Otimização do verde e ambientalmente

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 2803 (2023) Cite este artigo

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Conchas moídas, como um catalisador nano-biocompósito e fonte natural de CaCO3 em sua forma microcristalina de aragonita com CO2 fixo, foram otimizadas para a síntese de acetato de isoamila (etanoato de 3-metilbutila) por metodologia de superfície de resposta com uma superfície de cinco níveis e três projeto composto central circunscrito rotatable do fator. O nano-biocompósito de conchas provou ser um excelente catalisador multifuncional heterogêneo para a síntese verde e ambientalmente benigna de acetato de isoamila a partir de ácido acético e álcool isoamílico em condições livres de solventes. Um alto rendimento de 91% foi obtido nas seguintes condições ótimas: proporção molar de álcool: ácido acético (1:3,7), carga de catalisador (15,7 mg), temperatura de reação (98 °C) e tempo de reação (219 min ). As vantagens marcantes deste protocolo são o uso de um material nano-biocompósito barato, de ocorrência natural e facilmente preparado, com estabilidade térmica adequada e sem nenhuma modificação usando reagentes perigosos, carga de catalisador e temperatura de reação mais baixas, sem uso de ácidos de Bronsted corrosivos, bem como solventes azeotrópicos tóxicos ou adsorventes de água e simplicidade do procedimento.

No que diz respeito às preocupações ambientais e sua influência direta nos seres humanos e organismos vivos, a concepção, desenvolvimento e aplicação de produtos químicos ecologicamente corretos e atômicos eficientes a partir de procedimentos, catalisadores, reagentes e solventes adequados e seguros tem recebido atenção considerável tanto da academia quanto da indústria em linha com os princípios da química verde e sustentável1,2,3,4,5. A técnica de moagem de bolas e o uso de sistemas catalíticos heterogêneos contendo nano-biocompósitos e biopolímeros são alguns desses procedimentos ou conceitos interessantes e úteis. A moagem de bolas é uma técnica mecânica interessante e verde na preparação de nano-biocompósitos. É uma escolha empolgante para a fabricação de novos materiais nanoestruturados a partir de fontes ecologicamente corretas em comparação com os métodos convencionais de preparação de nanobiocompósitos. Este método tem como vantagens o declínio acentuado do descarte ambiental, a criação síncrona e dispersão homogênea de nanopartículas, revestimento de nanopartículas inorgânicas e a possibilidade de processos paralelos (enxerto de superfície, incorporação e polimerização), que são particularmente adequados no caso de polímeros biodegradáveis. Além disso, a possibilidade de criar as nanopartículas in situ e promover reações químicas entre as moléculas orgânicas e as nanopartículas ativadas, bem como o uso de condições livres de solventes representam outras vantagens importantes desta técnica6,7,8,9,10.

A esterificação de ácidos carboxílicos com álcoois é uma das reações mais importantes, diretas e desafiadoras do ponto de vista acadêmico e industrial11,12. Os ésteres são produzidos principalmente a partir das reações entre os ácidos correspondentes e álcoois ou haletos de alquila que tradicionalmente usam condições de catálise ácida ou básica, respectivamente13. De fato, a esterificação sob condições ácidas é tipicamente uma reação reversível e lenta, que requer uma maior quantidade de álcool para ser alcançada. Assim, no caso de baixa concentração de álcool, a conversão requer um longo tempo de reação14,15. Curiosamente, os ésteres de cadeia curta são importantes compostos orgânicos amplamente utilizados em diferentes áreas da indústria química, como lubrificantes, plastificantes, produtos farmacêuticos, cosméticos, bebidas, perfumes, solventes e conservantes de alimentos16,17,18. Eles são comumente produzidos a partir de ácidos e álcoois de cadeia curta com comprimentos de cadeia inferiores a 10 átomos de carbono19. Um desses ésteres importantes é o acetato de isoamila (etanoato de 3-metilbutila), amplamente utilizado em medicamentos, cosméticos, perfumes, sorvetes de nozes, bebidas, doces, produtos de panificação e outras indústrias alimentícias. Outras aplicações deste éster são em fazendas de abelhas, como feromônio de alarme, bem como extração de penicilina16,19,20,21. Além disso, o acetato de isoamila possui alta atividade antifúngica, antibacteriana e antimicrobiana, sendo eficaz na inibição e na desativação do crescimento de diversos microrganismos e leveduras, como a Escherichia coli22. Estas aplicações são muito importantes devido ao crescimento da população mundial e sua cadeia alimentar. Embora um grande número de ésteres comerciais possam ser extraídos de fontes naturais ou produzidos por fermentação, os produtos obtidos por esses métodos apresentam baixos volumes e preços elevados. Portanto, processos alternativos mais convenientes e menos dispendiosos, incluindo a esterificação de ácidos carboxílicos, estão em alta demanda23,24. A esterificação de ácidos carboxílicos com álcoois geralmente envolve catalisadores ácidos homogêneos como H2SO4, HCl, HF, H3PO4 e ácido p-toluenossulfônico por meio de uma via de síntese química25. Embora esses catalisadores sejam frequentemente baratos, eles apresentam desvantagens como toxicidade, corrosão e dificuldade em sua separação26. Nesse sentido, os sistemas catalíticos heterogêneos surgiram como uma alternativa adequada aos homogêneos. Eles oferecem muitas vantagens, incluindo maior pureza dos produtos, fácil separação, recuperação dos catalisadores e potencial para reações em condições livres de solventes27,28,29. Uma revisão da literatura mostra que vários sistemas catalíticos heterogêneos têm sido apresentados para a produção de acetato de isoamila a partir de ácido acético e álcool isoamílico. Por exemplo, resinas de troca catiônica, como purolite CT-175, Amberlyst-15 ou Amberlite IR-120, ácido tungstofosfórico ou molibdofosfórico suportado em zircônia, poli(álcool vinílico) contendo ácido sulfônico, lipase imobilizada de Candida antarctica, lipase B de Candida antarctica em resina Purolite@MN102, Bacillus aerius lipase imobilizada em matriz de sílica gel30,31,32,33,34,35, processo de membrana híbrida36, líquido iônico sulfonado à base de polioxometalato37 e nanorods β-MnO238 podem ser citados. Além disso, líquidos iônicos ácidos, como sulfato de hidrogênio de 1-sulfobutil-3-metilimidazólio ([HSO3bmim][HSO4]), cátion trihexil(tetradecil)fosfônio e cloreto misto e ânion bis(trifluorometilsulfonil)imida foram relatados39. Na maioria desses métodos, apenas fatores cinéticos para a síntese ideal de acetato de isoamila foram investigados. Além disso, alguns desses protocolos apresentam dificuldades como alta carga de catalisador e uso de solventes orgânicos32,34,35. Por outro lado, alguns desses procedimentos utilizaram delineamento experimental para otimizar a produção de acetato de isoamila30,31. Nessa linha, diferentes macromoléculas biopoliméricas têm recebido grande interesse, como suporte, em sistemas catalíticos heterogêneos ou em materiais compósitos. Em particular, macromoléculas bioplômicas como a quitina (poli[β-(1 → 4)-N-acetil-D-glucosamina]; um membro da família dos polissacarídeos), que é classificada como o segundo recurso mais abundante depois da celulose com uma produção estimada em vários milhares de toneladas, ou seu produto desacilado (quitosana) são muito populares para esse fim40,41,42,43,44,45,46. Outros biopolímeros, incluindo amido, celulose, alginatos, colágeno, fibroína e lã, podem demonstrar um papel semelhante nos sistemas catalíticos nano-bicompósitos correspondentes40,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56, 57.