Green heterogeneous catalysts for cleaner solvent-free production of acetates

Abstract

El desarrollo de nuevas metodologías de síntesis química que transformen los procesos químicos industriales en más sostenibles constituye uno de los retos y objetivos de la investigación química tanto en el mundo académico como en la industria. El uso de carbones activados como catalizadores heterogéneos representa una de las opciones más beneficiosas para la eficiencia de los procesos en términos de la velocidad de reacción, el rendimiento y la facilidad de trabajo. Hemos producido seis nuevos carbones activados mediante el tratamiento de tres carbones comerciales con ácido nítrico o con ácido sulfúrico. La caracterización completa de estos nueve carbones activados se ha llevado a cabo mediante la medición de la capacidad de adsorción de nitrógeno, porosimetría, análisis orgánico elemental, espectroscopia de fotoelectrones de rayos X, microscopia electrónica de barrido y determinación del punto de carga cero. También se realizó microscopía electrónica de transmisión en dos de ellos. La actividad catalítica de estos nueve catalizadores se ha probado en la reacción de acetilación de grupos hidroxilo, sin duda una de las transformaciones químicas más versátiles y utilizadas tanto a escala de laboratorio como industrial. Los resultados muestran que mediante una modificación sencilla y asequible de xerogel comercial con ácido sulfúrico, se forma un catalizador más eficiente. La acetilación con el mejor catalizador se completa en 90 min a temperatura ambiente y el producto se aísla fácilmente en rendimiento cuantitativo. El sistema puede reutilizarse para cinco con sólo una pequeña pérdida de actividad catalítica.

The development of new chemical synthetic methodologies that transform industrial chemical processes into more sustainable ones, constitutes one of the challenges and objectives of chemical research both in academia and in industry. The use of activated carbons as heterogeneous catalysts represents one of the most beneficial options for process efficiency in terms of reaction rate, yield, and ease of work-up. We have produced six new activated carbons by treatment of three affordable commercial carbons with either nitric acid, or with sulfuric acid. The complete characterization of these nine activated carbons has been carried out through the measurement of nitrogen adsorption capacity, porosimetry, elemental organic analysis, X-ray photoelectron spectroscopy, scanning electron microscopy and determination of the point of zero charge; transmission electron microscopy was also performed on two of them. The catalytic activity of these nine catalysts has been tested in the acetylation reaction of hydroxyl groups, undoubtedly one of the most versatile and widely used chemical transformations both at the laboratory and industrial scale. The results show that by means of a simple and affordable modification of commercial xerogel with sulfuric acid, a more efficient catalyst is formed. Acetylation with the best catalyst is completed in 90 min at room temperature and the product is easily isolated in quantitative yield. The system can be reutilized for five runs with only a small loss of catalytic activity.