Оптимизация зелени и окружающей среды

Том 13 научных докладов, номер статьи: 2803 (2023) Цитировать эту статью

1516 Доступов

1 Цитаты

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Морские ракушки, измельченные в шаровой мельнице, как нано-биокомпозитный катализатор и природный источник CaCO3 в его микрокристаллической форме арагонита с фиксированным CO2, были оптимизированы для синтеза изоамилацетата (3-метилбутилэтаноата) методом поверхности отклика с пятиуровневым трехуровневым методом. вращающаяся с возможностью вращения описанная центральная составная конструкция. Нанобиокомпозит из морских ракушек оказался превосходным гетерогенным многофункциональным катализатором для зеленого и экологически безопасного синтеза изоамилацетата из уксусной кислоты и изоамилового спирта в условиях без растворителей. Высокий выход 91% был получен при следующих оптимальных условиях: мольное соотношение спирт:уксусная кислота (1:3,7), загрузка катализатора (15,7 мг), температура реакции (98 °С) и время реакции (219 мин). ). Выдающимися преимуществами этого протокола являются использование недорогого, встречающегося в природе и легко получаемого нанобиокомпозитного материала, обладающего соответствующей термической стабильностью и без каких-либо модификаций с использованием опасных реагентов, более низкой загрузки катализатора и температуры реакции, отсутствия использования агрессивных кислот Бренстеда, а также токсичные азеотропные растворители или водные адсорбенты и простота процедуры.

Что касается экологических проблем и их прямого влияния на людей и живые организмы, проектирование, разработка и применение экологически чистых и атомосберегающих химических веществ, безопасных и подходящих катализаторов, реагентов и растворителей, привлекли значительное внимание как со стороны научных кругов, так и со стороны промышленности. с принципами зеленой и устойчивой химии1,2,3,4,5. Техника шарового измельчения и использование гетерогенных каталитических систем, содержащих нанобиокомпозиты и биополимеры, являются одними из этих интересных и полезных процедур или концепций. Шаровое измельчение — интересный и экологичный механический метод приготовления нанобиокомпозитов. Это захватывающий выбор для производства новых наноструктурированных материалов из экологически чистых источников по сравнению с традиционными методами приготовления нанобиокомпозитов. Этот метод имеет такие преимущества, как резкое снижение утилизации в окружающей среде, синхронное создание и гомогенное диспергирование наночастиц, покрытие неорганических наночастиц и возможность параллельных процессов (поверхностная прививка, внедрение и полимеризация), которые особенно подходят в случае биоразлагаемые полимеры. Кроме того, возможность создания наночастиц in situ и стимулирования химических реакций между органическими молекулами и активированными наночастицами, а также использование условий без растворителей представляют собой еще одно важное преимущество этого метода6,7,8,9,10.

Этерификация карбоновых кислот спиртами является одной из наиболее важных, простых и сложных реакций как с академической, так и с промышленной точки зрения11,12. Эфиры в основном производятся в результате реакций между соответствующими кислотами и спиртами или алкилгалогенидами, в которых традиционно используются кислотные или основные условия катализа соответственно13. Действительно, этерификация в кислых условиях обычно является обратимой и медленной реакцией, для достижения которой требуется большее количество спирта. Следовательно, в случае низкой концентрации спирта конверсия требует длительной реакции14,15. Интересно, что сложные эфиры с короткой цепью являются важными органическими соединениями, которые широко используются в различных областях химической промышленности, таких как смазочные материалы, пластификаторы, фармацевтические препараты, косметика, напитки, парфюмерия, растворители и пищевые консерванты16,17,18. Их обычно производят из короткоцепочечных кислот и спиртов с длиной цепи менее 10 атомов углерода19. Одним из таких важных эфиров является изоамилацетат (3-метилбутилэтаноат), который широко используется в медицинской, косметической, парфюмерной, ореховом мороженом, напитках, конфетах, хлебобулочных изделиях и других пищевых отраслях. Другие применения этого сложного эфира находятся на пчелиных фермах в качестве сигнального феромона, а также для экстракции пенициллина16,19,20,21. Кроме того, изоамилацетат обладает высокой противогрибковой, антибактериальной и противомикробной активностью и эффективен в ингибировании и дезактивации роста различных микроорганизмов и дрожжей, таких как Escherichia coli22. Эти приложения очень важны из-за роста мирового населения и его пищевой цепи. Хотя большое количество коммерческих эфиров можно извлечь из природных источников или произвести ферментацией, продукты, полученные этими методами, имеют небольшие объемы и высокие цены. Поэтому более удобные и менее дорогостоящие альтернативные процессы, включая этерификацию карбоновых кислот, пользуются большим спросом23,24. Этерификация карбоновых кислот спиртами обычно включает гомогенные кислотные катализаторы, такие как H2SO4, HCl, HF, H3PO4 и п-толуолсульфокислота, по пути химического синтеза25. Хотя эти катализаторы зачастую недороги, они имеют такие недостатки, как токсичность, коррозия и сложность их разделения26. В этом отношении гетерогенные каталитические системы стали подходящей альтернативой гомогенным. Они предлагают множество преимуществ, включая более высокую чистоту продуктов, простоту разделения, восстановление катализаторов и возможность проведения реакций в условиях без растворителей27,28,29. Обзор литературы показывает, что для получения изоамилацетата из уксусной кислоты и изоамилового спирта представлены различные гетерогенные каталитические системы. Например, катионообменные смолы, такие как пуролит CT-175, Amberlyst-15 или Amberlite IR-120, вольфрамофосфорная или молибдофосфорная кислота, нанесенная на диоксид циркония, поливиниловый спирт, содержащий сульфоновую кислоту, иммобилизованную липазу Candida antarctica, липазу B Candida antarctica на смолу. Можно указать Purolite@MN102, липазу Bacillus aerius, иммобилизованную на матрице силикагеля30,31,32,33,34,35, гибридный мембранный процесс36, сульфонированную ионную жидкость на основе полиоксометаллата37 и наностержни β-MnO238. Также сообщалось о кислых ионных жидкостях, таких как гидросульфат 1-сульфобутил-3-метилимидазолия ([HSO3bmim][HSO4]), катион тригексил(тетрадецил)фосфония и смешанный хлорид и анион бис(трифторметилсульфонил)имида39. В большинстве этих методов исследованы только кинетические факторы оптимального синтеза изоамилацетата. Более того, некоторые из этих протоколов имеют трудности, такие как высокая загрузка катализатора и использование органических растворителей32,34,35. С другой стороны, в некоторых из этих процедур использовался экспериментальный дизайн с целью оптимизации производства изоамилацетата30,31. В этом направлении большой интерес вызывают различные биополимерные макромолекулы в качестве носителя в гетерогенных каталитических системах или в композиционных материалах. В частности, биополимерные макромолекулы, такие как хитин (поли[β-(1 → 4)-N-ацетил-D-глюкозамин]; член семейства полисахаридов), который занимает второе место по распространенности после целлюлозы с годовым объемом ресурсов. объем производства оценивается в несколько тысяч тонн, или его деацилированный продукт (хитозан) очень популярен для этой цели40,41,42,43,44,45,46. Другие биополимеры, включая крахмал, целлюлозу, альгинаты, коллаген, фиброин и шерсть, могут демонстрировать аналогичную роль в соответствующих нанобикомпозитных каталитических системах. 57.