Conversão de glicose e xilose em produtos químicos de alto valor agregado

Abstract

Dada à atual preocupação com a poluição gerada pelo uso de recursos fósseis e seu iminente esgotamento por serem recursos não renováveis, buscam-se alternativas para sua substituição. A biomassa lignocelulósica, composta principalmente por lignina, hemicelulose e celulose, é uma fonte renovável de carbono e pode ser obtida a partir de material vegetal como resíduos de culturas energéticas, madeiras utilizadas na indústria e outros resíduos da agroindústria. As moléculas que compõem as estruturas de lignina, celulose e hemicelulose, que são fenóis e carboidratos, podem ser utilizadas para a conversão de moléculas de alto valor agregado que podem ajudar a substituir produtos químicos e combustíveis tradicionalmente obtidos de recursos fósseis, como os petroquímicos. No entanto, o aproveitamento da biomassa e seus carboidratos em produtos químicos de alto valor agregado ainda está em desenvolvimento e, investimentos e pesquisas são necessários para desenvolver processos viáveis que possibilitem o maior aproveitamento desta matéria-prima renovável. Neste trabalho, focamos na conversão de xilose e glicose em produtos químicos de alto valor agregado hidroximetilfurfural (HMF) e furfural (FF), por meio do desenvolvimento de metodologias que não envolvem o uso de reagentes perigosos nem etapas complexas. No Capítulo I, foi utilizado um consórcio catalítico entre o ácido p-sulfônico calix[4]areno (CX4SO 3 H) e pentacloreto de nióbio (NbCl 5 ) para obter HMF a partir da glicose. Após avaliar diferentes condições de reação como por exemplo, temperatura, tempo de reação e quantidade de catalisador, obteve-se 50 % de rendimento de HMF, utilizando sistema bifásico, 150 °C e 17,5 min. Além disso, o consórcio catalítico foi avaliado utilizando diferentes catalisadores de nióbio e outros cloretos metálicos (ácidos de Lewis) e foi demonstrado que o consórcio catalítico composto de CX4SO 3 H e NbCl 5 levou ao maior rendimento de HMF a partir da glicose. Para a conversão da xilose em FF, no capítulo II, foi utilizado um solvente eutético profundo (DES) composto por xilose, cloreto de colina ([Ch]Cl) e água, além do co-catalisador ácido p-toluenossulfônico. Para as condições de reação otimizadas o rendimento de FF a partir de xilose foi de 50 %, a temperatura de 130 °C, 15 min de reação e acetato de etila como solvente extrator. Assim foi possível obter as plataformas químicas, HMF e FF, por meio de conversões químicas valiosas para a biorrefinaria.Palavras-chave: 5-Hidroximetilfurfural. Biorrefinaria. Biomassa. Calixarenos. Furfural. Solventes eutéticos profundos. Organocatálise. Química verde.

Given the current concern about the pollution generated by the use of fossil resources and their imminent depletion as they are non-renewable resources, alternatives are being sought to replace them. Lignocellulosic biomass, composed mainly of lignin, hemicellulose, and cellulose, is a renewable source of carbon and can be obtained from plant material such as energy crop residues, wood used in industry and other agro-industry residues. The molecules that make up the lignin, cellulose, and hemicellulose structures, which are phenols and carbohydrates, can be used for the conversion of high value-added molecules that can help replace chemicals and fuels traditionally obtained from fossil resources, such as petrochemicals. However, the use of biomass and its carbohydrates in chemical products of high added value is still under development and investments and research are needed to develop viable processes that allow the best use of this renewable raw material. In this work, we focus on the conversion of xylose and glucose into high value-added chemicals hydroxymethylfurfural (HMF) and furfural (FF), through the development of methodologies that do not involve the use of hazardous reagents or complex steps. In Chapter I, a catalytic consortium between p-sulfonic acid calix[4]arene (CX4SO 3 H) and niobium pentachloride (NbCl 5 ) was used to obtain HMF from glucose. After evaluating different reaction conditions such as temperature, reaction time and amount of catalyst, a 50 % yield of HMF was obtained, using a two-phase system, 150 °C and 17.5 min. Furthermore, the catalytic consortium was evaluated using different catalysts of niobium and other metallic chlorides (Lewis acids) and it was shown that the catalytic consortium composed of CX4SO 3 H and NbCl 5 led to the highest yield of HMF from glucose. For the conversion of xylose into FF, in chapter II, a deep eutectic solvent (DES) composed of xylose, choline chloride ([Ch]Cl) and water, was used in addition to the co-catalyst p- toluenesulfonic acid. For the optimized reaction conditions, the yield of FF from xylose was 50 %, at a temperature of 130 °C, 15 min of reaction and ethyl acetate as extracting solvent. Thus, it was possible to obtain the chemical platforms, HMF and FF, through valuable chemical conversions for the biorefinery.Keywords: 5-Hydroxymethylfurfural. Biorefinery. Biomass. Calixarenes. Deep eutectic solvents. Furfural. Green chemistry. Organocatalysis.