New synthetic methodologies from biorenewable resources

Tese de doutoramento, Farmácia (Química Farmacêutica e Terapêutica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014

In this thesis will be presented new synthetic methodologies for the production of 5- (hydroxymethyl) furfural (HMF) and its derivatives as one important biorenewable platform molecules available via dehydration from sugars. The new approaches aim to overcome the major difficulties related with HMF synthesis and isolation on industrial and laboratory scale and to study the synthesis and possible toxic effects in humans of important HMF derivatives which could be produced on industrial scale in the near future as a replacement of existing fossil based chemical building blocks. Scalable protocol for the isolation of HMF via simple precipitation was developed together with chemo-enzymatic, and heterogeneous chromium catalyzed methodologies for its synthesis from glucose. Biorefinery and biorenewable resources are certainly topics of interest from educational point. Batch and flow student laboratory experiments for the dehydration of fructose to HMF have been optimized to meet this purpose. The synthesis, physical properties, toxicity and some unconventional applications of specific a class Ionic Liquids namely Magnetic ionic Liquids (MIL) were also studied in collaboration with other laboratories. The environmental friendly solvents are certainly an important part of developing more “green” and sustainable chemistry methodologies. The stability, basicity and their effect on the organic transformations performed in relatively newly discovered and based mostly on biorenewable resources ionic fluids namely deep eutectic solvents (DES) were studied. It was discovered that one of the most commonly used urea based DES undergo urea decomposition at unexpectedly low temperatures to form ammonia which was assign as responsible for their observed basicity. The readily available from Lupinus genus alkaloid Lupanine was employed as a platform molecule for the synthesis of new sparteine derivatives. Lupanine is a structural analog of sparteine, bearing amide functionality, which was subjected to various transformations resulting in sparteine analogs with potential biological activity and application in asymmetric catalysis.

Nesta tese são apresentadas novas metodologias sintéticas para a produção de 5- (hidroximetil)furfural (HMF) e derivados como um dos mais importantes produtos provenientes de fontes bio-renováveis via desidratação de açucares. Estas novas abordagens têm como objectivo contornar as extremas dificuldades relacionadas com a síntese do HMF e isolamento a escala industrial e laboratorial. Adicionalmente, efectuou-se a síntese de derivados do HMF, que poderão substituir compostos baseados em combustíveis fosseis existentes, e estudo de possíveis efeitos tóxicos em humanos. Desenvolveu-se um protocolo com potencial aplicação à escala industrial para o isolamento do HMF através de uma simples precipitação e combinada com metodologias catalíticas quimioenzimáticas e catálise heterogénea com crómio, a partir da glucose. Do ponto de vista educacional, recursos bio-renovaveis e biorefinaria são certamente tópicos de interesse. Consequentemente, optimizaram-se experiências laboratoriais em lote e em contínuo para a desidratação da frutose para produzir HMF, vocacionada para o ambiente de ensino. A síntese, propriedades físicas, toxicologia e algumas aplicações não convencionais de uma classe específica de Líquidos Iónicos, nomeadamente Líquidos Iónicos Magnéticos (MIL) também foram estudadas através de colaborações. Outro tópico de interesse foi o desenvolvimento de solventes mais verdes e amigos do ambiente para o desenvolvimento de metodologias mais sustentáveis do ponto de vista ambiental. Foram ainda estudadas a estabilidade, basicidade e o efeito em transformações orgânicas de fluidos iónicos baseados principalmente em recursos bio-renováveis, nomeadamente misturas eutécticas (DES). Assim, descobriu-se que uma das mais comuns misturas eutécticas baseada em ureia decompõe-se inesperadamente a temperaturas baixas para formar amónia, que consequentemente é responsável pela basicidade observada no meio. A molécula Lupanina, um alcaloide facilmente retirado do Tremoço (Lupinus genus), é um análogo estrutural da esparteína com um grupo funcional amida. Esta funcionalidade amida foi usada para produzir diferentes derivados da esparteína com potencial atividade biológica e aplicação em catalise assimétrica.

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)