برای مثال استرهای سلولز از واکنش سلولز با اسیدهای کربوکسیلیک یا انیدریدها تشکیل میشوند. استری شدن سلولز باعث کاهش بلورینگی و آبدوستی سلولز میشود و آن را در حلالهای آلی حلالتر و آبگریزتر میکند. استرهای سلولزی در منسوجها، فیلم ها و غشاها کاربرد دارند[25]. از سوی دیگر، آمینهای سلولزی از واکنش سلولز با آمونیاک یا آمینها تهیه میشوند. آمیناسیون واکنشپذیری سلولز را افزایش میدهد و سازگاری آن را با سایر مواد افزایش میدهد. آمینهای سلولزی در چسبها، کامپوزیتها و مواد دارویی کاربرد دارند[26]. همچنین اتصال متقابل شامل ایجاد پیوندهای کووالانسی بین زنجیرههای سلولزی باعث افزایش استحکام مکانیکی، پایداری حرارتی و مقاومت در برابر آب می شود. سلولز متقاطع در کاغذ، منسوجها و فیلترها کاربرد دارد[23].
نانوذرات فلزی تثبیت شده بر روی سلولز، فعالیت قابل توجهی در واکنشهای هیدروژناسیون، از جمله کاهش ترکیبهای کربونیل، نیتروآلکان‌ها و آلکن‌ها نشان دادهاند. سطح بالای سلولز، تعداد زیادی مکان فعال برای جذب واکنش دهندهها و مولکولهای هیدروژن را فراهم میکند، در حالی که نانوذرات فلزی تثبیت شده، انتقال الکترونها را تسهیل میکنند و فرآیند هیدروژناسیون را ارتقا میدهند[3]. همچنین، نانوذرات فلزی تثبیت شده بر روی سلولز فعالیت قابل توجهی در واکنشهای اکسیداسیون، مانند اپوکسیداسیون آلکن‌ها و هیدروکسیلاسیون ترکیبهای معطر نشان دادهاند. تثبیت نانوذرات فلزی روی سلولز، پایداری آنها را افزایش داده و از تجمع آنها جلوگیری میکند، در حالی که ماتریس سلولز یک لایه محافظ در برابر اکسیداسیون ایجاد میکند[27]. علاوه بر این، نانوذرات فلزی تثبیت شده بر روی سلولز در واکنشهای پلیمریزاسیون مانند پلیمریزاسیون آلکن‌ها، استایرن و اپوکسیدها استفاده شدهاند. تکیهگاه سلولزی محیطی ناهمگن را برای پلیمریزاسیون فراهم میکند، از درهمتنیدگی زنجیره جلوگیری می کند و باعث تشکیل پلیمرهای کاملاً مشخص میشود[28].
در سال های اخیر، از بین روش های اشاره شده، تهیه نانوفیبریلاسیون و کامپوزیتهای زیستی تهیه شده از سلولز توجه ویژه ای را به خود جلب کرده اند. نانوفیبریلاسیون سلولز شامل تجزیه الیاف سلولز به الیاف یا نانوبلورهای با اندازه نانو است. نانوسلولز در مقایسه با سلولز اولیه خواص مکانیکی افزایش یافته‌ای مانند استحکام، سفتی و چقرمگی از خود نشان میدهد و کاربردهای بالقوهای در زیست پزشکی، مهندسی بافت، کامپوزیتها و دستگاههای ذخیره انرژی دارد[29]. کامپوزیتهای زیستی موادی هستند که از الیاف سلولز یا نانوبلورهای پراکنده در ماتریس مواد دیگری مانند پلیمرها یا فلزات تشکیل شده اند. کامپوزیتهای زیستی خواص سلولز و مواد ماتریکس را ترکیب میکنند و عملکرد و پایداری بهتری را در مقایسه با مواد سنتی ارائه میدهند. این کامپوزیتها در ساخت و ساز، بستهبندی، قطعات خودرو و الکترونیک کاربرد دارند[30].
5- منابع سلولز
سلولز، فراوان ترین ترکیب آلی روی زمین، در طیف گستردهای از منابع گیاهی و میکروبی یافت میشود. این منابع از نظر محتوای سلولز، خلوص و خواص متفاوت هستند که بر مناسب بودن آنها برای کاربردهای مختلف تأثیر میگذارد. دو منبع اصلی سلولز را می توان به منابع گیاهی و میکروبی تقسیم بندی کرد که در ادامه توضیحات مختصری در این مورد آورده شده است[31].
1-5- منابع گیاهی
از جمله منابع گیاهی سلولز می توان به خمیر چوب، پنبه، کتان و کنف و جوت، کناف و رامی اشاره کرد.
خمیر چوب منبع اولیه سلولز برای کاربردهای صنعتی است که بیش از 90 درصد از تولید سلولز جهانی را تشکیل میدهد. سلولز از چوب درختانی مانند صنوبر، کاج و توس به دست میآید و برای حذف لیگنین و همی سلولزها فرآوری میشود و الیاف سلولزی خالص باقی میماند[32].
الیاف پنبه از سلولز تقریباً خالص تشکیل شده است، که آنها را به منبع ارزشمندی برای منسوجات و سایر کاربردهایی که نیاز به سلولز با خلوص بالا دارند تبدیل میکند. پنبه یک الیاف نرم، قوی و جاذب است که به طور گسترده در لباس، ملحفه و محصولهای مراقبت شخصی استفاده میشود[33].
کتان و کنف الیافی هستند که به ترتیب از ساقه گیاهان کتان و کنف به دست میآیند. آنها حاوی سطوح بالایی از سلولز هستند و به دلیل دوام و استحکام خود شناخته میشوند و آنها را برای منسوجات، طناب و سایر کاربردها مناسب میکند[34].
جوت، کناف و رامی الیافی از گونههای گیاهی دیگر هستند. آنها از نظر محتوای سلولز و خواص مشابه کتان و کنف هستند و در کاربردهای مشابه استفاده میشوند[35].
2-5-منابع میکروبی
منابع میکروبی تهیه سلولز شامل سلولز باکتریایی، سلولز جلبکی و تونیکات سلولز است.
سلولز باکتریایی که به نام نانوفیبریلهای سلولزی یا نانوسلولز باکتریایی نیز شناخته میشود، توسط باکتریهایی مانند گلوکوناستوباکتر زایلینوس تولید میشود. این ماده با مقاومت بالا، شفاف و انعطافپذیر با کاربردهای بالقوه در زیست پزشکی، مهندسیبافت و کامپوزیتها است[36].
جلبکها مانند جلبک سبز منبع امیدبخش سلولز برای تولید سوخت زیستی و سایر کاربردها هستند. سلولز جلبکی نسبت به سلولز گیاهی تبلور کمتر و درجه پلیمریزاسیون بالاتری دارد که آن را به هیدرولیز آنزیمی حساستر میکند و به طور بالقوه برای تولید سوخت زیستی مناسبتر است[37].
تونیکاتها، نوعی از بیمهرگان دریایی هستند که سلولز را به عنوان یک جزء ساختاری تونیکهای خود تولید میکنند. سلولز تونیکیت بسیار کریستالی است و دارای خواص مکانیکی عالی است که آن را به یک ماده زیستی بالقوه برای مهندسی بافت و سایر کاربردها
تبدیل میکند[38].
6-مروری بر کاربردهای کاتالیزگری سلولز در سالهای اخیر
در سال 2011 صفری و همکارانش، کاتالیزگر کارآمد، غیر سمی و زیست تخریبپذیر سلولز سولفوریک اسید را تهیه کردند و فعالیت کاتالیزگری این کاتالیزگر را در سنتز 4،1-دی هیدروپیریدینهای جایگزین نشده C5 از طریق واکنش سه جزئی اتیل استواستات، مشتقهای چالکون و استات آمونیوم در محیط آبی مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد به طور کلی در حضور سلولز سولفوریک اسید طیف وسیعی از چالکونها میتوانند با اتیل استواستات و استات آمونیوم به آرامی واکنش دهند و محصولهایی با بازده خوب تا عالی به دست آورند. همچنین قابل توجه است که خاصیت الکترونی حلقه آروماتیک چالکونها بر روی سرعت فرآیند تراکم تأثیر میگذارد. به طور کلی، زمان واکنش کوتاه‌تری برای گروههای الکترون‌کشنده روی حلقه‌های آروماتیک مورد نیاز بود. در حالی که گروههای الکترون دهنده میتوانند محصول مربوطه را با بازده تقریباً به همان اندازه رضایت‌بخش با زمان کمی طولانیتر تهیه کنند(شکل 1)[39].
در سال 2014 ملکی و همکارانش، یک نانوکامپوزیت مبتنی بر سلولز با نانوذرات Fe3O4 را تهیه و فعالیت کاتالیزگری آن را در
شکل1. سنتز 4،1-دی هیدروپیریدینهای جایگزین نشده C5 در حضور سلولز سولفوریک اسید[39].
واکنش تراکمی بین ارتوفنیلندی آمین و کتون‌ها برای تهیهی بنزودیازپینها با بازده خوب تا عالی تحت شرایط واکنش ملایم گزارش کردند(شکل 2)[40].
شکل2. سنتز 5،1-بنزودیازپینها در حضور نانوکامپوزیت Fe3O4@cellulose[40].
در سال 2014 رادمقدم و همکارانش، cm-chitosan@Fe3O4 را به عنوان یک کامپوزیت پلیمری زیستی کارآمد برای کاتالیز واکنش فریدلکرافت بین ایزاتینها و ایندولها معرفی کردند که منجر به سنتز انتخابی 3-هیدروکسی-3-ایندولیندولین-2-ون شد. به طور خلاصه، سلولز و کیتوسان به عنوان کاتالیزگرهای ملایم برای ایندولیلاسیون ایزاتینها در محیط خنثی محلول متانول-آب یافت شدند. با کمال تعجب، واکنش در مرحله اول متوقف میشود تا به طور انتخابی 3-ایندولیل-3-هیدروکسی-2-اکسیندول تولید شود. نتایج بهتر از نظر زمان واکنش و بازده با پیوند کربوکسی متیل سلولز یا کربوکسی متیل کیتوسان به نانوذرات مگنتیت به دست آمد(شکل 3)[41].
در سال 2015 شعبانی و همکارانش، یک رویکرد بسیار کارآمد برای سنتز 3-آمینوایمیداز ]2-1-[a پیریدینها از طریق تراکم سه جزئی مشتقهای آلدهید، 2-آمینو پیریدین و ایزوسیانید با استفاده
شکل3. واکنش فریدلکرافت بین ایزاتینها و ایندولها در حضور کاتالیزگر cm-chitosan@Fe3O4[41].
از کاتالیزگر اکسید آهن مغناطیسی بر پایه سلولز، در حلال متانول در شرایط بازروانی گزارش کردند(شکل 4)[42].
شکل4. سنتز 3-آمینوایمیداز ]2-1-[aپیریدینها در حضور کاتالیزگر Cellulose@Fe2O3[42].
در سال 2016 ملکی و همکارانش، کاتالیزگر نانوکامپوزیت cellulose/g-Fe2O3/Ag را برای سنتز مشتقهای الفا-آمینونیتریلها و سنتز ایمیدازول‌های سهاستخلافی با استفاده از پیش سازهای ساده و در دسترس شامل بنزوئین یا بنزیل، بنزآلدئید و آمونیوم استات گزارش کردند. خواص مغناطیسی قابل توجه نانوکامپوزیت باعث جداسازی آسان کاتالیزگر از مخلوط واکنش بدون از دست دادن فعالیت قابل توجه کاتالیزگر میشود. علاوه بر این، خواص ضدباکتریایی نانوکامپوزیت مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور استافیلوکوکوس اورئوس به عنوان نماینده باکتری های گرم مثبت و اشریشیا کلی به عنوان نماینده باکتریهای گرم منفی مورد ارزیابی قرار گرفت. آزمایشهای ضد باکتریایی نانوکامپوزیت فعالیت ضدمیکروبی قوی علیه استافیلوکوکوس اورئوس (باکتری های گرم مثبت) و توانایی آن در کشتن باکتریها در مدت زمان کوتاه را نشان داد. این نشان میدهد که نانوکامپوزیت کاربرد بالقوهای در حوزه‌های پزشکی و مراقبت‌های بهداشتی دارد(شکل 5)[43].
در سال 2016 میرجلیلی و همکارانش، نانوذرات هسته-پوسته مغناطیسی، Fe3O4@nano-cellulose، را به سادگی از رسوب همزمان یون‌های Fe3+ و Fe2+ از طریق آمونیوم هیدروکسید در محلول آبی تهیه کردند. سپس Fe3O4@nanocellulose را با تیتانیوم تتراکلرید اصلاح کردند که منجر به تشکیل Fe3O4@nano-cellulose/TiCl به عنوان یک کاتالیزگر جدید قابل بازیافت میشود و فعالیت این کاتالیزگر در سنتز مشتقهایH
شکل5. سنتز ایمیدازول‌های سهاستخلافی و الفا-آمینونیتریلها در حضور کاتالیزگر cellulose/g-Fe2O3/Ag[43].
4- پیریمیدو [2,1 [b-بنزوتیازول از طریق واکنش سه جزئی یک گلدانی آلدئیدها، اتیل استواستات و 2-آمینو بنزوتیازول در شرایط بدون حلال در دمای 70 درجه سانتیگراد مورد بررسی قراردادند(شکل 6)[44].
شکل6. سنتز مشتقهایH 4- پیریمیدو [2,1b- [بنزوتیازول در حضور کاتالیزگرFe3O4@nano-cellulose/TiCl [44].
در سال 2017 صباغیان و همکارانش، سیستم کاتالیزگری بسیار کارآمد و قابل بازیابی مغناطیسی پالادیم استات تثبیت شده بر روی سلولز عامل دار شده با آمیدوکسیم را گزارش کردند(شکل 7)[45].
شکل7. سنتز مشتقهای بیفنیل در حضور کاتالیزگر نانو Fe3O4@AOFC/Pd(II) [45].
در سال 2017 میرجلیلی و همکارانش، نانو Fe3O4/TiCl2/cellulose را به عنوان یک نانوکاتالیزگر جدید مغناطیسی قابل بازیافت، سازگار با محیط زیست، ارزان و کارآمد سنتز کردند. به عنوان اولین گزارش، فعالیت کاتالیزگری نانو Fe3O4/TiCl2/cellulose در سنتز مشتقهای 3،2-دی هیدروکینازولین-4(1H)–اون از طریق واکنش دو جزئی آلدئیدها و 2-آمینوبنزآمید با بازدهی خوب تا عالی در شرایط ملایم مورد بررسی قرار دادند. ماهیت مغناطیسی کاتالیزگر امکان بازیابی آسان آن را با جداسازی ساده توسط یک آهنربای خارجی، شستشو با اتانول و خشک کردن در دمای اتاق فراهم میکند تا فرصتی برای آزمایشهای بازیابی فراهم شود. نانوکاتالیزگر جدا شده در واکنش فوقالذکر برای هفت بار بدون از دست دادن قابل توجه فعالیت کاتالیزگری مجددا مورد استفاده قرار گرفت. از دست دادن نسبی فعالیت کاتالیزگری ممکن است به دلیل انسداد مکانهای فعال کاتالیزگر و/یا شستشوی جزئی تیتانیوم از کاتالیزگر باشد(شکل 8)[46].
شکل8. سنتز مشتقهای 3،2-دی هیدروکینازولین-4(1H) –اون از طریق واکنش دو جزئی آلدئیدها و 2-آمینوبنزآمید در حضور کاتالیزگر نانوFe3O4/TiCl2/cellulose [46].
در سال 2018 ملکی و همکارانش، یک رویکرد کارآمد برای سنتز 3-کربوکسی کومارینها از طریق واکنش تراکم نوناگل بین اسید ملدروم و سالیسیل آلدئیدهای استخلافدار در حضور کاتالیزگر Cellulose/Fe2O3/Ag در حلال اتانول در دمای اتاق گزارش
کردند(شکل 9)[47].
در سال 2018 میرجلیلی و همکارانش، نانو کاتالیزگر مغناطیسی cellulose/BF3/Fe3O4 را سنتز کردند و فعالیت این کاتالیزگر در سنتز مشتقهایH 4- پیریمیدو [2,1b- [بنزوتیازول از طریق واکنش سه جزئی یک ظرفی آلدئیدها، اتیل استواستات و 2-آمینو بنزوتیازول در شرایط بدون حلال در دمای100 درجه سانتیگراد مورد بررسی قرار دادند(شکل 10)[48].
شکل9. برای سنتز 3-کربوکسی کومارینها در حضور کاتالیزگر Cellulose/Fe2O3/Ag [47].
شکل10. سنتز مشتقهایH 4- پیریمیدو [2,1b-[ بنزوتیازول در حضور کاتالیزگر نانو cellulose/BF3/Fe3O4[48].
در سال 2019 ملکی و همکارانش، یک نانوکامپوزیت مغناطیسی جدید مبتنی بر پلیمرهای زیستی سلولز را تهیه کردند. سپس فعالیت آن را به عنوان یک کاتالیزگر کارآمد ناهمگن در دو واکنش تراکم آلی یک ظرفی سه و چهار جزئی برای سنتز مشتقهای 4،1-دیهیدروپیریدینها و پلیهیدروکینولینها با بازده بالا در شرایط بدون حلال در دمای اتاق گزارش کردند(شکل 11)[49].
در سال 2019 بامنیری و همکارانش، Fe3O4@nano-cellulose/Cu(II) را به عنوان یک نانوکاتالیزگز جدید مغناطیسی قابل بازیافت، سازگار با محیط زیست، ارزان و کارآمد تهیه کردند و فعالیت کاتالیزگر تهیه شده را در سنتز مشتقهایH 4- پیریمیدو [2,1b-[ بنزوتیازول از طریق واکنش سه جزئی یک ظرفی آلدئیدها، اتیل استواستات و 2-آمینو بنزوتیازول در شرایط بدون حلال در دمای 80 درجه سانتی گراد مورد بررسی قرار دادند(شکل 12)[50].
شکل11. سنتز دی هیدروپیریدینها و پلی هیدروکینولینها در حضور کاتالیزگر g-Fe2O3/Cu@cellulose[49].
شکل12. سنتز مشتقهایH 4- پیریمیدو[2,1b-[ بنزوتیازول در حضور Fe3O4@nano-cellulose/Cu(II)[50].
در سال 2019 میرجلیلی و همکارانش، کاتالیزگر Fe3O4@NCs/BF0.2 را برای برای سنتز مشتقهای 3،2-دی هیدرو-1H-پریمیدینها از طریق واکنش 8،1-دی آمینونفتالن با آلدئیدهای مختلف در دمای اتاق تحت شرایط بدون حلال مورد بررسی قرار دادند(شکل 13)[51].
در سال 2021 نعیمی و همکارانش، یک سیستم کاتالیزگری جدید و کارآمد را برای واکنش جفت متقابل سوزوکی-میاورا معرفی کردند، که در این سیستم کاتالیزگری سولفات سلولز با نقش دوگانه به عنوان عامل کاهنده و تثبیت کننده در سنتز زیستی نانوکاتالیزگر
شکل13. سنتز مشتقهای 3،2-دی هیدرو-1H-پریمیدینها در حضور کاتالیزگر Fe3O4@NCs/BF0.2[51].
پالادیم استفاده شد. گروههای هیدروکسیل الیاف سلولزی به سولفات تبدیل میشوند، بنابراین میتوان آنها را به عنوان مکانهایی برای پیوند شیمیایی پالادیم با بستر در نظر گرفت. تثبیت پالادیم روی بسترهای نامحلول میتواند کاتالیزگرهای قابل بازیافتی را فراهم کند که فرآیند جداسازی کاتالیزگر را ساده کرده و سطح ناهمگن موثر کاتالیزگر را افزایش میدهد(شکل 14)[52].
شکل14. سنتز مشتقهای بیآریل در حضور کاتالیزگر Pd@CS NPs[52].
در سال 2021 میرجلیلی و همکارانش، نانوکاتالیزگر مغناطیسی Fe3O4@NCs/Cu(II) را با افزودن CuCl2 به Fe3O4@NCs در محیط قلیایی سنتز کردند. سپس، فعالیت این کاتالیزگر را در تهیهی ایندنوپیریدو [3،2d-[پیریمیدینها از طریق واکنش سهجزئی 6-آمینو-2-(متیلتیو)پیریمیدین-4H)3(-اون،3،1-اینداندیون/دیمدون و آلدئیدهای آروماتیک در حلال اتانول در دمای 60 درجه سانتیگراد مورد بررسی قرار دادند(شکل 15)[53].
در سال 2021 میرجلیلی و همکارانش، نانو Fe3O4/TiCl2/cellulose را به عنوان یک نانوکاتالیزگر سبز، زیستتخریبپذیر و قابل بازیابی برای تهیهی مشتقهای ]1و3[ اکسازین در دمای اتاق استفاده کردند(شکل 16)[54].
در سال 2022 نعیمی و همکارانش، کاتالیزگر مغناطیسی و ناهمگن پلاتین را بر پایه الیاف سلولزی طراحی و سنتز کردند و از این کاتالیزگر برای سنتز مشتقهای بیس کومارین از طریق واکنش آلدئیدهای آروماتیک با ۴ هیدروکسی کومارین در حلال اتانول و شرایط بازروانی استفاده کردند(شکل 17)[55].
در سال 2022 میرجلیلی و همکارانش، نانوکاتالیزگر مغناطیسی
شکل15. تهیهی ایندنوپیریدو [3،2d- [پیریمیدینها در حضور کاتالیزگر Fe3O4@NCs/Cu(II)[53].
شکل16. سنتز مشتقهای ]1و3[اکسازین در حضور کاتالیزگر نانو Fe3O4/TiCl2/cellulose[54].
شکل17. سنتز مشتقهای بیس کومارین در حضور کاتالیزگر Sulfate-chitosan@Pt[55].
Fe3O4@nano-cellulose/Sb(V) را در تهیهی مشتقهای پیریمیدو [5،4b-[کینولونها و ایندنوپیریدو [3،2d- [پیریمیدینها از طریق واکنش سهجزئی 6-آمینو-2-(متیل تیو)پیریمیدین-4H)3(-اون، 3،1-اینداندیون/دیمدون، و آلدئیدهای آروماتیک در شرایط بدون حلال در دمای 70 درجه سانتیگراد استفاده کردند(شکل 18)[56].
شکل18. تهیهی مشتقهای پیریمیدو[5،4b-[کینولونها و ایندنوپیریدو[3،2d-[ پیریمیدینها در حضور کاتالیزگر مغناطیسی Fe3O4@nano-cellulose/Sb(V)[56].
در سال 2022 بامنیری و همکارانش، cellulose/BF3/Fe3O4 را به عنوان کاتالیزگر اسید لوئیس سنتز کردند. سپس یک روش سنتزی کارآمد را برای سنتز 4،3-دی هیدروپیریمیدین-2 (1H)-اونها با استفاده از واکنش یک ظرفی سه جزئی بین آلدهید آروماتیک، اتیل استواستات و اوره در حلال اتانول و دمای محیط در حضور کاتالیزگر مربوطه گزارش کردند(شکل 19)[57].
شکل19. سنتز 4،3-دیهیدروپیریمیدین-2(1H)-اونها در حضور کاتالیزگر نانو cellulose/BF3/Fe3O4 [57].
پروتکلهای اشاره شده شامل مزایای مهمی مانند شرایط واکنش ملایم، بازده عالی، کار آسان، خلوص بالا محصولها، مدت زمان
کوتاه انجام واکنش، سازگاری با محیط زیست و قابلیت استفاده مجدد است.
7-نتیجهگیری
با توجه به مشکلات کنونی مانند گرم شدن کره زمین، قیمت بالای نفت، بحران مواد غذایی، قوانین سختگیرانه زیست محیطی و سایر سناریوهای ژئوپلیتیکی پیرامون استفاده از مواد اولیه فسیلی و منابع خوراکی، تبدیل کارآمد سلولز، به انرژی، سوخت و مواد شیمیایی مورد توجه زیادی قرار گرفته است. تهیه مواد قابل استفاده مجدد و سازگار با محیط زیست از منابع زیست توده تجدیدپذیر مانند سلولز
یک انتخاب اجتنابناپذیر برای توسعه پایدار است. آنها میتوانند جایگزین پلیمرهای سنتزی شوند و وابستگی جهانی به منابع سوخت فسیلی را کاهش دهند. فراوان ترین پلیمرهای تجدیدپذیر زیستی روی زمین بدون شک پلی ساکاریدهایی مانند سلولز و کیتوسان هستند. در سالهای اخیر، مشتقهای سلولز و سایر پلیمرهای زیستی به عنوان پشتیبان‌های بالقوه کارآمد، ارزان، تجدیدپذیر و زیست تخریبپذیر برای کاتالیز مورد مطالعه قرار گرفتهاند. مفهوم شیمی سبز نقش بسزایی در برآوردن وظایف علمی اساسی حفاظت از محیط زیست دارد. در شیمی آلی، توسعه مسیرهای کارآمد و سبز برای سنتز کاتالیزگرهای زیست تخریب پذیر به عنوان کاتالیزگرهای سبز حیاتی شده است. از دو دهه پیش، سلولز به عنوان یک پلیمر زیستی طبیعی مبتنی بر پلیساکارید، توجه بسیاری از شیمیدانان آلی را به خود جلب کرده است. این کاتالیزگرها دارای پتانسیل بسیار زیادی برای کاربردهای صنعتی مختلف، از جمله سنتز آلی، زیست کاتالیزگر و اصلاح محیطی هستند. توانایی آنها در ترویج واکنشهای کارآمد و انتخابی در حالی که اثرات زیستمحیطی را به حداقل میرساند و آنها را به ابزاری امیدوارکننده برای آیندهای سبزتر و پایدارتر تبدیل میکند. کاتالیزگرهای مبتنی بر سلولز فعالیت قابل توجهی را در طیف گستردهای از واکنشها از جمله هیدروژناسیون، اکسیداسیون و پلیمریزاسیون نشان دادهاند. بنابراین تطبیق پذیری، پایداری و ویژگی های قابل تنظیم سلولز آن را به یک کاتالیزگر ضروری برای آینده ای سبزتر تبدیل کرده است.
مراجع
1. R.S. Riseh, M.G. Vazvani, M. Hassanisaadi, V.K.T hakur, Ind Crops Prod 208, 117904 (2024)
2. S. Li, G. He, J. Huang, Curr Opin Colloid Interface 63, 101655 (2023)
3. A. Prekob, V. Hajdu, G. Muránszky, B. Fiser, A. Sycheva, T. Ferenczi, L. Vanyorek, Mater. Today Chem 17, 100337 (2020)
4. N. Chokesawatanakit, S. Thammasang, S. Phanthanawiboon, J.T. Knijnenburg, S. Theerakulpisut, K. Kamwilaisak, Int. J. Biol. Macromol 256, 128321 (2024)
5. T.I. Gromovykh, M.A. Pigaleva, M.O. Gallyamov, I.P. Ivanenko, K. E. Ozerova, E.P. Kharitonova, O.I. Kiselyova, Carbohydr. Polym 237, 116140 (2020)
6. J. Liu, H. Sixta, Y. Ogawa, M. Hummel, M. Sztucki, Y. Nishiyama, M. Burghammer, Carbohydr. Polym 324, 121512 (2024)
7. J. Malešič, I. Kraševec, I. Kralj Cigić, Polym 13, 1990 (2021)
8. A. Yamakawa, S. Suzuki, T. Oku, K. Enomoto, M. Ikeda, J. Rodrigue, S. Kitamura, Carbohydr. Polym 171, 129-135 (2017)
9. P.L. Hurtado, A. Rouilly, V. Vandenbossche, C. Raynaud, Build Environ 96, 170-177 (2016)
10. P.L. Nasatto, F. Pignon, J.L. Silveira, M. E.R. Duarte, M.D. Noseda, M. Rinaudo, Polym 7, 777-803 (2015)
11. L. Pan, J. Du, Q. Yin, Y. Tao, P. Li, Int. J. Biol. Macromol 257, 128552 (2024)
12. R. Blažic, K. Marušić, E. Vidović, Gels 9, 94 (2023)
13. J. Mantovan, G.A.G. Giraldo, B.M. Marim, P.S. Garcia, A.M. Baron, S. Mali, Biomass Convers. Biorefin 1-12 (2021)
14. M.M. Pérez-Madrigal, M.G. Edo, C. Alemán, Green Chem 18, 5930-5956 (2016)
15. D. Zhao, Y. Zhu, W. Cheng, W. Chen, Y. Wu, H. Yu, Adv Mater 33, 2000619 (2021)
16. J. Wei, G. Zhang, J. Dong, H. Wang, Y. Guo, X. Zhuo, Y. Li, ACS Sustain. Chem. Eng 6, 11335-11344 (2018)
17. L.O. Mota, I.F. Gimenez, Rev. Virtual Quím 60, 2525-2542 (2022)
18. A. Shrotri, H. Kobayashi, A. Fukuoka, Acc. Chem. Res 51, 761-768 (2018)
19. L.E. Silva, Dos A.D.A. Santos, L. Torres, Z. McCaffrey, A. Klamczynski, G. Glenn, G.H.D. Tonoli, Carbohydr. Polym 252, 117165 (2021)
20. J. Zhang, Q.I. Yingping, S.H.E.N Yongfeng, L.I. Hua, Mater. Sci 28, 60-67 (2022)
21. Y. Li, J. Guo, M. Li, Y. Tang, V. Murugadoss, I. Seok, Y. Luo, ES food & agroforestry 4, 9-27 (2021)
22. R. Yekta, R. Abedi-Firoozjah, S. Azimi Salim, A. Khezerlou, K. Abdolmaleki, Cellul 30, 9925-9953 (2023)
23. T. Aziz, A. Farid, F. Haq, M. Kiran, A. Ullah, K. Zhang, R. Ullah, Polym 14, 3206 (2022)
24. S. Eyley, W. Thielemans, Nanoscale 6, 7764-7779 (2014)
25. S. Hokkanen, A. Bhatnagar, M. Sillanpää, Water Res 91, 156-173 (2016)
26. K. Jedvert, T. Heinze, J. Polym. Eng 37, 845-860 (2017)
27. A. Shrotri, H. Kobayashi, A. Fukuoka, ChemCatChem 8, 1059-1064 (2016)
28. T. Aziz, A. Ullah, H. Fan, R. Ullah, F. Haq, F.U. Khan, J. Wei, J Polym Environ 29, 2062-2071(2021)
29. K. Missoum, M.N. Belgacem, J. Bras, Mater 6, 1745-1766 (2013)
30. J. Mantovan, G.A.G. Giraldo, B.M. Marim, P.S. Garcia, A.M. Baron, S. Mali, Biomass Convers. Biorefin 1-12 (2021)
31. W. Zheng, L. Fan, Z. Meng, J. Zhou, D. Ye, W. Xu, J. Xu, Carbohydr. Polym 324, 121502 (2024)
32. D. Trache, M.H. Hussin, M.M. Haafiz, V.K. Thakur, Nanoscale 9, 1763-1786 (2017)
33. D.K.P.K. Lavanya, P.K. Kulkarni, M. Dixit, P.K. Raavi, L.N.V. Krishna, Int. J. Drug Dev. Res 2, 19-38 (2011)
34. J. Gong, J. Li, J. Xu, Z. Xiang, L. Mo, RSC adv 7, 33486-33493 (2017)
35. T. Heinze, O.A. El Seoud, A. Koschella, Cellulose derivatives: Synthesis, structure, and properties, (Springer, 2018)
36. E.R. Keijsers, G. Yılmaz, J.E. Carbohydr van Dam, Polym 93, 9-21 (2013)
37. M.A. Mohamed, W.N.W. Salleh, J. Jaafar, A.F. Ismail, M.Abd. Mutalib, S.M. Jamil, J. Appl. Polym. Sci 132, (2015)
38. H.M. Ng, L.T. Sin, T.T. Tee, S.T. Bee, D. Hui, C.Y. Low, A.R. Rahmat, Compos. B. Eng. 75, 176-200 (2015)
39. J. Safari, S.H. Banitaba, S.D. Khalili, J Mol Catal A Chem 335, 46-50 (2011)
40. A. Maleki, M. Kamalzare, Catal. Commun 53, 67-71 (2014)
41. K. Rad-Moghadam, N. Dehghan, J Mol Catal A Chem 392, 97-104 (2014)
42. A. Shaabani, H. Nosrati, M. Seyyedhamzeh, Res. Chem. Intermed 41, 3719-3727 (2015)
43. A. Maleki, H. Movahed, R. Paydar, RSC adv 6, 13657-13665 (2016)
44. S. Azad, B.B.F. Mirjalili, RSC adv 6, 96928-96934 (2016)
45. S. Sabaqian, F. Nemati, H.T. Nahzomi, M.M. Heravi, Carbohydr. Polym 177, 165-177 (2017)
46. B.B.F. Mirjalili, A. Bamoniri, S. Azad, J. Iran. Chem. Soc 14, 47-55 (2017)
47. A. Maleki, P. Ravaghi, H. Movahed, Nanomicro Lett 13, 591-594 (2018)
48. B.B.F. Mirjalili, F. Aref, Res. Chem. Intermed 44, 4519-4531 (2018)
49. A. Maleki, V. Eskandarpour, J. Rahimi, N. Hamidi, Carbohydr. Polym 208, 251-260 (2019)
50. N. Safajoo, B.B.F. Mirjalili, A. Bamoniri, RSC adv 9, 1278-1283 (2019)
51. B.B.F. Mirjalili, M. Imani, J. Chin. Chem. Soc 66, 1542-1549 (2019)
52. M. Jokar, H. Naeimi, G. Nabi Bidhendi, Appl. Organomet. Chem 35, 6266 (2021)
53. N. Safajoo, B.B.F. Mirjalili, A. Bamoniri, Polycycl. Aromat. Compd 41, 1241-1248 (2021)
54. S. Azad, B.B.F. Mirjalili, A. Bamoniri, J. Org. Chem. Res 7, 23-31 (2021)
55. M. Jokar, H. Naeimi, G. Nabi Bidhendi, Polycycl. Aromat. Compd 42, 4994-5005 (2022)
56. S.S. Hoseinikhah, B.F. Mirjalili, N. Salehi, A. Bamoniri, Sci. Iran 29, 1301-1307 (2022)
57. M.A.M. Tabaei, A. Bamoniri, B.B.F. Mirjalili, J. Iran. Chem. Soc 19, 2679-2691 (2022)
A brief overview on the application of cellulose as an efficient and effective catalyst in organic reactions
A. Dehghani*, M. Ghezelsofloo, Y. Delshad, S. Dehghani Siyahaki
Abstract: The production of renewable and valuable chemicals from renewable biomass sources such as cellulose has attracted global attention in order to create sustainable societies. Cellulose is the most abundant non-food biomass and is of great economic importance. Unlike traditional catalysts derived from petroleum sources, cellulose offers several advantages such as renewability, biodegradability and compatibility with the principles of green chemistry. The use of heterogeneous catalysis can allow researchers to develop environmentally safe processes. Cellulose-based catalysts have shown significant activity in a wide range of reactions including hydrogenation, oxidation and polymerization. Their versatility is due to their ability to support all kinds of metal nanoparticles that act as active catalysis sites. Stabilization of metal nanoparticles on cellulose brings several advantages, including improving stability, preventing the accumulation of nanoparticles, and increasing their dispersibility. Cellulose shows its potential to create a great revolution in green chemistry. Therefore, cellulose's versatility, sustainability, and tunable properties make it an essential catalyst for a greener future. The purpose of this review is to provide an overview of the use of cellulose as a catalyst in organic reactions by Iranian researchers.
|
Keywords: Cellulose, Biopolymer, Catalyst, Organic reactions
