Name: HKUST-1 come catalizzatore eterogeneo per la sintesi di vanillina (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-23T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 15 s
Description: Scopri la conversione catalitica dell'acido ferulico in vanillina utilizzando il polimero di coordinazione poroso HKUST-1. Questo metodo offre condizioni di ossidazione blande e rese elevate per la sintesi di agenti aromatici.

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Gli autori ringraziano il Dr. A. Tejeda-Cruz (raggi X; IIM-UNAM). R.Y. ringrazia CINVESTAV, Messico per il supporto tecnico. M.S.S riconosce il sostegno finanziario del governo spagnolo, MINECO (MAT2012-31127). I.A.I ringrazia CONACyT (212318) e PAPIIT UNAM (IN100415), Messico per il sostegno finanziario. E.G-Z. ringrazia CONACyT (156801 e 236879), Messico per il sostegno finanziario. Grazie a U. Winnberg (ITAM e ITESM) per le discussioni scientifiche.

ATTENZIONE: I prodotti chimici utilizzati in questa procedura catalitico sono relativamente bassa tossicità e non cancerogeno. Si prega di utilizzare tutte le precauzioni di sicurezza appropriate durante l&#39;esecuzione di questa procedura sperimentale, come occhiali, guanti, camice da laboratorio, pantaloni a figura intera e scarpe chiuse. Una parte delle seguenti procedure comporta tecniche di manipolazione standard di libera-aria. 1. L&#39;attivazione del catalizzatore (HKUST-1) <ol><li> Cristallinità Caratterizzazione del catalizzatore Nota: HKUST-1 è un polimero coordinamento porosa disponibile in commercio (catalizzatore). Per corroborare la cristallinità del catalizzatore, campioni di HKUST-1 devono essere caratterizzati mediante diffrazione di raggi X da polveri (PXRD). <ol><li> Raccogliere un modello PXRD di 0,1 g campione di HKUST-1 (su un diffrattometro operante a 160 W (40 kV, 40 mA)) per Cu-Kα 1 radiazioni (λ = 1,5406 Å) in geometria Bragg-Brentano. Registrare un modello PXRD da 5 ° a 60 ° (2θ) a 0.02 e #176; passi e 1 sec tempo 44 il conteggio. </li></ol></li><li> Desolvatazione di HKUST-1 <ol><li> Pesare 0,05 g del catalizzatore (HKUST-1). </li><li> Bloccare 250 ml a due colli pallone a fondo tondo a un supporto e inserire una barra di agitazione magnetica nel pallone a fondo tondo. </li><li> Attaccare un condensatore al pallone a fondo rotondo. </li><li> Utilizzare alcuni grasso per vuoto o nastro di teflon tra le articolazioni del pallone e condensatore per generare una perfetta tenuta. </li><li> Collegare il condensatore, dall&#39;alto, di una pompa a vuoto (tramite un rubinetto ad un tubo). </li><li> Assicurarsi che il vuoto generato dalla pompa è di circa 10 -2 bar. Nota: Per convenienza, questo sperimentale istituito (il pallone a due colli a fondo tondo collegata ad un condensatore, che è collegato ad una pompa a vuoto) verranno chiamati come il sistema di attivazione. </li><li> Posizionare il catalizzatore (0,05 g) nel pallone a fondo tondo da 250 ml a due colli. </li><li> Inserire un setto di gomma nella seconda colloil pallone a fondo tondo e assicurarsi che sigilla (attacchi) correttamente. </li><li> Con cautela, inserire il sistema di attivazione in un bagno di sabbia. </li><li> Avviare la pompa del vuoto e ruotare con cautela il rubinetto di arresto fino a quando non è completamente aperto. Con una piastra calda, riscaldare il sistema di attivazione a 100 ° C per 1 ora. </li><li> Mescolare alla velocità più bassa della piastra, in modo da distribuire omogeneamente il catalizzatore al fondo del pallone a fondo tondo. </li><li> Spegnere il fuoco (piastra calda) dopo 1 ora di riscaldamento, e lasciare che il sistema di attivazione raffreddare a temperatura ambiente (sotto vuoto). </li><li> Una volta che il sistema di attivazione è raffreddato a temperatura ambiente, ruotare il rubinetto off (quindi, il sistema di attivazione sarebbe sotto vuoto passiva) e spegnere la pompa. </li><li> Collegare un pallone riempito di azoto (N 2), attraverso il setto, al pallone a fondo tondo a due colli e attendere alcuni secondi per raggiungere la pressione di equilibrio. Nota: Dopo l&#39;attivazione del catalizzatore, lasciare under atmosfera inerte (N 2) poiché l&#39;accesso ai siti metallici non coordinati (o siti metallo aperte) è la chiave per ottenere un catalizzatore attivo. </li><li> Rimuovere il palloncino riempito con N 2, quando è stata raggiunta la pressione di equilibrio. si osserva una variazione di colore dal turchese (come-ricevuta HKUST-1) al blu scuro (in caso di attivazione): Nota. </li></ol></li></ol> 2. Sintesi di vanillina mediante catalisi eterogenea <ol><li> Degasaggio del solvente organico <ol><li> Degas circa 70 ml di etanolo facendo gorgogliare N 2 per 5 min. </li></ol></li><li> Preparazione della reazione catalitica <ol><li> Aggiungere 10 ml di etanolo degasato al pallone a due colli e mescolare delicatamente la sospensione su un piatto caldo. </li><li> Aggiungere 5 ml di H 2 O 2 (30% in H 2 O) alla sospensione. </li><li> Aggiungere 0,25 ml di acetonitrile alla sospensione. </li><li> Pesare 0,50 g di acido ferulico e scioglierlo in20 ml di etanolo degasato in un becher. </li><li> Aggiungere l&#39;acido ferulico disciolto alla sospensione. </li><li> Lavare il becher con 20 ml di etanolo degasato e aggiungerlo alla sospensione. </li></ol></li><li> L&#39;ossidazione di Trans-acido ferulico a vanillina <ol><li> Scollegare il tubo che collega il condensatore alla pompa a vuoto. </li><li> Accendere l&#39;acqua del rubinetto che passa attraverso il condensatore. Preferibilmente, utilizzare una pompa dell&#39;acqua. </li><li> Riscaldare la sospensione fino a 100 ° C (a ricadere) per 1 ora. </li><li> Spegnere il fuoco e agitazione. Sollevare con cautela il pallone a due colli a fondo tondo (attaccato al condensatore) e lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente. </li></ol></li><li> Work-up della reazione <ol><li> Filtrare fuori dalla miscela di reazione (utilizzare un imbuto Buchner e pallone), recuperare il catalizzatore (HKUST-1) e lavarlo con 200 ml di acetato di etile. Nota: Al fine di accelerare il processo di filtrazione, utilizzare un aspirapolvere (collegata al pallone Buchner) per recuperare rapidamente e lavare il catalyst. </li><li> Confermano il mantenimento del quadro cristallinità del catalizzatore da PXRD come nella sezione 1. </li><li> Concentrare le fasi organiche combinate (sotto vuoto con un evaporatore rotante) e ri-sciogliere con 100 ml di etile acetato. </li><li> Lavare le fasi organiche (utilizzare un imbuto di separazione) con una soluzione satura di NH 4 Cl (30 ml). </li><li> Recupero le fasi organiche e mescolarle con anidra Na 2 SO 4 (30 g). Lasciare riposare la sospensione per 15 min. </li><li> Filtrare la sospensione off e recuperare il filtrato. </li><li> Concentrare il filtrato (a circa 20 ml) sotto vuoto con un evaporatore rotante. </li></ol></li><li> La purificazione del residuo (vanillina) <ol><li> Purificare il residuo dal flash cromatografia su colonna 44. La fase stazionaria è gel di silice e la fase mobile è una miscela solvente di acetato di etile-esano (5:95). </li><li> Riempire la colonna di vetro per cromatografia (1 cm x 30 cm) con gel di silice(1 cm x 6 cm). Saturare la colonna con acetato-esano (5:95) miscela solvente. </li><li> Versare attentamente la-filtrato concentrato nella parte superiore della colonna di vetro. </li><li> Aggiungere lentamente la miscela di solventi nella colonna di vetro e raccogliere tutte le frazioni fino a 1.200 ml vengono raccolti. </li><li> Concentrare le frazioni organiche (1.200 ml) con un evaporatore rotante fino a secchezza. </li><li> Recuperare la polvere solida finale che è la vanillina purificata. </li></ol></li></ol>

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</ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Il passo fondamentale per la conversione catalitica di acido trans -ferulic alla vanillina è stata l&#39;attivazione del catalizzatore (HKUST-1). Se il catalizzatore non attivato in situ (sotto vuoto a 100 ° C), solo conversione parziale dell&#39;acido trans -ferulic di vanillina stata osservata 44. In altre parole, l&#39;accessibilità per aprire siti metallici è cruciale per il ciclo catalitico 44, e questo può essere ottenuto mediante l&#39;eliminazione di acqua coordin...

L&#39;uso di polimeri di coordinazione porosi (PCPs) come catalizzatori eterogenei 1-4 è relativamente nuovo campo di ricerca. A causa delle proprietà molto interessanti che PCPs mostrano, ad esempio, la regolarità porosa, elevata area superficiale e di accesso in metallo, possono offrire nuove alternative per catalizzatori eterogenei 5-6. La generazione di PCPs cataliticamente attivi è stato l&#39;obiettivo principale di molti gruppi di ricerca 7-10. Un polimero coordinamento poroso è costituito da ioni metallici e linker organici e quindi, l&#39;attività catalitica di questi materiali è fornita da una qualsiasi di queste parti. Alcuni PCPs contengono metalli insaturi (attive) che può catalizzare una reazione chimica 11. Tuttavia, la generazione di siti metallici insaturi (siti metallo aperto) all&#39;interno polimeri di coordinazione non è un compito banale e rappresenta una sfida sintetico che può essere riassunto in: (i) la generazione di coordinamento vacante rimozione di leganti labili 7-11;(Ii) la generazione di PCPs bimetallici incorporando ligandi organometallici (precedentemente sintetizzati) 8,12-13; (Iii) la variazione post-sintetica degli ioni metallici 9,14-15 oa leganti organici 10, 16-17 all&#39;interno dei pori della PCP. Poiché il metodo (i) è il più semplice quindi, è il più utilizzato. Tipicamente, la generazione di siti metallici aperti è stato usato per migliorare l&#39;affinità di PCPs verso H 2 18-19, così come per la progettazione di catalizzatori eterogenei attivi 20-27. Al fine di raggiungere buone proprietà del catalizzatore, PCPs bisogno di mostrare, in aggiunta alla accessibilità dei siti metallici aperta, mantenimento della cristallinità dopo l&#39;esperimento catalitico, relativamente elevata stabilità termica e stabilità chimica alle condizioni di reazione. HKUST-1 (Cu 3 (BTC) 2 (H 2 O) 3, BTC = 1,3,5-benzene-tricarbossilato) 7 èun polimero ben studiato poroso coordinamento costruito con Cu cationi (II), che sono coordinati ai leganti carbossilato e acqua. È interessante notare che queste molecole d&#39;acqua possono essere eliminati (per riscaldamento) e questo fornisce un coordinamento planare quadrato intorno gli ioni di rame che presentano duri proprietà acidi di Lewis 11. Bordiga e collaboratori 28 hanno mostrato che l&#39;eliminazione di queste H 2 O molecole non influenzava la cristallinità (ritenzione della regolarità) e lo stato di ossidazione degli ioni metallici (Cu (II)) non è stata influenzata. L&#39;uso di HKUST-1 come catalizzatore è stato ampiamente studiato 29-33 e in particolare (molto rilevante per il presente lavoro) ossidazione con acqua ossigenata di molecole aromatiche 34. Vaniglia è uno degli agenti aromatizzanti più utilizzati nelle industrie cosmetiche, farmaceutiche ed alimentari. Esso viene estratto dai chicchi guarito l&#39;orchidea Vanilla planifolia, Vanilla tahitiensis e vaniglia Pompon. Le civiltà maya e aztechi (persone precolombiane) prima capito l&#39;enorme potenziale di vaniglia come agente aromatizzante in quanto migliora il sapore di cioccolato 35-37. Vanilla è stato isolato nel 1858 38 e non è stato fino al 1874 39 che la struttura chimica di vanillina è stato finalmente determinato. L&#39;estrazione naturale della vanillina (dal orchidea Vanilla planifolia, Vaniglia tahitiensis e vaniglia pompon) rappresenta solo l&#39;1% della produzione mondiale e dal momento che questo processo è costoso e molto lunga 40, il resto della vanillina viene sintetizzata 40. Molti approcci biotecnologici può essere utilizzato per la sintesi di vanillina da lignina, stilbeni fenolici, isoeugenolo, eugenolo, guaicol, ecc, tuttavia, questi approcci hanno lo svantaggio di danneggiare l&#39;ambiente in quanto questi processi utilizzano forti agenti ossidanti e solventi tossici 41-43. Qui, we rEport una strategia sintetica per la produzione di vanillina mediante ossidazione dell&#39;acido trans -ferulic usando HKUST-1 come catalizzatore.

<table><tbody><tr><td>HKUST-1</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>MFCD10567003</td><td></td></tr><tr><td>Acido ferulico (acido trans-4-idrossi-3-metossicinnamico)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>537-98-4</td><td></td></tr><tr><td>Etanolo</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>64-17-5</td><td></td></tr><tr><td>Soluzione di perossido di idrogeno</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>7722-84-1</td><td></td></tr><tr><td>Acetonitrile</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>75-05-8</td><td></td></tr><tr><td>Acetato di etile</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>141-78-6</td><td></td></tr><tr><td>Cloruro di ammonio</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>12125-02-9</td><td></td></tr><tr><td>Solfato di sodio anidro</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>7757-82-6</td><td></td></tr><tr><td>Acetato di etile</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>141-78-6</td><td></td></tr><tr><td>n-esano</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>110-54-3</td><td></td></tr><tr><td>Gel di silice</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>112926-00-8</td><td>Formato 70/230</td></tr><tr><td>Pallone a fondo tondo a due colli da 250 ml</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z516872-1EA</td><td>Capacità 250 ml</td></tr><tr><td>Barra di agitazione magnetica</td><td>Bel-Art prodotti</td><td>371100002</td><td>Teflon, ottagono</td></tr><tr><td>Condensatore</td><td>Cole-Parmer</td><td>JZ-34706-00</td><td>200 mm Lunghezza della giacca</td></tr><tr><td>Pompa a vuoto (circa 10-2 bar)</td><td>Cole-Parmer</td><td>JZ-78162-00</td><td>Rubinetto di arresto della pompa a membrana vuoto/pressione</td></tr><tr><td></td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-30600-00</td><td>con tubo flessibile maschio Luer slip</td></tr><tr><td></td><td>Cole-Parmer</td><td>JZ-06602-04</td><td>16,0 mm ID e 23,2&nbsp; mm ED</td></tr><tr><td>Settini in gomma</td><td>Cole-Parmer</td><td>JZ-08918-34</td><td>Silicone con rivestimento in PTFE</td></tr><tr><td>Piastra riscaldante</td><td>Cole-Parmer</td><td>JZ-04660-15</td><td>10,2 cm x 10,2 cm, da 5 a 540 &deg; C</td></tr><tr><td>Bagno di sabbia</td><td>Cole-Parmer</td><td>GH-01184-00</td><td>Bagno di sabbia fluidizzato SBS-4, da 50 a 600 gradi C</td></tr><tr><td>N2 gas</td><td>INFRA</td><td>Cod. 103</td><td>Bombola 9&nbsp; m3</td></tr><tr><td>Ballons (riempito con gas N2)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z154989-100EA</td><td>Siringhe in gomma di lattice naturale a parete spessa</td></tr><tr><td>con aghi rimovibili</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z116912-100EA</td><td>Capacità 10 ml</td></tr><tr><td>Carta da filtro</td><td>Cole-Parmer</td><td>JZ-81050-24</td><td>Carta da filtro qualitativa di grado n. 235 (disco di 90 mm di diametro)</td></tr><tr><td>Imbuto Buchner</td><td>Cole-Parmer</td><td>JZ-17815-04</td><td>Capacità di 320 ml che accetta filtri di carta di dimensioni standard</td></tr><tr><td>Pallone Buchner</td><td>Cole-Parmer</td><td>JZ-34557-02</td><td>Capacità di 250 ml</td></tr><tr><td>Evaporatore rotante</td><td>Cole-Parmer</td><td>JZ-28710-02</td><td></td></tr><tr><td>Becher</td><td>Cole-Parmer</td><td>JZ-34502-(02,04,05)</td><td>Pyrex Brand 1000 Grifone; Imbuto di separazione da 20, 50 e 100 ml</td></tr><tr><td>&nbsp;</td><td>Cole-Parmer</td><td>JZ-34505-44</td><td>Capacità per 125 ml con lunghezza del vapore di 60 mm</td></tr><tr><td>Colonna in vetro per cromatografia</td><td>Cole-Parmer</td><td>JZ-34695-42</td><td>Colonna con disco fritte, 10,5 mm ID x 250 mm</td></tr><tr><td>L PXRD diffrattometro</td><td>Bruker</td><td></td><td>AXS D8 Advance XRD</td></tr><tr><td>FTIR spettrofotometro</td><td>Thermo scientific</td><td>FT-IR (JZ-83008-02); ATR (JZ-83008-26)</td><td>Spettrometro Nicolet iS5 FT-IR, con finestre KBr e iD5 Diamond ATR</td></tr></tbody></table>

hkust-1 come catalizzatore eterogeneo per la sintesi di vanillina

HKUST-1 as a Heterogeneous Catalyst for the Synthesis of Vanillin

Vanillina (4-idossi-3-methoxybenzaldehyde) è il componente principale dell&#39;estratto di vaniglia. Il profumo vaniglia naturale è una miscela di circa 200 diversi composti odorizzanti oltre a vanillina. L&#39;estrazione naturale della vanillina (dal orchidea Vanilla planifolia, Vaniglia tahitiensis e vaniglia pompon) rappresenta solo l&#39;1% della produzione mondiale e dal momento che questo processo è costoso e molto lungo, il resto della produzione di vanillina viene sintetizzata. Molti approcci biotecnologici possono essere utilizzati per la sintesi di vanillina da lignina, stilbeni fenoliche, isoeugenolo, eugenolo, guaicol, ecc, con lo svantaggio di danneggiare l&#39;ambiente poiché questi processi utilizzano forti agenti ossidanti e solventi tossici. Così, alternative eco-compatibili per la produzione di vanillina sono molto desiderabile e quindi, sotto inchiesta. polimeri di coordinazione porosi (PCP) sono una nuova classe di materiali altamente cristalline che rectemente sono stati utilizzati per la catalisi. HKUST-1 (Cu 3 (BTC) 2 (H 2 O) 3, BTC = 1,3,5-benzene-tricarbossilato) è un PCP ben noto che è stato ampiamente studiato come un catalizzatore eterogeneo. Qui riportiamo una strategia sintetica per la produzione di vanillina mediante ossidazione dell&#39;acido trans -ferulic usando HKUST-1 come catalizzatore.

Tre campioni rappresentativi di HKUST-1 sono stati analizzati mediante spettroscopia infrarossa: non attivato, attivato a 100 ° C per 1 ora in un forno (esposizione all&#39;aria), e attivi sotto vuoto (10 -2 bar) a 100 ° C per 1 hr. Così, trasformata di Fourier (FTIR) spettri sono stati registrati con uno spettrometro con una sola riflessione diamante ATR accessorio (Figura 1). Per tutti gli spettri, 64 scansioni nel 4000 a 400 cm -1 gamma sono stat...

La conversione dell'acido trans-ferulico in vanillina è stata ottenuta mediante catalisi eterogenea. HKUST-1 è stato impiegato in questa sintesi e il passaggio essenziale nel processo catalitico è stata la generazione di siti metallici insaturi. Pertanto, quando il catalizzatore è stato attivato sotto vuoto, si è ottenuta la conversione completa della vanillina (resa del 95%).

HKUST-1 come catalizzatore eterogeneo per la sintesi di vanillina

Vanillin (4-hydoxy-3-methoxybenzaldehyde) is the main component of the extract of vanilla bean. The natural vanilla scent is a mixture of approximately ...

L'obiettivo generale di questa metodologia è la conversione dell'acido trans-ferulico in vanillina mediante catalisi eterogenea utilizzando il polimero di coordinazione poroso HKUST-1. Il passaggio essenziale nel processo catalitico è la generazione di siti metallici insaturi nell'HKUST-1. Questi metodi possono aiutarci a rispondere a domande fondamentali nel campo della catalisi eterogenea, come nella produzione della vanillina, uno degli aromatizzanti più utilizzati al mondo.Il vantaggio principale di questa tecnica è che forniamo un protocollo sperimentale per convertire cataliticamente l'acido ferulico in vanillina in condizioni di ossidazione blande. Le implicazioni di questa tecnica si estendono all'uso di polimeri di coordinazione porosi come catalizzatori. In generale, le persone nuove rispetto a questo metodo incontreranno difficoltà, poiché l'attivazione del materiale HKUST-1 è fondamentale.La procedura sarà dimostrata da Rebeca Yepez, una studentessa laureata del mio laboratorio. Per caratterizzare la cristallinità del catalizzatore, acquisire lo spettro di diffrazione di raggi X in polvere di un campione di 0,1 grammi di HKUST-1, come descritto nel protocollo testuale.

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HKUST-1 come catalizzatore eterogeneo per la sintesi di vanillina

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