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Chemistry

HKUST-1 como un catalizador heterogéneo para la Síntesis de la vainillina

Published: July 23, 2016 doi: 10.3791/54054

Abstract

Vainillina (4-hidroxi-3-metoxibenzaldehído) es el componente principal del extracto de vainilla. El aroma de vainilla natural es una mezcla de aproximadamente 200 diferentes compuestos odorantes, además de vainillina. La extracción natural de la vainillina (de la orquídea Vanilla planifolia, vainilla tahitiensis y pompón de vainilla) representa sólo el 1% de la producción mundial y ya que este proceso es costoso y muy largo, el resto de la producción de vainillina se sintetiza. Muchos enfoques biotecnológicos se pueden utilizar para la síntesis de la vainillina de la lignina, estilbenos fenólicos, isoeugenol, eugenol, guaicol, etc., con la desventaja de dañar el medio ambiente, ya que estos procesos usan agentes oxidantes fuertes y disolventes tóxicos. Por lo tanto, alternativas ecológicas en la producción de vainillina son muy deseables y, por tanto, objeto de la investigación actual. polímeros de coordinación porosos (PCP) son una nueva clase de materiales altamente cristalinos que rectemente se han utilizado para la catálisis. HKUST-1 (Cu 3 (BTC) 2 (H 2 O) 3, BTC = 1,3,5-benceno-tricarboxilato) es un PCP muy conocido que ha sido estudiado ampliamente como un catalizador heterogéneo. Aquí, se presenta una estrategia sintética para la producción de vainillina mediante la oxidación del ácido trans -ferulic usando HKUST-1 como catalizador.

Introduction

El uso de polímeros de coordinación porosos (PCP) como catalizadores heterogéneos 1-4 es un campo relativamente nuevo de investigación. Debido a las propiedades muy interesantes que muestran los PCP, por ejemplo, la regularidad porosa, área de superficie alta y el acceso de metal, que pueden ofrecer nuevas alternativas de catalizadores heterogéneos 5-6. La generación de los médicos de cabecera con actividad catalítica ha sido el principal foco de muchos grupos de investigación 7-10. Un polímero de coordinación poroso está constituido por iones de metal y enlazadores orgánicos y, por tanto, la actividad catalítica de estos materiales es proporcionado por cualquiera de estas partes. Algunos PCP contienen metales insaturados (activo) que pueden catalizar una reacción química 11. Sin embargo, la generación de sitios de metal insaturados (sitios de metal abierta) dentro de polímeros de coordinación no es una tarea trivial y representa un desafío sintético que se puede resumir en: (i) la generación de coordinación vacante por la eliminación de ligandos lábiles 7-11;(Ii) la generación de los PCP bimetálicos mediante la incorporación de ligandos organometálicos (sintetizado previamente) 8,12-13; (Iii) la variación post-sintético de los iones metálicos 9,14-15 o a los ligandos orgánicos 10, 16 a 17 dentro de los poros de la PCP. Dado que la metodología (i) es el más simple de este modo, es el más frecuentemente utilizado. Típicamente, la generación de sitios de metal abiertas se ha utilizado para mejorar la afinidad de los PCP hacia H 2 18-19, así como para el diseño de catalizadores heterogéneos activos 20-27. Con el fin de lograr buenas propiedades de catalizador, PCP necesita mostrar, además, a la accesibilidad de los sitios de metal abierto, la retención de la cristalinidad después del experimento catalítico, relativamente alta estabilidad térmica y la estabilidad química de las condiciones de reacción.

HKUST-1 (3 Cu (BTC) 2 (H2O) 3, BTC = 1,3,5-benceno-tricarboxilato) 7 esun polímero poroso bien investigado coordinación construido con cationes de Cu (II), que se coordinó con los ligandos carboxilato y agua. Curiosamente, estas moléculas de agua se pueden eliminar (por calentamiento) y esto proporciona una coordinación cuadrada plana alrededor de los iones de cobre, que presentan propiedades de ácido de Lewis duros 11. Bordiga y compañeros de trabajo 28 mostraron que la eliminación de estas moléculas de H2O no afectó a la cristalinidad (retención de la regularidad) y el estado de oxidación de los iones metálicos (Cu (II)) no se vio afectada. El uso de HKUST-1 como un catalizador ha sido ampliamente investigado 29-33 y, en particular (muy relevante para el presente trabajo) de la oxidación con peróxido de hidrógeno de las moléculas aromáticas 34.

La vainilla es uno de los agentes de sabor más utilizados en la industria cosmética, farmacéutica y alimentaria. Se extrae de los granos curadas de la orquídea Vanilla planifolia, Vanitahitiensis lla y pompón de vainilla. Las civilizaciones mayas y aztecas (los pueblos precolombinos) primero se dieron cuenta del enorme potencial de vainilla como agente saborizante, ya que mejora el sabor del chocolate 35-37. Vainilla fue aislado por primera vez en 1858 38 y no fue hasta 1874 39 que la estructura química de la vainillina se determinó finalmente. La extracción natural de la vainillina (de la orquídea Vanilla planifolia, vainilla tahitiensis y pompón de vainilla) representa sólo el 1% de la producción mundial y ya que este proceso es costoso y muy largo 40, el resto de la vainillina se sintetiza 40. Muchos enfoques biotecnológicos pueden ser utilizados para la síntesis de la vainillina de la lignina, estilbenos fenólicos, isoeugenol, eugenol, guaicol, etc. Sin embargo, estos métodos tienen el inconveniente de dañar el medio ambiente, ya que estos procesos usan agentes oxidantes fuertes y solventes tóxicos 41-43. En este documento, nos rNFORME una estrategia de síntesis para la producción de vainillina mediante la oxidación del ácido trans -ferulic usando HKUST-1 como catalizador.

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Protocol

PRECAUCIÓN: Los productos químicos utilizados en este procedimiento catalítico son relativamente bajos en toxicidad y no carcinogénico. Por favor, use todas las precauciones de seguridad apropiadas al realizar este procedimiento experimental, tales como gafas de seguridad, guantes, ropa de laboratorio, pantalones largos y zapatos cerrados. Una parte de los siguientes procedimientos se aplican técnicas de manipulación libre de aire estándar.

1. activación del catalizador (HKUST-1)

  1. La cristalinidad Caracterización del catalizador
    Nota: HKUST-1 es un polímero de coordinación porosa disponible comercialmente (catalizador). Con el fin de corroborar la cristalinidad del catalizador, las muestras de HKUST-1 necesitan ser caracterizado por difracción de rayos X en polvo (PXRD).
    1. Recoger un patrón de PXRD de una muestra de 0,1 g de HKUST-1 (en un difractómetro operando a 160 W (40 kV, 40 mA)) para Cu-Ka 1 de radiación (λ = 1,5406 Å) en la geometría Bragg-Brentano. Grabar un patrón de PXRD a partir de 5 ° a 60 ° (2θ) en 0,02 & #176; pasos y 1 seg tiempo de 44 contando.
  2. La desolvatación de HKUST-1
    1. Pesar 0,05 g de catalizador (HKUST-1).
    2. Una abrazadera 250 ml de dos bocas matraz de fondo redondo de un soporte e insertar una barra de agitación magnética en el matraz de fondo redondo.
    3. Adjuntar un condensador al matraz de fondo redondo.
    4. Use un poco de grasa de vacío o cinta de teflón entre las articulaciones del matraz y el condensador con el fin de generar un sellado perfecto.
    5. Conectar el condensador, desde la parte superior, a una bomba de vacío (a través de una llave de paso a una manguera).
    6. Asegúrese de que el vacío generado por la bomba es de aproximadamente 10 -2 bar.
      Nota: Por conveniencia, este juego experimental (el de dos bocas matraz de fondo redondo conectado a un condensador, que está conectado a una bomba de vacío) se hará referencia como el sistema de activación.
    7. Coloque el catalizador (0,05 g) en el matraz de fondo redondo de 250 ml de dos bocas.
    8. Insertar un tabique de caucho en el segundo cuello dematraz de fondo redondo y asegúrese de que selle adecuadamente (ataques).
    9. Con cuidado, coloque el sistema de activación en un baño de arena.
    10. Hacer funcionar la bomba de vacío y gire con cuidado la llave de paso hasta que esté completamente abierta. Con un plato caliente, caliente el sistema de activación de hasta 100 ° C durante 1 hora.
    11. Se agita a la velocidad más baja de la placa caliente, con el fin de distribuir homogéneamente el catalizador en el fondo del matraz de fondo redondo.
    12. Apagar el fuego (placa caliente) después de 1 hora de calentamiento, y dejar que el sistema de activación de enfriar a temperatura ambiente (en vacío).
    13. Una vez que el sistema de activación se haya enfriado a temperatura ambiente, gire la válvula de parada (por lo tanto, el sistema de activación sería bajo vacío pasivo) y apagar la bomba.
    14. Conectar un globo lleno de nitrógeno (N2), a través del diafragma, a la de dos bocas matraz de fondo redondo y espere unos segundos para alcanzar la presión de equilibrio.
      Nota: Después de la activación del catalizador, dejarlo under una atmósfera inerte (N2) ya que el acceso a los sitios de metal no coordinados (o sitios metálicos abiertos) es la clave para obtener un catalizador activo.
    15. Retire el globo lleno de N 2, cuando se ha alcanzado la presión de equilibrio.
      Se observa un cambio de color de azul turquesa (recibida como HKUST-1) a azul oscuro (tras la activación): Nota.

2. Síntesis de vainillina mediante catálisis heterogénea

  1. La desgasificación del disolvente orgánico
    1. Degas aproximadamente 70 ml de etanol mediante burbujeo de N 2 durante 5 min.
  2. Preparación de la reacción catalítica
    1. Añadir 10 ml de etanol desgasificado al matraz de fondo redondo de dos bocas y se agita suavemente la suspensión en un plato caliente.
    2. Añadir 5 ml de H 2 O 2 (30% en H 2 O) a la suspensión.
    3. Añadir 0,25 ml de acetonitrilo a la suspensión.
    4. Pesar 0,50 g de ácido ferúlico y disolverla en20 ml de etanol desgasificado en un vaso de precipitados.
    5. Añadir el ácido ferúlico disuelto a la suspensión.
    6. Lavar el vaso de precipitados con 20 ml de etanol desgasificado y añadirlo a la suspensión.
  3. La oxidación de Trans- ácido ferúlico a la vainillina
    1. Desconectar la manguera que conecta el condensador de la bomba de vacío.
    2. Abra el agua del grifo que pasa a través del condensador. De preferencia, utilizar una bomba de agua.
    3. Se calienta la suspensión hasta 100 ° C (a reflujo) durante 1 hr.
    4. Apagar el fuego y la agitación. Levante con cuidado el de dos bocas matraz de fondo redondo (que se adjunta al condensador) y dejar que se enfríe a temperatura ambiente.
  4. La elaboración de la reacción de
    1. Se filtra la mezcla de reacción (utilizar un embudo Buchner y el frasco), recuperar el catalizador (HKUST-1) y se lava con 200 ml de acetato de etilo.
      Nota: Con el fin de acelerar el proceso de filtración, utilizar un vacío (conectado al matraz Buchner) para recuperar rápidamente y lavar el catalyst.
    2. Corroborar la retención de cristalinidad marco del catalizador por PXRD como en la Sección 1.
    3. Se concentran las fases orgánicas combinadas (bajo vacío con un evaporador rotatorio) y volver a disolver con 100 ml de acetato de etilo.
    4. Se lavan las fases orgánicas (utilizar un embudo de separación) con una solución saturada de NH 4 Cl (30 ml).
    5. Recuperar las fases orgánicas y mezclarlas con Na 2 SO 4 anhidro (30 g). Dejar reposar la suspensión durante 15 minutos.
    6. Filtrar la suspensión fuera y recuperar el filtrado.
    7. Se concentra el filtrado (aproximadamente 20 ml) a vacío con un evaporador rotatorio.
  5. La purificación del residuo (vainillina)
    1. Se purifica el residuo por cromatografía en columna ultrarrápida 44. La fase estacionaria es gel de sílice y la fase móvil es una mezcla de disolventes de acetato de etilo-hexano (5:95).
    2. Paquete de la columna de vidrio para cromatografía (1 cm x 30 cm) con gel de sílice(1 cm x 6 cm). Saturar la columna con etilo-hexano (5:95) mezcla de disolventes.
    3. Verter cuidadosamente el filtrado se concentra en la parte superior de la columna de vidrio.
    4. Agregar lentamente la mezcla de disolvente a la columna de vidrio y recoger todas las fracciones hasta que se recogieron 1.200 ml.
    5. Se concentran las fracciones orgánicas (1.200 ml) con un evaporador rotatorio hasta sequedad.
    6. Recuperar el polvo sólido final que es la vainillina purificada.

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Representative Results

Tres muestras representativas de HKUST-1 se analizaron por espectroscopía infrarroja: no activado, activado a 100 ° C durante 1 hora en un horno (expuesta al aire), y se activan al vacío (10 -2 bar) a 100 ° C durante 1 hora Por lo tanto, la transformada de Fourier infrarroja (FTIR) espectros se registraron usando un espectrómetro con un ATR accesorio solo diamante de reflexión (Figura 1). Para todos los espectros, 64 exploraciones en los 4.000 y 400 cm-1 rango se registraron con una resolución espectral de 4 cm-1.

Con el fin de confirmar la composición del producto purificado de la oxidación de ácido -ferulic trans usando HKUST-1 como un catalizador, un espectro de 1H-RMN se realizó en un espectrómetro de RMN bajo un campo magnético estático de 11,74 T a 25 ° C (Figura 2). Para ello, una muestra de 5 mg se introdujo en el tubo de ensayo NMR y 0,5 ml de deuterateSe añadió cloroformo d (CDCl3).

Figura 1
Figura 1: espectros FTIR del catalizador (HKUST-1) a 25 ° C no activada (línea verde), que se activa en un horno convencional (línea morada) y activado al vacío (línea naranja).. Reproducido de la referencia 44 con permiso del Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) y la Royal Society of Chemistry. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2: 1 H-NMR de vainillina después de purificación cromatografía en columna sobre gel de sílice cuando el catalizador (HKUST-1) se activó a vacío (10 <sup> -5 bar) y 100 ° C durante 1 hora.

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Discussion

El paso fundamental para la conversión catalítica de ácido trans -ferulic a vainillina fue la activación del catalizador (HKUST-1). Si el catalizador no se activa in situ (en vacío y a 100 ° C), sólo se observó conversión parcial de ácido trans -ferulic a vainillina 44. En otras palabras, la accesibilidad para abrir sitios de metal es crucial para el ciclo catalítico 44, y esto se puede lograr mediante la eliminación de agua coordinada a los sitios de metal Cu (II) en el polímero de coordinación poroso.

Por lo tanto, con el fin de investigar este fenómeno tres experimentos se llevaron a cabo de infrarrojos. El primer experimento, el espectro FTIR de una muestra no activado de HKUST-1 (Figura 1) mostró las bandas de absorción características en 3.400 cm -1 y 3.680 cm -1 correspondientes al agua no coordinada (banda de absorción ancha) y agua coordinada (en punto absorciónbanda), respectivamente. En segundo lugar, la muestra HKUST-1 activado en un horno convencional (expuesta al aire) mostró un espectro FTIR con cambios mínimos en comparación con el experimento anterior: una disminución en la intensidad de la banda de absorción a 3.400 cm -1 pero ningún cambio en la banda de absorción nítida a 3.680 cm-1 (Figura 1). Este cambio sugiere una pérdida incompleta de agua no coordinada y el mantenimiento de agua coordinada al ión metálico de Cu (II). Por último, el espectro de FTIR del catalizador activado in situ exhibió dos cambios importantes (respecto al catalizador no activado), una considerable reducción en la intensidad de la banda de absorción a 3.400 cm -1 y una completa pérdida de la intensidad de la absorción formar una banda en 3680 cm-1. Así, cuando el catalizador se activa en vacío (10 -2 bar) y a 100 ° C, es posible conseguir el acceso completo a la Cu (II) sitios de metal abiertos; la eliminación de cualquier agua moleculES (no coordinadas y) en el interior de los poros de HKUST-1.

Una vez terminada la reacción catalítica, el catalizador se puede recuperar fácilmente por filtración y re-utilizada (Figura 2) 44. Por supuesto, tiene que ser re-activado (bajo vacío, 10 -2 bar, y a 100 ° C). Con el fin de facilitar el proceso de re-activación, una vez que se recupera el catalizador, lavándolo con que se necesita aproximadamente 200 ml de acetato de etilo. Entonces, el catalizador se puede dejar a temperatura ambiente (en el embudo Buchner) de 30 min, se recuperó y finalmente transfiere en el sistema de activación (vide supra).

La ampliación de la reacción es la limitación de la corriente de esta técnica experimental. La cantidad máxima de catalizador utilizado fue de 0,05 g lo que resultó en un rendimiento de conversión de 95% (obtenido después del aislamiento de la vainillina mediante cromatografía en columna flash) 44. Esta reacción catalítica se llevó a cabo con una mayor quantities de catalizador (en consecuencia, más el ácido ferúlico y el resto de los productos químicos) y el rendimiento de conversión se redujo de manera significativa.

Sólo se necesita la combinación de catalizador heterogéneo activada con peróxido de hidrógeno para catalizar la oxidación del ácido -ferulic trans. Con el fin de discriminar la conversión catalítica heterogénea, pruebas en blanco (una sin HKUST-1 y otro sin H 2 O 2) se realizaron 44. Después se completaron estas reacciones, en las mismas condiciones, el análisis de la composición del producto no mostró la presencia de vainillina 44.

La metodología catalítico presentado aquí mostró cómo el catalizador heterogéneo (HKUST-1) se puede utilizar para la conversión eficaz de ácido trans -ferulic a la vainillina cuando se activa in situ. Además, la retención de la cristalinidad del catalizador fue corroborada por PXRD 44 después de que se vuelva a utilizar esto.Vainillina anteriores metodologías sintéticas usan agentes oxidantes fuertes y solventes tóxicos 41-43. La metodología actual evita por completo estos riesgos y también ofrece la posibilidad de volver a utilizar el catalizador heterogéneo (HKUST-1).

Por último, estamos investigando la aplicabilidad de la técnica catalítica para la oxidación de diferentes α, ácidos carboxílicos beta-insaturados.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
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. 10-2 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 9 m3
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 length 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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Química No. 113 polímeros de coordinación porosos (PCP) HKUST-1 catálisis heterogénea sitios de metal abierta la oxidación el ácido trans-ferúlico vainillina
HKUST-1 como un catalizador heterogéneo para la Síntesis de la vainillina
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Yépez, R., Illescas, J. F.,More

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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