Catalytic routes to convert saccharides to furanic aldehydes

Abstract

The conversion of plant biomass-derived carbohydrates (preferably non-edible) into added-value products is envisaged to be at the core of the future biorefineries. Carbohydrates are the most abundant natural organic polymers on Earth. This work deals with the chemical valorisation of plant biomass, focusing on the acid-catalysed conversion of carbohydrates (mono and polysaccharides) to furanic aldehydes, namely 2-furaldehyde (Fur) and 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde (Hmf), which are valuable platform chemicals that have the potential to replace a variety of oil derived chemicals and materials. The investigated reaction systems can be divided into two types depending on the solvent used to dissolve the carbohydrates in the reaction medium: water or ionic liquid-based systems. The reaction temperatures were greater than 150 ºC when the solvent was water, and lower than 150 º C in the cases of the ionic liquid-based catalytic systems. As alternatives to liquid acids (typically used in the industrial production of Fur), solid acid catalysts were investigated in these reaction systems. Aiming at the identification of (soluble and insoluble) reaction products, complementary characterisation techniques were used namely, FT-IR spectroscopy, liquid and solid state NMR spectroscopy, TGA, DSC and GC´GC-ToFMS analyses. Complex mixtures of soluble reaction products were obtained and different types of side reactions may occur. The requirements to be put on the catalysts for these reaction systems partly depend on the type of carbohydrates to be converted and the reaction conditions used. The thermal stability is important due to the fact that formation of humins and catalyst coking phenomena are characteristically inherent to these types of reactions systems leading to the need to regenerate the catalyst which can be effectively accomplished by calcination. Special attention was given to fully inorganic nanoporous solid acids, amorphous or crystalline, and consisting of nano to micro-size particles. The investigated catalysts were silicoaluminophosphates, aluminosilicates and zirconium-tungsten mixed oxides which are versatile catalysts in that their physicochemical properties can be fine-tuned to improve the catalytic performances in the conversion of different substrates (e.g. introduction of mesoporosity and modification of the acid properties). The catalytic systems consisting of aluminosilicates as solid acids and water as solvent seem to be more effective in converting pentoses and related polysaccharides into Fur, than hexoses and related polysaccharides into Hmf. The investigated solid acids exhibited fairly good hydrothermal stabilities. On the other hand, ionic liquid-based catalytic systems can allow reaching simultaneously high Fur and Hmf yields, particularly when Hmf is obtained from D-fructose and related polysaccharides; however, catalyst deactivation occurs and the catalytic reactions take place in homogeneous phase. As pointed out in a review of the state of the art on this topic, the development of truly heterogeneous ionic liquid-based catalytic systems for producing Fur and Hmf in high yields remains a challenge.

Os carboidratos constituem os polímeros naturais mais abundantes na Terra, e a sua valorização química é de grande interesse no contexto das biorefinarias. O objetivo deste trabalho centrou-se na conversão de carboidratos (monossacarídeos e polissacarídeos) em 2-furaldeído (Fur) e 5-hidroximetil-2-furaldeído (Hmf) na presença de catalisadores ácidos, em reatores descontínuos. Fur e Hmf são considerados compostos “plataforma” porque podem ser convertidos numa grande variedade de produtos químicos e materiais (alternativos aos derivados do petróleo). Testaram-se catalisadores ácidos heterogéneos como alternativa aos ácidos minerais que são comumente usados como catalisadores homogéneos para a produção industrial do Fur. Por outro lado utilizou-se água ou um líquido iónico como solvente para a dissolução dos carboidratos no meio reacional. As temperaturas reacionais foram superiores a 150 ºC quando o solvente era a água, e inferiores a 150 ºC no caso de líquidos iónicos. Com o intuito de identificar os produtos reacionais (solúveis e insolúveis), utilizaram-se diferentes técnicas nomeadamente espetroscopia de infravermelho, espetroscopia de RMN de estado líquido e sólido, TGA, DSC e GCxGC-ToFMS. Obtiveram-se misturas complexas de produtos reacionais e discutiram-se aspetos mecanísticos. A estabilidade térmica do catalisador é importante uma vez que a formação de matéria carbonácea insolúvel é característica destes sistemas reacionais tornando-se necessário proceder à regeneração do catalisador por calcinação. Os catalisadores testados foram ácidos inorgânicos nanoporosos, cristalinos ou amorfos, com tamanho de partícula nano ou micrométrico, especificamente silicoaluminofosfatos, aluminossilicatos e óxidos mistos de zircónio e tungsténio. Estes tipos de materiais são versáteis uma vez que as suas propriedades físicoquímicas podem ser modificadas no sentido de melhorar os seus desempenhos catalíticos na conversão de diferentes tipos de substratos (ex. através da criação de mesoporos nos materiais e/ou modificação das propriedades ácidas). Os materiais testados exibiram melhores desempenhos catalíticos para a conversão de pentoses em Fur do que para a de hexoses em Hmf, quando o solvente era a água. Em suma, os catalisadores apresentaram boa estabilidade hidrotérmica. No caso dos sistemas reacionais à base de líquidos iónicos foram verificados elevados rendimentos em Fur e Hmf. especialmente quando os substratos eram a D-frutose ou polissacarídeos relacionados. Contudo, os catalisadores sofreram desativação tal que as reações catalíticas ocorreram em fase homogénea. Conforme explicado numa revisão bibliográfica sobre o estado da arte da conversão catalítica de carboidratos em Fur e Hmf usando líquidos iónicos, o desenvolvimento de sistemas catalíticos heterogéneos à base de líquidos iónicos representa um grande desafio.