Ajustement de l'acidité de l'halloysite par un liquide polyionique pour développer un catalyseur efficace pour la conversion du fructose en 5

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7663 (2023) Citer cet article

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Dans le but de préparer un catalyseur hétérogène acide peu coûteux et efficace pour la conversion du fructose en 5-hydroxyméthylfurfural dans des conditions de réaction douces, l'acidité de l'halloysite a été améliorée par greffage covalent d'un liquide polyionique acide. Plus précisément, l'halloysite a d'abord été fonctionnalisée en vinyle puis polymérisée avec du vinyle imidazole et de l'acide 2-acrylamido-2-méthylpropanesulfonique. Les cycles imidazole enchevêtrés ont ensuite été convertis en liquides ioniques acides en les traitant avec de l'acide chlorosulfurique. La spectroscopie UV-Vis et l'équation de Hammett ont confirmé que la conjugaison d'un liquide polyionique acide entraînait une augmentation de l'acidité de l'halloysite. L'étude de l'efficacité du catalyseur pour la synthèse du 5-hydroxyméthylfurfural et l'optimisation des variables de réaction ont montré que le rendement du 5-hydroxyméthylfurfural était de 97,8 % après 30 minutes dans les conditions optimales, c'est-à-dire une charge de catalyseur de 20 % en poids à 70 °C. Notamment, le catalyseur était hautement réutilisable et pouvait être réutilisé pour au moins sept cycles de réaction avec une perte insignifiante de son activité. De plus, ce catalyseur pourrait également favoriser la conversion du saccharose et du maltose pour donner des rendements modérés en 5-hydroxyméthylfurfural.

L'utilisation de ressources renouvelables a été considérée comme une solution à la pénurie de ressources énergétiques conventionnelles et à la pollution de l'environnement1. Il existe différents types d’énergies renouvelables, telles que l’énergie éolienne, océanique, solaire et géothermique, parmi lesquelles la bioénergie a suscité une attention considérable. Dans cette classe d'énergie renouvelable, la biomasse, comme les déchets agricoles, les plantes, le bois, etc. est convertie en électricité ou en carburants, appelés biocarburants2. En prenant en compte les biocarburants, de nombreuses tentatives ont été consacrées au développement de biocarburants présentant des caractéristiques concurrentes à celles de l'essence. Dans cette ligne, quatre générations de biocarburants ont été promues2,3,4. La première génération de biocarburants est constituée de carburants alcoolisés, comme le bioéthanol. Cette classe de biocarburants ayant une densité énergétique inférieure à celle des carburants conventionnels et souffrant de divers problèmes techniques, une deuxième génération de biocarburants à base de composés à base de furane a été développée. Heureusement, les biocarburants à base de furane ont une densité énergétique plus élevée et, plus important encore, ils peuvent être produits à partir de ressources non comestibles, principalement de la biomasse lignocellulosique5. La formation de biocarburants à base de furane comprend deux étapes principales, à savoir la conversion de la biomasse lignocellulosique en composés plateformes, tels que le 5-hydroxyméthylfurfural (HMF)6,7,8, suite à certaines réactions chimiques, telles que l'hydrodésoxygénation, pour former des biocarburants, tels que le 2. ,5-diméthylfurane.

La synthèse du HMF9,10,11 à partir de glucides comme étape initiale vers la production de biocarburants à base de furane12 revêt une grande importance13,14. De plus, comme ce composé clé peut être utilisé pour la synthèse d'autres produits chimiques 15, tels que l'acide lévulinique 16,17, de nombreux groupes de recherche ont tenté de divulguer des protocoles efficaces pour la synthèse du HMF en développant différents systèmes catalytiques. À ce jour, divers catalyseurs, tels que les catalyseurs acides de Lewis18 et les zéolites de forme H19, ont été développés pour cette réaction catalysée par un acide. À cet égard, les liquides ioniques (IL) acides peuvent également être considérés comme des candidats potentiels. L’un des avantages de ces sels organiques20,21,22,23,24,25,26,27 est qu’ils peuvent être facilement réglés et conçus dans un but spécifique28. Les IL acides peuvent également être préparées par chlorosulfonation du fragment organique29. Plus intéressant encore, les IL peuvent être polymérisées pour former des liquides polyioniques, les PIL, qui bénéficient d’une myriade d’IL. Alternativement, les polymères conventionnels peuvent être convertis en PIL via des modifications chimiques. En outre, il est possible de soutenir les IL/PIL sur divers matériaux de support, tels que les minéraux argileux naturels via des réactions chimiques faciles, pour augmenter les performances catalytiques et la stabilité des IL/PIL. Les minéraux argileux naturels, qui bénéficient de leur disponibilité, de leur faible coût et de leur stabilité chimique et thermique, sont des matériaux de support économiques et sans danger pour l'environnement. Certains minéraux argileux, tels que l'halloysite (Hal), présentent une excellente efficacité pour la catalyse30,31,32,33,34,35,36,37,38. Hal, qui est un aluminosilicate de morphologie cylindrique et de surfaces chargées électriquement de manière opposée, a été largement utilisé pour l'immobilisation de catalyseurs . Hal possède également des caractéristiques acides. Cependant, son acidité n’est pas assez forte pour pouvoir catalyser la conversion des glucides en HMF.