Valorizzazione di molecole da materie prime rinnovabili: la trasformazione del 2,5-diidrossimetilfurano con catalisi acida

The present work is part of a larger project aimed at obtaining compounds of industrial interest from renewable sources. The work is particularly aimed to investigate the reactivity of 2,5-bis-hydroxymethylfuran (BHMF), an important building block of organic nature easily obtainable from biomass, with acid catalysis. Through the study of the reactivity of BHMF in water, in the presence of an heterogeneous acid catalyst (Amberlyst 15), has been developed a new synthetic method for the preparation of α-6-hydroxy-6-methyl-4-enyl-2H-pyran-3-one a derivative whose molecular skeleton is similar to that of natural products which are used in pharmaceutical chemistry. The product is obtained in milder conditions and with better selectivity with respect to the strongly oxidizing conditions with which it is prepared in the literature starting from different precursors containing furan ring.

Ossidazione del 5-idrossimetilfurfurale con catalizzatori a base di nanoparticelle metalliche: effetto della fase attiva e del supporto

Le biomasse sono attualmente una promettente alternativa ai combustibili fossili per la produzione di sostanze chimiche e fuels. Nella trasformazione delle biomasse in prodotti chimici un ruolo importante è giocato dai derivati del furfurale; il 5-idrossimetil-2-furfurale (HMF), per esempio, è un precursore chiave per la sintesi di prodotti con applicazioni nell'industria dei polimeri e in campo farmaceutico. Può essere ossidato per ottenere l’acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA), un monomero per la sintesi di una nuova classe di polimeri, alternativi a quelli ottenuti da acido tereftalico. Per la preparazione di FDCA da HMF sono stati utilizzati vari catalizzatori e differenti condizioni di reazione; il principale svantaggio è la necessità di sali metallici e solventi organici, che rendono il processo costoso e ad elevato impatto ambientale. Recentemente sono stati trovati catalizzatori di Au supportati, attivi nell’ossidazione del HMF a FDCA; tuttavia la stabilità del catalizzatore e la produttività del processo rimangono basse. Lo scopo del lavoro è stato lo studio di sistemi attivi e stabili nella reazione di ossidazione del HMF a FDCA. In particolare è stato approfondito l’effetto della morfologia del supporto di CeO2, utilizzato per la preparazione di catalizzatori a base di Au e l’influenza della fase attiva sul meccanismo di reazione in sistemi misti Pd/Au. Il lavoro svolto ha avuto come obiettivi: -La preparazione di catalizzatori Au-CeO2 mesoporoso, ottenuto mediante “hard template” e la loro caratterizzazione mediante analisi XRD, HRTEM, BET, XRF, TPR e porosimetriche. Confrontando questi sistemi con catalizzatori di Au-CeO2 commerciale è stato possibile osservare le differenze in termini di attività catalitica e di struttura. -La sintesi di nanoparticelle Pd/Au in lega o core-shell e la loro caratterizzazione mediante analisi DLS, XRF, XRD e HRTEM per comprendere come il tipo di fase attiva formata influisce sull’attività e sul meccanismo di reazione nell’ossidazione di HMF a FDCA.

Studio del metodo di preparazione di elettrocatalizzatori 3D Ag/Cu nella riduzione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale

In questo lavoro di tesi sono stati preparati elettrocatalizzatori metallici 3D di argento supportato su schiume di rame a cella aperta, impiegandoli nella riduzione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale (HMF) a 2,5-bisidrossimetilfurano (BHMF). L’utilizzo di questi supporti consente di incrementare l’area superficiale a disposizione, rispetto ai supporti 2D. La preparazione delle schiume è stata effettuata utilizzando due metodi di deposizione: spostamento galvanico ed elettrodeposizione. Lo scopo del lavoro è valutare l’influenza del metodo di deposizione sull’attività catalitica, per questo motivo le schiume bimetalliche ottenute sono state confrontate a quelle monometalliche di rame e argento. Inoltre è stato studiato l’effetto della concentrazione di HMF sulle prestazioni dei catalizzatori, con l’obiettivo finale di ottenere un sistema attivo a concentrazioni industriali. Le schiume sono state sottoposte a cicli di prove catalitiche a concentrazione di HMF crescente 0,02 M, 0,05 M e 0,10 M e caratterizzate prima e dopo la sequenza di prove con analisi SEM-EDS, XRD, spettroscopia raman. Le soluzioni sono state analizzate mediante ICP, GC-MS, ESI-MS. Con lo spostamento galvanico si ha la crescita di dendriti, formate prevalentemente sui bordi, e agglomerati di particelle nelle zone interne, mentre per elettrodeposizione si ottiene minore formazione di dendriti e particelle mediamente più piccole. La presenza di argento come fase attiva non migliora la conversione rispetto alle schiume monometalliche, ma causa un aumento di selettività ed efficienza faradica. Incrementando la concentrazione di HMF tutti i campioni presentano un aumento di conversione e un decremento di selettività ed efficienza faradica. Il catalizzatore ottenuto per spostamento galvanico, mostra prestazioni migliori a concentrazioni elevate e nelle prove di stabilità non dà segni di disattivazione, al contrario della schiuma preparata per elettrodeposizione che risulta leggermente disattivata.

Elettroriduzione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale: studio dei parametri di reazione

I processi di riduzione del 5-idrossimetilfurfurale (HMF) sono generalmente condotti mediante processi che utilizzano calore e alte pressioni di H2. Una via alternativa prevede l’applicazione di processi elettrochimici, i quali richiedono condizioni più blande e non necessitano di H2. Il lavoro di tesi qui presentato si concentra sullo studio della elettoriduzione del 5-idrossimetilfurfurale a 2,5-bis(idrossimetil)furano, tramite l’utilizzo di catalizzatori basati su schiume 3D a cella aperta di Cu, sopra le quali viene depositato Ag tramite elettrodeposizione. La caratterizzazione elettrochimica è stata condotta tramite voltammetrie a scansione lineare fatte in tampone borato 0,5M e in HMF, seguite da cronoamperometrie (CA) e cronopotenziometrie (CP); inoltre sono stati valutati l’effetto dei parametri di reazione, quali concentrazione iniziale di reagente, potenziale applicato e densità di corrente applicata sulla conversione, selettività ed efficienza faradica. Le prove effettuate a due diverse concentrazioni di HMF (0,02M e 0,05M), con potenziale di -1,3V vs SCE, mostrano che all’aumentare della concentrazione di reagente si ha un calo della selettività in BHMF. Mantenendo la concentrazione a 0,05M e variando il potenziale applicato, si è osservato un aumento importante della selettività in BHMF a potenziali meno catodici e un calo della conversione a potenziali più catodici; la prova a -1,25V vs SCE fornisce i migliori risultati, tuttavia il tempo di reazione a questo potenziale è molto elevato, portando ad un netto calo della produttività. All’aumentare della densità di corrente si osserva un aumento della selettività in BHMF e una riduzione della conversione, mentre la FE è stabile.