Ottimizzazione del verde e dell'ambiente

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2803 (2023) Citare questo articolo

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Le conchiglie macinate a sfere, come catalizzatore nano-biocomposito e fonte naturale di CaCO3 nella sua forma microcristallina di aragonite con CO2 fissa, sono state ottimizzate per la sintesi di isoamil acetato (3-metilbutil etanoato) mediante metodologia della superficie di risposta con un metodo a tre livelli a cinque design composito centrale circoscritto ruotabile a fattore. Il nano-biocomposito di conchiglie si è dimostrato un eccellente catalizzatore multifunzionale eterogeneo per la sintesi verde e rispettosa dell'ambiente dell'acetato di isoamile da acido acetico e alcol isoamilico in condizioni prive di solventi. È stata ottenuta una resa elevata del 91% nelle seguenti condizioni ottimali: rapporto molare di alcol: acido acetico (1:3,7), caricamento del catalizzatore (15,7 mg), temperatura di reazione (98 °C) e tempo di reazione (219 min ). Gli eccezionali vantaggi di questo protocollo sono l'uso di un materiale nano-biocomposito poco costoso, presente in natura e facilmente preparabile, dotato di stabilità termica adeguata e senza alcuna modifica utilizzando reagenti pericolosi, caricamento del catalizzatore e temperatura di reazione inferiori, nessun uso di acidi Bronsted corrosivi e di solventi azeotropici tossici o adsorbenti dell'acqua e semplicità della procedura.

Per quanto riguarda le preoccupazioni ambientali e la sua influenza diretta sugli esseri umani e sugli organismi viventi, la progettazione, lo sviluppo e l'applicazione di procedure chimiche rispettose dell'ambiente ed efficienti dal punto di vista atomico, catalizzatori, reagenti e solventi sicuri e appropriati ha ricevuto notevole attenzione sia dal mondo accademico che dall'industria in linea con i principi della chimica verde e sostenibile1,2,3,4,5. La tecnica del ball milling e l'utilizzo di sistemi catalitici eterogenei contenenti nano-biocompositi e biopolimeri sono alcune di queste procedure o concetti interessanti e utili. La macinazione a sfere è una tecnica meccanica interessante ed ecologica nella preparazione di nano-biocompositi. Si tratta di una scelta entusiasmante per la produzione di nuovi materiali nanostrutturati da fonti ecocompatibili rispetto ai metodi convenzionali per la preparazione di nano-biocompositi. Questo metodo presenta i vantaggi tra cui la forte riduzione dello smaltimento ambientale, la creazione sincrona e la dispersione omogenea di nanoparticelle, il rivestimento di nanoparticelle inorganiche e la possibilità di processi paralleli (innesto superficiale, inclusione e polimerizzazione), che sono particolarmente adatti nel caso di polimeri biodegradabili. Inoltre, la possibilità di creare in situ nanoparticelle e di promuovere reazioni chimiche sia tra le molecole organiche che tra le nanoparticelle attivate, nonché l'uso di condizioni prive di solventi rappresentano altri importanti vantaggi di questa tecnica6,7,8,9,10.

L'esterificazione degli acidi carbossilici con alcoli è una delle reazioni più importanti, semplici e impegnative sia dal punto di vista accademico che industriale11,12. Gli esteri sono prodotti principalmente dalle reazioni tra i corrispondenti acidi e alcoli o alogenuri alchilici che tradizionalmente utilizzano rispettivamente condizioni di catalisi acida o basica13. Infatti, l’esterificazione in condizioni acide è tipicamente una reazione reversibile e lenta, che richiede di ottenere una maggiore quantità di alcol. Pertanto, nel caso di una bassa concentrazione di alcol, la conversione richiede tempi di reazione lunghi14,15. È interessante notare che gli esteri a catena corta sono importanti composti organici ampiamente utilizzati in diversi campi dell'industria chimica come lubrificanti, plastificanti, prodotti farmaceutici, cosmetici, bevande, profumi, solventi e conservanti alimentari16,17,18. Sono comunemente prodotti da acidi e alcoli a catena corta con catene di lunghezza inferiore a 10 atomi di carbonio19. Uno di questi importanti esteri è l'isoamil acetato (3-metilbutil etanoato), ampiamente utilizzato nell'industria medicinale, cosmetica, nei profumi, nei gelati, nelle bevande, nelle caramelle, nei prodotti da forno e in altre industrie alimentari. Altre applicazioni di questo estere sono negli allevamenti di api, come feromone di allarme, nonché nell'estrazione della penicillina16,19,20,21. Inoltre, l'isoamil acetato possiede un'elevata attività antifungina, antibatterica e antimicrobica ed è efficace nell'inibire e disattivare la crescita di vari microrganismi e lieviti come l'Escherichia coli22. Queste applicazioni sono molto importanti a causa della crescita della popolazione globale e della sua catena alimentare. Sebbene un gran numero di esteri commerciali possano essere estratti da fonti naturali o prodotti mediante fermentazione, i prodotti ottenuti attraverso questi metodi hanno volumi bassi e prezzi elevati. Pertanto, processi alternativi più convenienti e meno costosi, inclusa l'esterificazione degli acidi carbossilici, sono molto richiesti23,24. L'esterificazione degli acidi carbossilici con alcoli coinvolge solitamente catalizzatori acidi omogenei come H2SO4, HCl, HF, H3PO4 e acido p-toluensolfonico attraverso un percorso di sintesi chimica25. Sebbene questi catalizzatori siano spesso poco costosi, presentano degli svantaggi quali tossicità, corrosione e difficoltà nella loro separazione26. A questo proposito, i sistemi catalitici eterogenei sono emersi come un'alternativa adeguata a quelli omogenei. Offrono molti vantaggi tra cui una maggiore purezza dei prodotti, una facile separazione, il recupero dei catalizzatori e la possibilità di reazioni in condizioni prive di solventi27,28,29. Una revisione della letteratura mostra che sono stati presentati vari sistemi catalitici eterogenei per la produzione di acetato di isoamile da acido acetico e alcol isoamilico. Ad esempio, resine a scambio cationico come purolite CT-175, Amberlyst-15 o Amberlite IR-120, acido tungstofosforico o molibdofosforico supportato su zirconia, alcool polivinilico contenente acido solfonico, lipasi immobilizzata da Candida Antartide, lipasi B da Candida Antartide su resina Si possono citare Purolite@MN102, lipasi Bacillus aerius immobilizzata su matrice di gel di silice30,31,32,33,34,35, processo a membrana ibrida36, liquido ionico solfonato a base di poliossometallato37 e nanobarre β-MnO238. Inoltre, sono stati segnalati liquidi ionici acidi come l'1-solfobutil-3-metilimidazolio idrogeno solfato ([HSO3bmim][HSO4]), il catione triesil(tetradecil)fosfonio e l'anione misto cloruro e bis(trifluorometilsolfonil)immide39. Nella maggior parte di questi metodi sono stati studiati solo i fattori cinetici per la sintesi ottimale dell'isoamile acetato. Inoltre, alcuni di questi protocolli presentano difficoltà quali un elevato carico di catalizzatore e l'uso di solventi organici32,34,35. D'altra parte, alcune di queste procedure hanno utilizzato il disegno sperimentale per ottimizzare la produzione di isoamil acetato30,31. In questa linea, diverse macromolecole biopolimeriche hanno ricevuto molto interesse, come supporto, in sistemi catalitici eterogenei o in materiali compositi. In particolare, le macromolecole biopolimeriche come la chitina (poli[β-(1 → 4)-N-acetil-D-glucosamina]; un membro della famiglia dei polisaccaridi), che è classificata come la seconda risorsa più abbondante dopo la cellulosa con un molto apprezzati a questo scopo sono una produzione stimata in diverse migliaia di tonnellate, o il suo prodotto deacilato (chitosano)40,41,42,43,44,45,46. Altri biopolimeri tra cui amido, cellulosa, alginati, collagene, fibroina e lana possono dimostrare un ruolo simile nei corrispondenti sistemi catalitici nano-bicompositi40,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56, 57.