Impacto del balance de sitios ácidos Brónsted/Lewis en las principales rutas de reacción de fructosa sobre catalizadores Sn- SBA- 15- PrS03H Y Sn- KIT - 6 - PrS03H

Abstract

The conversion of lignocellulosic biomass using heterogeneous acid catalysis is a promising method for the sustainable production of fuels and high-value chemical products. Some simple sugars from biomass hydrolysis, such as fructose, are essential precursors of platform molecules like 5-hydroxymethylfurfural (HMF), levulinic acid, and furfural. Homogeneous acid catalysts are commonly used to convert fructose, which exhibits high yields of valuable products such as HMF. However, their use causes environmental pollution, equipment corrosion, and problems with the separation of the products. In this thesis, the design and synthesis of heterogeneous catalysts with an adequate balance of Brónsted/Fewis acid sites to carry out the selective conversion of fructose, are proposed as an alternative. For this purpose, Sn-SBA-15-PrS03H and Sn-KIT-6-PrS03H catalysts were prepared, which exhibit different pore structures and whose Brónsted/Fewis ratio was modified during the synthesis. The effect of their physicochemical and structural properties on the catalytic activity and selectivity in the conversion of fructose to high-added-value products was determined. The catalysts were synthesized by a one-step sol-gel process, and the balance of Brónsted/Fewis acid sites was modified by incorporating tin, which provides Fewis acidity through the formation of [Sn-(0)4] species, and propylsulfonic groups, which provide Brónsted acidity. Both types of materials, SBA-15, with a two-dimensional porous structure in a hexagonal arrangement of p6mm symmetry, and KIT-6, with a three-dimensional porous structure in a cubic arrangement of Ia3 d symmetry, preserved their typical structural and textural properties even after individual and simultaneous incorporation of Sn and -PrS03H, highlighting their well-ordered mesoporous arrangements, large specific areas, and large pore sizes.

La conversión de biomasa lignocelulósica por medio de catálisis ácida heterogénea es una alternativa prometedora para la producción sustentable de combustibles y productos químicos de alto valor agregado. Algunos azúcares simples, producto de la hidrólisis de la biomasa, como la fructosa, son precursores importantes de moléculas de plataforma, como el 5-hidroximetilfúrfiiral (HMF), ácido levulínico y el furfural. Para llevar a cabo la conversión de fructosa comúnmente se utilizan catalizadores ácidos homogéneos, los cuales exhiben altos rendimientos de productos valiosos como el HMF, sin embargo, su uso origina contaminación ambiental, corrosión de equipos y problemas para la separación de los productos. En esta tesis se propone como alternativa, el diseño y síntesis de catalizadores heterogéneos con un balance adecuado de sitios ácidos Bronsted/Lewis para llevar a cabo la conversión de fructosa de forma selectiva. Con este fin se prepararon catalizadores Sn-SBAló- PrSCLH y Sn-KIT-ó-PrSCLH que poseen diferente estructura porosa, y cuya relación Bronsted/Lewis se modificó durante la síntesis. Se determinó el efecto de sus propiedades fisicoquímicas y estructurales sobre sobre la actividad catalítica y selectividad en la conversión de fructosa hacia productos de alto valor agregado. Los catalizadores frieron sintetizados mediante el proceso sol-gel de un solo paso y el balance de sitios ácidos Bronsted/Lewis se modificó incorporando estaño, que aporta acidez de Lewis a través de la formación de especies de [Sn-(0)4], y grupos propilsulfónicos, que proporcionan acidez de Brónsted. Ambos tipos de materiales, SBA-15, con estructura porosa bidimensional en un arreglo hexagonal de simetría p6mm, y KIT-6, con estructura porosa tridimensional en un arreglo cúbico de simetíra Ia3d, preservaron sus propiedades estructurales y texturales típicas incluso después de la incorporación individual y simultánea de Sn y -PrSCbH, destacando sus arreglos mesoporosos bien ordenados, áreas específicas amplias y grandes tamaños de poro.