Optimisation du vert et de l’environnement

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2803 (2023) Citer cet article

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Les coquillages broyés à boulets, en tant que catalyseur nano-biocomposite et source naturelle de CaCO3 sous sa forme microcristalline d'aragonite avec du CO2 fixe, ont été optimisés pour la synthèse de l'acétate d'isoamyle (éthanoate de 3-méthylbutyle) par une méthodologie de surface de réponse avec un triple niveau à cinq niveaux. conception composite centrale circonscrite rotative à facteur. Le nano-biocomposite de coquillages s'est révélé être un excellent catalyseur multifonctionnel hétérogène pour la synthèse verte et respectueuse de l'environnement d'acétate d'isoamyle à partir d'acide acétique et d'alcool isoamylique dans des conditions sans solvant. Un rendement élevé de 91 % a été obtenu dans les conditions optimales suivantes : rapport molaire alcool : acide acétique (1 : 3,7), charge de catalyseur (15,7 mg), température de réaction (98 °C) et temps de réaction (219 min). ). Les avantages exceptionnels de ce protocole sont l'utilisation d'un matériau nano-biocomposite peu coûteux, naturel et facile à préparer, ayant une stabilité thermique appropriée et sans aucune modification utilisant des réactifs dangereux, une charge de catalyseur et une température de réaction inférieures, aucune utilisation d'acides de Bronsted corrosifs ainsi que solvants azéotropiques toxiques ou adsorbants d'eau, et simplicité de la procédure.

En ce qui concerne les préoccupations environnementales et leur influence directe sur les humains et les organismes vivants, la conception, le développement et l'application de produits chimiques respectueux de l'environnement et efficaces en termes d'atomes à partir de procédures, de catalyseurs, de réactifs et de solvants sûrs et appropriés ont reçu une attention considérable de la part du monde universitaire et de l'industrie. avec les principes de la chimie verte et durable1,2,3,4,5. La technique du broyage à boulets et l’utilisation de systèmes catalytiques hétérogènes contenant des nano-biocomposites et des biopolymères font partie de ces procédures ou concepts intéressants et utiles. Le broyage à boulets est une technique mécanique intéressante et verte dans la préparation de nano-biocomposites. Il s’agit d’une élection passionnante pour la fabrication de nouveaux matériaux nanostructurés à partir de sources respectueuses de l’environnement par rapport aux méthodes conventionnelles de préparation de nano-biocomposites. Cette méthode présente les avantages, notamment la forte diminution de l'élimination environnementale, la création synchrone et la dispersion homogène de nanoparticules, l'enrobage de nanoparticules inorganiques et la possibilité de processus parallèles (greffage de surface, enrobage et polymérisation), qui sont particulièrement adaptés dans le cas de polymères biodégradables. De plus, la possibilité de créer in situ des nanoparticules et de favoriser des réactions chimiques entre les molécules organiques et les nanoparticules activées ainsi que l'utilisation de conditions sans solvant représentent un autre avantage important de cette technique6,7,8,9,10.

L'estérification d'acides carboxyliques avec des alcools est l'une des réactions les plus importantes, les plus simples et les plus difficiles, tant du point de vue académique qu'industriel11,12. Les esters sont principalement produits à partir de réactions entre les acides correspondants et les alcools ou halogénures d’alkyle qui utilisent traditionnellement des conditions de catalyse acide ou basique, respectivement13. En effet, l’estérification dans des conditions acides est généralement une réaction réversible et lente, qui nécessite l’obtention d’une quantité d’alcool plus élevée. Par conséquent, dans le cas d’une faible concentration d’alcool, la conversion nécessite une réaction longue durée14,15. Il est intéressant de noter que les esters à chaîne courte sont des composés organiques importants qui sont largement utilisés dans différents domaines de l’industrie chimique tels que les lubrifiants, les plastifiants, les produits pharmaceutiques, les cosmétiques, les boissons, les parfums, les solvants et les conservateurs alimentaires16,17,18. Ils sont généralement produits à partir d’acides et d’alcools à chaîne courte dont la longueur de chaîne est inférieure à 10 atomes de carbone19. L'un de ces esters importants est l'acétate d'isoamyle (éthanoate de 3-méthylbutyle), qui est largement utilisé dans les industries médicinales, cosmétiques, de parfums, de glaces aux noix, de boissons, de bonbons, de produits de boulangerie et d'autres industries alimentaires. D'autres applications de cet ester concernent les fermes d'abeilles mellifères, comme phéromone d'alarme, ainsi que l'extraction de pénicilline16,19,20,21. De plus, l'acétate d'isoamyle possède une activité antifongique, antibactérienne et antimicrobienne élevée et est efficace pour inhiber et désactiver la croissance de divers micro-organismes et levures tels que Escherichia coli22. Ces applications sont très importantes en raison de la croissance démographique mondiale et de sa chaîne alimentaire. Même si un grand nombre d'esters commerciaux peuvent être extraits de sources naturelles ou produits par fermentation, les produits obtenus par ces méthodes ont de faibles volumes et des prix élevés. Par conséquent, des procédés alternatifs plus pratiques et moins coûteux, notamment l’estérification des acides carboxyliques, sont très demandés23,24. L'estérification des acides carboxyliques avec des alcools implique généralement des catalyseurs acides homogènes tels que H2SO4, HCl, HF, H3PO4 et l'acide p-toluènesulfonique via une voie de synthèse chimique25. Bien que ces catalyseurs soient souvent peu coûteux, ils présentent des inconvénients tels que la toxicité, la corrosion et la difficulté de leur séparation26. À cet égard, les systèmes catalytiques hétérogènes sont apparus comme une alternative appropriée aux systèmes homogènes. Ils offrent de nombreux avantages, notamment une plus grande pureté des produits, une séparation facile, une récupération des catalyseurs et la possibilité de réactions dans des conditions sans solvant27,28,29. Une revue de la littérature montre que divers systèmes catalytiques hétérogènes ont été présentés pour la production d'acétate d'isoamyle à partir d'acide acétique et d'alcool isoamylique. Par exemple, des résines échangeuses de cations telles que la purolite CT-175, l'Amberlyst-15 ou l'Amberlite IR-120, l'acide tungstophosphorique ou molybdophosphorique supporté sur de la zircone, l'alcool polyvinylique contenant de l'acide sulfonique, la lipase immobilisée de Candida antarctica, la lipase B de Candida antarctica sur résine. On peut citer Purolite@MN102, la lipase de Bacillus aerius immobilisée sur une matrice de gel de silice30,31,32,33,34,35, le procédé à membrane hybride36, le liquide ionique sulfoné à base de polyoxométalate37 et les nanotiges de β-MnO238. En outre, des liquides ioniques acides tels que l'hydrogénosulfate de 1-sulfobutyl-3-méthylimidazolium ([HSO3bmim][HSO4]), le cation trihexyl(tétradécyl)phosphonium et un mélange de chlorure et d'anion bis(trifluorométhylsulfonyl)imide ont été signalés39. Dans la plupart de ces méthodes, seuls les facteurs cinétiques pour la synthèse optimale de l’acétate d’isoamyle ont été étudiés. De plus, certains de ces protocoles présentent des difficultés telles qu’une charge élevée en catalyseur et l’utilisation de solvants organiques32,34,35. D'autre part, quelques-unes de ces procédures ont utilisé un plan expérimental afin d'optimiser la production d'acétate d'isoamyle 30,31. Dans cette optique, différentes macromolécules biopolymériques ont suscité beaucoup d'intérêt, comme support, dans des systèmes catalytiques hétérogènes ou dans des matériaux composites. En particulier, les macromolécules bioploymériques telles que la chitine (poly[β-(1 → 4)-N-acétyl-D-glucosamine] ; membre de la famille des polysaccharides), classée deuxième ressource la plus abondante après la cellulose avec une consommation annuelle sa production estimée à plusieurs milliers de tonnes, ou son produit désacylé (chitosane) sont très appréciés à cet effet40,41,42,43,44,45,46. D'autres biopolymères, notamment l'amidon, la cellulose, les alginates, le collagène, la fibroïne et la laine, pourraient jouer un rôle similaire dans les systèmes catalytiques nano-bicomposites correspondants40,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56, 57.