Obtención de 5-(hidroximetilfurfural) -2- furancarboxaldehído desde monosacáridos

SILVA, DAVID F.; AGUILERA, EDNA X.; MARTÍNEZ, JOSÉ J.

Síntesis de productos químicos derivados de la biomasa empleando catálisis heterogénea

UPTC

Lugar: TUNJA ; Año: 2019; p. 17 - 50

Los compuestos orgánicos heterocíclicos son un grupo numeroso de sustancias, cuya característica principal es estructural, en las cuales al menos uno de los átomos constituyentes del ciclo pertenece a un elemento diferente al carbono (al que se denomina heteroátomo). Entre los heteroátomos más comunes que forman parte del esqueleto cíclico se encuentran el oxígeno y el nitrógeno, que otorgan a las moléculas características particulares en cada caso y constituyen un inmenso grupo de sustancias orgánicas; una mayoría de estas posee propiedades biológicas destacadas que las convierten en productos importantes para diferentes industrias. Su preparación se suele realizar mediante procedimientos que involucran muchas etapas, a la vez que se emplean cantidades relevantes de solventes y se involucran reactivos de gran toxicidad. La consecuencia principal de dichos procesos industriales es la generación de una buena cantidad de residuos, a escalas que pueden llegar a ser cien veces superiores al peso del producto desarrollado. Ciertos heterociclos derivados de la biomasa han sido seleccionados de acuerdo con su disponibilidad y tecnologías comerciales para su producción y su potencial transformación en combustibles y productos químicos, que se denominan como moléculas plataforma. En comparación con los compuestos procedentes de materias primas fósiles, estas moléculas plataforma están funcionalizadas, lo que permite su transformación en productos químicos más valiosos a través de un menor número de pasos de los requeridos cuando se parte de alcanos [1]. El Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), en el año 2004, publicó un listado de heterociclos oxigenados considerados como 14 Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia plataforma para ser convertidas en aditivos para combustible y productos intermedios para la química fina. Bozell y Petersen en el año 2010, al tener en cuenta criterios como la amplia gama de literatura, múltiples aplicaciones de sus productos, potencial plataforma y bloque primario de construcción, incluyeron el 5-(hidroximetil)-2-furaldehído (5-HMF), el ácido levulínico (AL) y el ácido 2,5-furanodicarboxílico (FDCA) en esta lista [2]. Aunque no se mencionan heterociclos nitrogenados, su amplia gama y su importancia en la química fina no pueden ser excluidas. El mercado mundial del 5-HMF se estima en 100 toneladas por año, de lo que se deduce que el sector es relativamente pequeño y está ocupado con una matriz baja de productores. Uno de los mayores fabricantes de 5-HMF, con sede en Suiza, representa el 20 % del mercado total. Se ha establecido que la producción de este compuesto a partir de la biomasa será una tendencia clave para el crecimiento económico de los países [3]. La producción de 5-HMF se lleva a cabo por la transformación de diferentes sustratos como la fructosa, glucosa, sacarosa, celulosa, almidón e inulina. Sin embargo, convencionalmente se obtiene 5-HMF a partir de fructosa, lo cual limita la producción a gran escala por el alto costo de la materia prima, razón por la cual el mayor desafío sigue siendo reemplazar la fructosa, glucosa y polímeros a base de glucosa, como el almidón y la celulosa, por el uso de biomasa residual directamente como la materia prima para su producción [1]. El 5-HMF permite diferentes transformaciones en la química fina, como a biocombustibles (dimetilfurano), monómeros de polímeros (2,5-diformilfurano y FDCA), ácido adípico, ácido levulínico, caprolactama, caprolactona y muchas otras moléculas más específicas, incluidos los ingredientes activos farmacéuticos [2]. La principal importancia industrial del FDCA radica en la estructura similar al ácido tereftálico (TPA) e isoftálico, utilizados en la industria de polímeros y productos químicos [4, 5] como alternativa para sustituir las materias primas a partir del petróleo. Así, el FDCA permitiría obtener el 2,5 furanodicaboxilato de polietileno (PEF) que es el homólogo heterociclo del tereftalato de polietileno (PET), que se fabrica a partir del ácido tereftálico [5-9]. Por este motivo, hay una intensa búsqueda en el mundo en esta área, que se refleja en el aumento del número de Introducción 15 publicaciones; de igual forma, se espera que una tecnología eficiente para la producción a gran escala de FDCA sea desarrollada y eventualmente aplicada en corto tiempo. La producción actual estimada de FDCA es de alrededor de 4 toneladas por año con una facturación de 10 millones de dólares. En 2011, Avantium produjo 40 toneladas por año de monómero FDCA en una planta piloto para aplicaciones científicas; además, también está actualmente trabajando en colaboración con Coca Cola Company, ALPLA (Alpenplastik Lehner Alwin Company) y Danone para hacer botellas 100 % de PEF de base biológica. La transformación de las diferentes fuentes a 5-HMF normalmente se hace utilizando ácidos homogéneos, cloruros metálicos y ácidos minerales acuosos (HCl o H2 SO4 ) como catalizadores, que exhiben actividades catalíticas altas en la formación de 5-HMF. No obstante, estos sistemas homogéneos son difíciles de separar del sistema de reacción, aumentan el costo del proceso y presentan serias restricciones ambientales [10]. Por otra parte, la síntesis clásica del FDCA a partir de 5-HMF por lo general implica alta presión y temperatura, sales metálicas y disolventes orgánicos, que hacen que el proceso sea bastante costoso y contaminante. En consecuencia, los procesos de investigación se están direccionando al uso de procesos más simples y ambientalmente más amigables que permitan la fácil separación y recuperación y el reemplazo de los ácidos homogéneos y las condiciones agresivas de reacción [11, 12]. Asimismo, la obtención y purificación eficiente del 5-HMF a escalas mayores que las de laboratorio sigue siendo un reto desde varios puntos de vista; por ejemplo, los solventes utilizados, las materias primas y las metodologías en las que intervienen varias etapas influyen directamente en los costos de producción. En este libro se presentan los aspectos más relevantes relacionados con la producción de 5-HMF, ésteres del ácido levulínico y FDCA principalmente, desde el punto de vista de los sustratos utilizados, los sistemas catalíticos y las condiciones de reacción. El último capítulo se dedica a la síntesis de heterocícliclos nitrogenados representativos que pueden prontamente llegar a ser considerados también moléculas plataforma. El texto es el resultado de los proyectos de investigación llevados a cabo por el grupo de catálisis, desarrollados desde el 2015, y se presenta 16 Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia con la finalidad de proveer un material de consulta para estudiantes y profesionales del área de la Química, interesados en conocer el estado actual de moléculas derivadas de la biomasa. En particular, los autores agradecen a Colciencias por el apoyo a los proyectos ?Desarrollo de catalizadores multifuncionales para procesos de una sola etapa, en la conversión de glucosa a ácido 2,5 furandicarboxilico (FDCA), materia prima para obtener el 2,5 furandicarboxilato de polietileno (PEF) sustituto del teraftalato de polietileno (PET)?, código 110965843004, contrato 047-2015; y ?Valorización integral de los residuos agroindustriales lignocelulósicos basados en la plataforma del furano?, EraNet- LAC: project European Research Area Network, ERANet LAC (ref. ELAC2014/BEE-0341): Contrato: Colciencias-UPTC 506-2015.