Otimização do verde e do meio ambiente

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 2803 (2023) Citar este artigo

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Conchas moídas em moinho de bolas, como catalisador nano-biocompósito e fonte natural de CaCO3 em sua forma microcristalina de aragonita com CO2 fixo, foram otimizadas para a síntese de acetato de isoamila (etanoato de 3-metilbutila) por metodologia de superfície de resposta com três níveis de cinco níveis. projeto composto central circunscrito rotativo por fator. O nano-biocompósito de conchas provou ser um excelente catalisador multifuncional heterogêneo para a síntese verde e ambientalmente benigna de acetato de isoamila a partir de ácido acético e álcool isoamílico sob condições livres de solvente. Um alto rendimento de 91% foi obtido sob as seguintes condições ideais: proporção molar de álcool: ácido acético (1:3,7), carga de catalisador (15,7 mg), temperatura de reação (98 °C) e tempo de reação (219 min ). As vantagens notáveis ​​deste protocolo são o uso de um material nano-biocompósito barato, de ocorrência natural e de fácil preparação, com estabilidade térmica apropriada e sem quaisquer modificações usando reagentes perigosos, menor carga de catalisador e temperatura de reação, sem uso de ácidos corrosivos de Bronsted, bem como solventes azeotrópicos tóxicos ou adsorventes de água e simplicidade do procedimento.

No que diz respeito às preocupações ambientais e à sua influência direta nos seres humanos e nos organismos vivos, a concepção, o desenvolvimento e a aplicação de procedimentos químicos ecológicos e eficientes em termos de átomos, catalisadores, reagentes e solventes seguros e apropriados têm recebido atenção considerável tanto da academia como da indústria em linha com os princípios da química verde e sustentável1,2,3,4,5. A técnica de moagem de bolas e a utilização de sistemas catalíticos heterogêneos contendo nanobiocompósitos e biopolímeros são alguns desses procedimentos ou conceitos interessantes e úteis. A moagem de bolas é uma técnica mecânica interessante e verde na preparação de nanobiocompósitos. É uma escolha emocionante para a fabricação de novos materiais nanoestruturados a partir de fontes ecologicamente corretas em comparação com métodos convencionais de preparação de nanobiocompósitos. Este método tem como vantagens o declínio acentuado do descarte ambiental, a criação síncrona e a dispersão homogênea de nanopartículas, o revestimento de nanopartículas inorgânicas e a possibilidade de processos paralelos (enxerto de superfície, incorporação e polimerização), que são particularmente adequados no caso de polímeros biodegradáveis. Além disso, a possibilidade de criação in situ das nanopartículas e de promoção de reações químicas entre as moléculas orgânicas e as nanopartículas ativadas, bem como a utilização de condições livres de solventes representam outras vantagens importantes desta técnica6,7,8,9,10.

A esterificação de ácidos carboxílicos com álcoois é uma das reações mais importantes, simples e desafiadoras do ponto de vista acadêmico e industrial11,12. Os ésteres são produzidos principalmente a partir de reações entre os ácidos e álcoois correspondentes ou halogenetos de alquila que tradicionalmente utilizam condições de catálise ácida ou básica, respectivamente . Na verdade, a esterificação sob condições ácidas é tipicamente uma reação reversível e lenta, que requer uma maior quantidade de álcool para ser alcançada. Assim, no caso de baixa concentração de álcool, a conversão requer um longo tempo de reação14,15. Curiosamente, os ésteres de cadeia curta são compostos orgânicos importantes e amplamente utilizados em diferentes campos da indústria química, como lubrificantes, plastificantes, produtos farmacêuticos, cosméticos, bebidas, perfumes, solventes e conservantes de alimentos16,17,18. Eles são comumente produzidos a partir de ácidos e álcoois de cadeia curta com comprimentos de cadeia inferiores a 10 átomos de carbono . Um desses ésteres importantes é o acetato de isoamila (etanoato de 3-metilbutila), que é amplamente utilizado em medicamentos, cosméticos, perfumes, sorvetes de nozes, bebidas, doces, produtos de panificação e outras indústrias alimentícias. Outras aplicações desse éster são em fazendas de abelhas, como feromônio de alarme, bem como na extração de penicilina16,19,20,21. Além disso, o acetato de isoamila possui alta atividade antifúngica, antibacteriana e antimicrobiana e é eficaz na inibição e desativação do crescimento de diversos microrganismos e leveduras, como Escherichia coli22. Estas aplicações são muito importantes devido ao crescimento da população global e da sua cadeia alimentar. Embora um grande número de ésteres comerciais possam ser extraídos de fontes naturais ou produzidos por fermentação, os produtos obtidos através destes métodos têm volumes baixos e preços elevados. Portanto, processos alternativos mais convenientes e menos dispendiosos, incluindo a esterificação de ácidos carboxílicos, são muito procurados23,24. A esterificação de ácidos carboxílicos com álcoois geralmente envolve catalisadores ácidos homogêneos, como H2SO4, HCl, HF, H3PO4 e ácido p-toluenossulfônico através de uma via de síntese química . Embora esses catalisadores sejam muitas vezes baratos, eles apresentam desvantagens como toxicidade, corrosão e dificuldade na sua separação26. Neste sentido, os sistemas catalíticos heterogêneos surgiram como uma alternativa adequada aos homogêneos. Eles oferecem muitas vantagens, incluindo maior pureza dos produtos, fácil separação, recuperação dos catalisadores e potencial para reações em condições livres de solventes27,28,29. Uma revisão da literatura mostra que vários sistemas catalíticos heterogêneos foram apresentados para a produção de acetato de isoamila a partir de ácido acético e álcool isoamílico. Por exemplo, resinas de troca catiônica tais como purolite CT-175, Amberlyst-15 ou Amberlite IR-120, ácido tungstofosfórico ou molibdofosfórico suportado em zircônia, poli(álcool vinílico) contendo ácido sulfônico, lipase imobilizada de Candida antarctica, lipase B de Candida antarctica em resina Purolite@MN102, lipase de Bacillus aerius imobilizada em matriz de sílica gel30,31,32,33,34,35, processo de membrana híbrida36, líquido iônico sulfonado à base de polioxometalato37 e nanobastões de β-MnO238 podem ser indicados. Além disso, foram relatados líquidos iônicos ácidos, como hidrogenossulfato de 1-sulfobutil-3-metilimidazólio ([HSO3bmim][HSO4]), cátion trihexil(tetradecil)fosfônio e cloreto misto e ânion bis(trifluorometilsulfonil)imida39. Na maioria destes métodos, apenas foram investigados factores cinéticos para a síntese óptima de acetato de isoamilo. Além disso, alguns desses protocolos apresentam dificuldades como alta carga de catalisador e uso de solventes orgânicos32,34,35. Por outro lado, alguns desses procedimentos utilizaram desenho experimental para otimizar a produção de acetato de isoamila30,31. Nessa linha, diferentes macromoléculas bioployméricas têm recebido muito interesse, como suporte, em sistemas catalíticos heterogêneos ou em materiais compósitos. Em particular, macromoléculas bioployméricas como a quitina (poli[β-(1 → 4)-N-acetil-D-glucosamina]; um membro da família dos polissacarídeos), que é classificada como o segundo recurso mais abundante depois da celulose com uma produção anual produção estimada em vários milhares de toneladas, ou seu produto desacilado (quitosana) são muito populares para esse fim40,41,42,43,44,45,46. Outros biopolímeros incluindo amido, celulose, alginatos, colágeno, fibroína e lã podem demonstrar papel semelhante nos sistemas catalíticos nano-bicompósitos correspondentes . 57.