Diseño de catalizadores ácidos bifuncionales Brønsted-Lewis del tipo M-KIT-6-PrSO3H (M=Sn o Ti) para el procesamiento de compuestos derivados de la biomasa

Abstract

The processing of lignocellulosic biomass using heterogeneous catalysis is a key strategy for the development of sustainable routes aimed at obtaining high value-added chemical products. Of particular interest is the design of solid catalysts with balanced acidic properties, capable of selectively promoting cascade reactions of various biomass products, resulting in valuable products that are useful as intermediates in the pharmaceutical, polymer, and food industries, or as fuels or fuel additives, among other applications. However, this approach faces several challenges, such as the difficulty of achieving an adequate balance in the physicochemical properties of catalysts, particularly their acidic properties (type of sites, concentration, and strength of acidic sites), as well as establishing the relationship between these properties and their catalytic behavior (activity, selectivity, and stability of the catalyst) during the conversion of biomass products. In this context, this thesis project focuses on the design of bifunctional acid catalysts, consisting of a mesoporous silica matrix with a cubic structure of the KIT-6 type and modified with Ti, Sn, and/or -PrSO3H, with the aim of modulating their acidity (Lewis and Brønsted) in a controlled manner, a determining factor in the selective conversion of biomass-derived compounds. The synthesized materials were evaluated in catalytic routes of strategic relevance for the valorization of C6 and C5 carbohydrates: the dehydration of fructose to obtain 5-hydroxymethylfurfural (HMF), and the ethanolysis of furfuryl alcohol (FA) for the production of ethyl levulinate (EL). For the fructose dehydration reaction, Sn-KIT-6(x) and Ti-KIT-6(x) materials were synthesized and evaluated as they exhibited bifunctional acidic properties, with Lewis acidity predominating over Brønsted acidity.

El procesamiento de la biomasa lignocelulósica mediante catálisis heterogénea constituye una estrategia clave para el desarrollo de rutas sostenibles orientadas a la obtención de productos químicos de alto valor agregado. De particular interés resulta el diseño de catalizadores sólidos con propiedades ácidas balanceadas, capaces de promover, de forma selectiva, reacciones en cascada de diversos productos de la biomasa, dando como resultado productos valiosos, útiles como intermediarios en la industria farmacéutica, de polímeros, alimenticia o bien como combustibles o aditivos de combustibles, entre otras aplicaciones. Sin embargo, este enfoque enfrenta diversos retos, como la dificultad para lograr un balance adecuado en las propiedades fisicoquímicas de los catalizadores, en particular de sus propiedades ácidas (tipo de sitios, concentración, y fuerza de los sitios ácidos) y además de poder establecer la relación que guardan estas propiedades con su comportamiento catalítico (actividad, selectividad y estabilidad del catalizador) durante la conversión de productos de la biomasa. En este contexto, el presente proyecto de tesis se centra en el diseño de catalizadores bifuncionales ácidos, constituidos por una matriz de sílice mesoporosa con estructura cúbica del tipo KIT-6 y modificados con Ti, Sn y/o - PrSO3H, con el propósito de modular de manera controlada su acidez (Lewis y Brønsted), una característica determinante en la conversión selectiva de compuestos derivados de la biomasa. Los materiales sintetizados fueron evaluados en rutas catalíticas de relevancia estratégica para la valorización de carbohidratos C6 y C5: la deshidratación de fructosa para la obtención de 5- hidroximetilfurfural (HMF), y la etanólisis de alcohol furfurílico (FA) para la producción de levulinato de etilo (EL). Para la reacción de deshidratación de fructosa, se sintetizaron y evaluaron los materiales Sn-KIT-6 (x) y Ti-KIT-6 (x) ya que mostraron propiedades ácidas bifuncionales, con predominancia de la acidez de tipo Lewis sobre la de Brønsted.