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Jun 09, 2023

Regolazione dell'acidità dell'halloysite mediante liquido poliionico per sviluppare un catalizzatore efficiente per la conversione del fruttosio in 5

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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7663 (2023) Citare questo articolo

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Nel tentativo di preparare un catalizzatore acido eterogeneo efficiente ed a basso costo per la conversione del fruttosio in 5-idrossimetilfurfurale in condizioni di reazione blande, l'acidità dell'alloisite è stata migliorata mediante innesto covalente di un liquido poliionico acido. Più precisamente, l'halloysite è stata prima vinilfunzionalizzata e poi polimerizzata con vinil imidazolo e acido 2-acrilammido-2-metilpropansolfonico. Gli anelli imidazolici aggrovigliati sono stati ulteriormente convertiti in liquidi ionici acidi trattandoli con acido clorosolforico. La spettroscopia UV-Vis e l'equazione di Hammett hanno confermato che la coniugazione del liquido poliionico acido ha comportato un aumento dell'acidità della halloysite. Lo studio dell'efficienza del catalizzatore per la sintesi del 5-idrossimetilfurfurale e l'ottimizzazione delle variabili di reazione hanno mostrato che la resa di 5-idrossimetilfurfurale era del 97,8% dopo 30 minuti nelle condizioni ottimali, ovvero caricamento del catalizzatore del 20% in peso a 70 °C. In particolare, il catalizzatore era altamente riutilizzabile e poteva essere riutilizzato per almeno sette cicli di reazione con una perdita insignificante della sua attività. Inoltre, questo catalizzatore potrebbe anche promuovere la conversione di saccarosio e maltosio per fornire rese moderate di 5-idrossimetilfurfurale.

L'utilizzo di risorse rinnovabili è stato considerato una soluzione alla carenza di risorse energetiche convenzionali e all'inquinamento ambientale1. Esistono vari tipi di energie rinnovabili, come l’energia eolica, oceanica, solare e geotermica, tra le quali la bioenergia ha attirato notevole attenzione. In questa classe di energia rinnovabile, la biomassa, come i rifiuti agricoli, le piante, il legno, ecc. viene convertita in elettricità o combustibili, denominati biocarburanti2. Prendendo in considerazione i biocarburanti, molti tentativi sono stati dedicati allo sviluppo di biocarburanti con caratteristiche concorrenti con la benzina. In questa linea sono state promosse quattro generazioni di biocarburanti2,3,4. La prima generazione di biocarburanti è costituita da carburanti alcolici, come il bioetanolo. Poiché questa classe di biocarburanti ha una densità energetica inferiore rispetto ai carburanti convenzionali e presenta diversi problemi tecnici, è stata sviluppata una seconda generazione di biocarburanti basata su composti a base di furano. È gratificante che i biocarburanti a base di furano abbiano una densità energetica più elevata e, cosa ancora più importante, possano essere prodotti da risorse non commestibili, principalmente biomassa lignocellulosica5. La formazione di biocarburanti a base di furano consiste in due fasi principali, ovvero la conversione della biomassa lignocellulosica nei composti della piattaforma, come il 5-idrossimetilfurfurale (HMF)6,7,8 a seguito di alcune reazioni chimiche, come l'idrodeossigenazione per formare biocarburanti, come 2 ,5-dimetilfurano.

Di grande importanza è la sintesi di HMF9,10,11 dai carboidrati come fase iniziale verso la produzione di biocarburanti a base di furano12. Inoltre, poiché questo composto chiave può essere utilizzato per la sintesi di altri prodotti chimici 15, come l'acido levulinico16,17, molti gruppi di ricerca hanno tentato di divulgare protocolli efficienti per la sintesi di HMF sviluppando diversi sistemi catalitici. Ad oggi, per questa reazione catalizzata da acido sono stati sviluppati vari catalizzatori, come i catalizzatori acidi di Lewis18 e le zeoliti in forma H19. A questo proposito, anche i liquidi ionici acidi (IL) possono essere considerati potenziali candidati. Uno dei vantaggi di questi sali organici20,21,22,23,24,25,26,27 è che possono essere facilmente sintonizzati e progettati per uno scopo specifico28. Gli IL acidi possono anche essere preparati mediante clorosolfonazione della porzione organica29. Ancora più interessante, gli IL possono essere polimerizzati per formare liquidi poliionici, PIL, che beneficiano di una miriade di IL. In alternativa, i polimeri convenzionali possono essere convertiti in PIL tramite modifiche chimiche. Inoltre, è possibile supportare IL/PIL su vari materiali di supporto, come minerali argillosi naturali, tramite facili reazioni chimiche, per aumentare le prestazioni catalitiche e la stabilità degli IL/PIL. I minerali argillosi naturali, che traggono vantaggio dalla disponibilità, dal basso costo e dalla stabilità chimica e termica, sono materiali di supporto economici e rispettosi dell'ambiente. Alcuni minerali argillosi, come l'halloysite (Hal), mostrano un'eccellente efficienza per la catalisi30,31,32,33,34,35,36,37,38. L'Hal che è un alluminosilicato con morfologia cilindrica e superfici con carica elettrica opposta è stato ampiamente applicato per l'immobilizzazione di catalizzatori38. Hal possiede anche caratteristiche acide. Tuttavia, la sua acidità non è abbastanza forte da poter catalizzare la conversione dei carboidrati in HMF.