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HKUST-1 como um catalisador heterogéneo para a Síntese de vanilina

Published: July 23, 2016
doi:
10.3791/54054
, , , , , , , ,
1Autonomous Metropolitan University-Azcapotzalco, 2Institute of Catalysis and Petroleum Chemistry, ICP-CSIC, 3Department of Chemistry,Autonomous Metropolitan University-Iztapalapa, 4Department of Chemistry,Center of Investigation and Superior Studies (IPN), 5Research Institute of Material,National Autonomous University of Mexico

Summary

The conversion of trans-ferulic acid to vanillin was achieved by heterogeneous catalysis. HKUST-1 was employed in this synthesis and the essential step in the catalytic process was the generation of unsaturated metal sites. Thus, when the catalyst was activated under vacuum, full vanillin conversion (yield of 95%) was obtained.

Abstract

Vanilina (4-hydoxy-3-metoxibenzaldeido) é o principal componente do extracto de baunilha. O aroma de baunilha natural é uma mistura de aproximadamente 200 diferentes compostos odorantes, além de vanilina. A extracção natural de vanilina (baunilha da orquídea planifolia, Baunilha Baunilha e tahitiensis pompon) representa apenas 1% da produção mundial e uma vez que este processo é caro e muito longo, o resto da produção de vanilina é sintetizado. Muitas abordagens biotecnológicas pode ser utilizado para a síntese de vanilina a partir de lignina, estilbenos fenólicos, isoeugenol, eugenol, guaiacol, etc, com a desvantagem de prejudicar o meio ambiente uma vez que estes processos utilizam agentes oxidantes fortes e solventes tóxicos. Assim, alternativas ecológicas para a produção de vanilina são muito desejável e, portanto, sob investigação atual. polímeros de coordenação porosos (PCPS) são uma nova classe de materiais altamente cristalina que reccantes têm sido usados ​​para a catálise. HKUST-1 (Cu 3 (BTC) 2 (H 2 O) 3, BTC = 1,3,5-benzeno-tricarboxilato) é um PCP muito bem conhecido que tem sido extensivamente estudada como um catalisador heterogéneo. Aqui, relatamos uma estratégia de síntese para a produção de vanilina pela oxidação de ácido trans -ferulic usando HKUST-1 como um catalisador.

Introduction

A utilização de polímeros de coordenação porosos (PCPS) como catalisadores heterogéneos 1-4 é um campo relativamente novo de pesquisa. Devido às propriedades muito interessantes que mostram PCP, por exemplo, a regularidade porosa, a área de superfície elevada e acesso metal, eles podem oferecer novas alternativas de catalisadores heterogéneos 5-6. A geração de PCP cataliticamente activos tem sido o foco principal de muitos grupos de pesquisa 7-10. Um polímero poroso coordenação é constituído por iões metálicos e os ligantes orgânicos e, portanto, a actividade catalítica destes materiais é fornecida por qualquer uma destas peças. Alguns PCP contêm metais insaturados (activos) que pode catalisar uma reacção química 11. No entanto, a geração de sítios de metal insaturados (locais abertos metálicos) dentro polímeros de coordenação não é uma tarefa trivial e representa um desafio sintético que pode ser resumida em: (i) a geração de coordenação vago pela remoção de ligandos lábeis 7-11;(Ii) a geração de PCP bimetálicas através da incorporação de ligandos organometálicos (sintetizado anteriormente) 8,12-13; (Iii) a variação pós-sintética dos iões metálicos 9,14-15 ou para os ligandos orgânicos 10, 16-17 dentro dos poros da PCP. Uma vez que a metodologia de (i) é o mais simples, portanto, é o mais frequentemente utilizado. Tipicamente, a geração de sítios de metal abertos tem sido utilizado para aumentar a afinidade de PCP no sentido de H 2 18-19, bem como para a concepção de catalisadores heterogéneos activas 20-27. A fim de alcançar boas propriedades de catalisador, PCP precisa mostrar, além disso, a acessibilidade de locais abertos de metal, a retenção da cristalinidade após a experiência catalítica, relativamente elevada estabilidade térmica e a estabilidade química às condições de reacção.

HKUST-1 (Cu 3 (BTC) 2 (H 2 O) 3, BTC = 1,3,5-benzeno-tricarboxilato) 7 estáum polímero bem investigada poroso coordenação construído com catiões de Cu (II), que estão coordenados com os ligandos carboxilato de etilo e água. Interessantemente, estas moléculas de água podem ser eliminados (por aquecimento) e isto proporciona uma coordenação plana quadrada em torno dos iões de cobre que apresentam propriedades de ácidos de Lewis rígidos 11. Bordiga e colegas de trabalho 28 mostraram que a eliminação destas moléculas de H 2 O não afectar a cristalinidade (retenção da regularidade) e o estado de oxidação dos iões metálicos (Cu (II)) não foi afectada. O uso de HKUST-1 como um catalisador tem sido amplamente investigada, em particular, 29-33 e (muito relevante para o presente trabalho) a oxidação com peróxido de hidrogénio de 34 moléculas aromáticas.

Vanilla é um dos agentes aromatizantes mais amplamente utilizado nas indústrias de cosméticos, farmacêutica e alimentícia. Extrai-se a partir dos grãos curadas da orquídea Vanilla planifolia, vanitahitiensis lla e Vanilla pompon. As civilizações maias e astecas (povo pré-colombiano) primeiro percebeu o enorme potencial de baunilha como um agente aromatizante, uma vez que melhora o sabor de chocolate 35-37. Baunilha foi isolado pela primeira vez em 1858 38 e não foi até 1874 39 que a estrutura química de vanilina foi finalmente determinada. A extracção natural de vanilina (baunilha da orquídea planifolia, Baunilha Baunilha e tahitiensis pompon) representa apenas 1% da produção mundial e uma vez que este processo é caro e longo 40, o resto de vanilina é sintetizado 40. Muitas abordagens biotecnológicas pode ser utilizado para a síntese de vanilina a partir de lignina, estilbenos fenólicos, isoeugenol, eugenol, guaiacol, etc. No entanto, estas abordagens têm a desvantagem de prejudicar o meio ambiente uma vez que estes processos utilizam agentes oxidantes fortes e solventes tóxicos 41-43. Aqui, nós relatório uma estratégia de síntese para a produção de vanilina pela oxidação de ácido trans -ferulic usando HKUST-1 como um catalisador.

Protocol

CUIDADO: Os produtos químicos utilizados no presente processo catalítico são relativamente de baixa toxicidade e não carcinogénica. Por favor, use todas as precauções de segurança adequadas ao realizar este procedimento experimental como óculos de segurança, luvas, jaleco, calças de comprimento total e sapatos fechados. Uma parte dos seguintes procedimentos envolve técnicas de manuseio livre de ar padrão. 1. A activação do catalisador (HKUST-1) Caracterização cristalinidade do catalis…

Representative Results

Três amostras representativas de HKUST-1 foram analisadas por espectroscopia no infravermelho: não-activado, activado a 100 ° C durante 1 hora num forno (exposta ao ar), e activado sob vácuo (10 -2 bar) a 100 ° C durante 1 h. Assim, transformada de Fourier de Infravermelhos (FTIR) Os espectros foram registados utilizando um espectrómetro de reflexão com um único diamante ATR acessório (Figura 1). Para todos os espectros, 64 scans nos 4.000 e 400 cm <s…

Discussion

O passo fundamental para a conversão catalítica de ácido trans -ferulic a vanilina foi a activação do catalisador (HKUST-1). Se o catalisador não é activado in situ (sob vácuo e a 100 ° C), apenas a conversão parcial de ácido trans -ferulic a vanilina foi observada 44. Em outras palavras, a acessibilidade para abrir sítios de metal é crucial para o ciclo catalítico 44, e isto pode ser conseguido pela eliminação da água coordenada para os sítios de metal …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors thank Dr. A. Tejeda-Cruz (X-ray; IIM-UNAM). R.Y. thanks CINVESTAV, Mexico for technical support. M.S.S acknowledges the financial support by Spanish Government, MINECO (MAT2012-31127). I.A.I thanks CONACyT (212318) and PAPIIT UNAM (IN100415), Mexico for financial support. E.G-Z. thanks CONACyT (156801 and 236879), Mexico for financial support. Thanks to U. Winnberg (ITAM and ITESM) for scientific discussions.

Materials

HKUST-1 Sigma-Aldrich MFCD10567003
Ferulic Acid (trans-4-Hydroxy-3-methoxycinnamic acid) Sigma-Aldrich 537-98-4
Ethanol Sigma-Aldrich 64-17-5
Hydrogen peroxide solution Sigma-Aldrich  7722-84-1
Acetonitrile Sigma-Aldrich 75-05-8
Ethyl acetate Sigma-Aldrich 141-78-6
Ammonium chloride Sigma-Aldrich 12125-02-9
Sodium sulfate anhydrous Sigma-Aldrich 7757-82-6
Ethyl acetate Sigma-Aldrich 141-78-6
n-Hexane Sigma-Aldrich 110-54-3
Silica Gel Sigma-Aldrich 112926-00-8  Size 70/230
250 mL two-neck round-bottom flask Sigma-Aldrich Z516872-1EA 250 mL capacity
Magnetic stirring bar Bel-Art products 371100002 Teflon, octagon
Condenser Cole-Parmer JZ-34706-00 200 mm Jacket length
Vacuum pump (Approx. 10X-2 bar) Cole-Parmer JZ-78162-00 Vacuum/Pressure Diaphragm Pump
Stopcock Cole-Parmer EW-30600-00 with a male luer slip
Hose Cole-Parmer JZ-06602-04 16.0 mm ID and 23.2 mm ED
Rubber septums Cole-Parmer JZ-08918-34 Silicone with PTFE coating
Hot plate Cole-Parmer JZ-04660-15 10.2 cm x 10.2 cm, 5 to 540 °C
Sand bath  Cole-Parmer GH-01184-00 Fluidized Sand Bath SBS-4, 50 to 600 °C
N2 gas INFRA Cod. 103 Cylinder 9m ³
Ballons (filled with N2 gas) Sigma-Aldrich Z154989-100EA Thick-wall, natural latex rubber
Syringes with removable needles Sigma-Aldrich Z116912-100EA 10 mL capacity
Filter paper Cole-Parmer JZ-81050-24 Grade No. 235 qualitative filter paper (90 mm diameter disc)
Buchner funnel Cole-Parmer JZ-17815-04 320 mL capacity which accept standard paper filter sizes 
Buchner flask Cole-Parmer JZ-34557-02 250 mL capacity
Rotary Evaporator Cole-Parmer JZ-28710-02
Beakers Cole-Parmer JZ-34502-(02,04,05) Pyrex Brand 1000 Griffin; 20, 50 and 100 mL
Separation funnel  Cole-Parmer JZ-34505-44 Capacity for 125 mL with steam lenght of 60 mm
Glass column for chromatography Cole-Parmer JZ-34695-42 Column with fritted disk, 10.5 mm ID x 250 mm L
PXRD diffractometer Bruker AXS D8 Advance XRD
FTIR spectrophotometer Thermo scientific FT-IR (JZ-83008-02); ATR (JZ-83008-26) Nicolet iS5 FT-IR Spectrometer, with KBr Windows and iD5 Diamond ATR
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Yépez, R., Illescas, J. F., Gijón, P., Sánchez-Sánchez, M., González-Zamora, E., Santillan, R., Álvarez, J. R., Ibarra, I. A., Aguilar-Pliego, J. HKUST-1 as a Heterogeneous Catalyst for the Synthesis of Vanillin. J. Vis. Exp. (113), e54054, doi:10.3791/54054 (2016).
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