Conversión de 5-hidroximetilfurfural a productos de alto valor agregado sobre catalizadores ácidos sólidos Sn-TMA y Sn-TMA-SO3H

Abstract

In this project, the synthesis of porous acid catalysts, Sn-TMA and Sn-TMA-SO3H, called metal-organic frameworks (MOFs), and their subsequent evaluation in the conversion of 5-Hydroxymethylfurfual (HMF) to high-value products, was developed. The hydrothermal method was proposed for the synthesis of MOFs, with Sn+4 metal centers and trimesic acid as organic ligand. The incorporation of tin and sulfonic groups (-SO3H) to the structure of these catalysts modified their physicochemical properties, mainly their acid properties, giving them the ability to interact with hydroxyl and carbonyl groups, being able to catalyze dehydration and ring-opening reactions of HMF to produce valuable compounds such as 5-ethoxymethylfurfural (EMF) or ethyl levulinate (LE). To relate the catalytic behavior of the materials with their physicochemical properties, their structural properties (XRD, TEM), textural properties (N2 physisorption), thermal stability (TGA), morphological properties (SEM), functional groups (FT-IR), chemical nature and the coordination sphere of the Sn species present in the materials (UV-vis-DRS, XPS) and determination of total acidity (titration). These materials were novel and interesting as heterogeneous catalysts when used in the conversion of HMF, since their acid properties were modulated by incorporating Sn heteroatoms and sulfonic groups. In this way, materials capable of catalyzing the reaction of HMF with ethanol were obtained, achieving conversions reaching 97 % with significant yields of EMF (47 %) and LE (13%) at 130 °C.

En el presente proyecto se desarrolló la síntesis de catalizadores ácidos porosos, Sn-TMA y Sn-TMA-SO3H, denominados, estructuras organometálicas (MOFs), y su posterior evaluación en la conversión de 5-Hidroximetilfurfual (HMF) a productos de alto valor agregado. Para la síntesis de los MOFs, se propuso el método hidrotérmico, con centros metálicos de Sn+4 y ácido trimésico como ligante orgánico. La incorporación de estaño y grupos sulfónicos (-SO3H) a la estructura de dichos catalizadores modificó sus propiedades fisicoquímicas, principalmente sus propiedades ácidas, proporcionándoles la habilidad de interactuar con grupos hidroxilos y carbonilo, siendo capaces de catalizar las reacciones de deshidratación y apertura de anillo del HMF para producir compuestos valiosos como el 5-etoximetilfurfural (EMF) o el levulinato de etilo (LE). Con el objeto de relacionar el comportamiento catalítico de los materiales con sus propiedades fisicoquímicas, se estudiaron sus propiedades estructurales (DRX, TEM), propiedades texturales (fisisorción de N2), estabilidad térmica (TGA), propiedades morfológicas (SEM), grupos funcionales (FT-IR), naturaleza química y la esfera de coordinación de las especies de Sn presentes en los materiales (UV-vis-DRS, XPS) y determinación de acidez total (titulación). Este tipo de materiales resultaron novedosos e interesantes como catalizadores heterogéneos cuando se usaron en la conversión de HMF, ya que sus propiedades ácidas se lograron modular mediante la incorporación de heteroátomos de Sn y grupos sulfónicos. De esta forma se obtuvieron materiales capaces de catalizar la reacción de HMF con etanol logrando conversiones que alcanzan el 97 % con rendimientos significativos de EMF (47 %) y LE (13 %) a 130 °C.