Catalytic transformations of glycerol via hydroxyacetone into nitrogen heterocycles of industrial interest

Abstract

[ES] La presente tesis doctoral aborda el desarrollo de nuevos procesos catalíticos centrados en la valorización del glicerol, subproducto principal en la síntesis de biodiesel. El objetivo principal del trabajo consiste en utilizarlo como fuente de carbono para la producción de heterociclos nitrogenados de interés industrial, en concreto, para la producción de 2-metilpiperazina y 2-metilpirazina. Debido a la baja reactividad del glicerol y las drásticas condiciones de reacción que serían necesarias para llevar a cabo las transformaciones a estos heterociclos, se ha planteado como paso previo el estudio de la optimización y el entendimiento del proceso de deshidratación selectiva de glicerol a hidroxiacetona (o acetol). A través de la obtención de este compuesto intermedio, se han podido desarrollar procesos de producción de los heterociclos nitrogenados eficientes y selectivos, en condiciones de reacción moderadas. A este respecto, los precursores de hidrotalcitas del tipo Cu-Mg-Al dan lugar a una familia de materiales basados en óxidos mixtos Cu-Mg-Al capaces de llevar a cabo la deshidratación selectiva de glicerol a acetol en continuo con rendimientos del ¿40%. Además, estos catalizadores son estables durante más de 8 horas, mostrando también excelente capacidad de regeneración y reusabilidad. Del mismo modo, la combinación de centros ácido-base y redox exhibida por estos materiales ha permitido, a través de la combinación de estudios catalíticos y de caracterización, avanzar en el estado del arte en lo que respecta a la comprensión de esta reacción de deshidratación catalítica de glicerol. De esta forma, se ha podido comprobar el papel fundamental de las especies de Cu y, en concreto de las especies Cu(I) presentes en los catalizadores, en la generación de gliceraldehido como intermedio clave para la producción de acetol. Del mismo modo, los centros ácidos del catalizador facilitan la primera adsorción del glicerol, acelerando así la reacción. No obstante, la necesidad de alcanzar productividades de acetol más elevadas para asegurar el éxito de la estrategia global motivó el desarrollo y estudio, en este proceso de deshidratación selectiva de glicerol en continuo, de una segunda familia de catalizadores basados en óxido de cobre soportado sobre diferentes óxidos metálicos (SiO2, Al2O3 y ZrO2), combinando centros ácidos de Lewis y una alta exposición del Cu. La adecuada selección y optimización de estos materiales lleva a lograr, con varios de ellos, rendimientos del 60% a acetol con concentraciones de glicerol en la alimentación mucho más elevadas. Una vez establecidos varios sistemas catalíticos para la producción de acetol, se abordó la producción de los heterociclos nitrogenados de interés a partir de la combinación de esta molécula con etilendiamina. En concreto, el catalizador Pd/TiO2-Al2O3 tiene alta actividad específica hacia la formación de 2-metilpiperazina (80% de rendimiento), gracias a su elevada exposición de centros de Pd insaturados, crítica para activar el doble enlace C=N y así proceder a la hidrogenación de las iminas intermedias. En segundo lugar, el catalizador CuO/Al2O3-npw, muestra rendimientos del 50% a la 2-metilpirazina, siendo posible alcanzar valores cercanos al 60% cuando se usa el método de precipitación-deposición por micelas en fase reversa para incorporar las nanopartículas de CuO. Finalmente, se llevó a cabo una prueba de concepto para la síntesis de 2-metilpirazina a partir de glicerol en un reactor multi-lecho especialmente diseñado para realizar las dos etapas del proceso en "one-pot" con el mismo catalizador basado en CuO-soportado, obteniéndose resultados prometedores. En definitiva, se han establecido dos nuevas rutas catalíticas para la producción de heterociclos nitrogenados con glicerol como la principal fuente de carbono a través de su derivado acetol, abriéndose así nuevas perspectivas en el campo de la valorización sostenible de moléculas derivadas de biomasa.

[CA] La present tesi doctoral aborda el desenvolupament de nous processos catalítics centrats en la valorització del glicerol, subproducte principal en la síntesi de biodièsel, utilitzant-lo com a font de carboni per a la producció d'heterocicles nitrogenats d'interès industrial. En concret, per a la producció de 2-metilpiperazina i 2-metilpirazina. A causa de la baixa reactivitat del glicerol i les dràstiques condicions de reacció que serien necessàries per a dur a terme les transformacions a aquests heterocicles, s'ha plantejat com a pas previ un estudi detallat escometent l'optimització i l'enteniment del procés de deshidratació selectiva de glicerol a hidroxiacetona (o acetol). A través de l'obtenció d'aquest compost intermedi, s'han desenvolupat processos de producció dels heterocicles nitrogenats eficients i selectius, en condicions de reacció moderades. Referent a això, els precursors hidrotalcítics Cu-Mg-Al donen com a resultat una família de materials basats en òxids mixtos Cu-Mg-Al capaços de dur a terme la deshidratació selectiva de glicerol a acetol en continu amb rendiments del 40%. Així mateix, aquests catalitzadors són estables durant més de 8 hores, mostrant a més una excel·lent regenerabilitat i reusabilitat. De la mateixa manera, la combinació de centres àcid-base i redox exhibida per aquests materials ha permès, a través de la combinació d'estudis catalítics i de caracterització, avançar significativament en l'estat de l'art pel que fa a la comprensió d'aquesta reacció catalítica. D'aquesta manera, s'ha pogut comprovar el paper fonamental del Cu i, en concret del Cu(I), en la generació de gliceraldehid com a intermedi de reacció clau. Per altra banda, els centres àcids del catalitzador faciliten la primera adsorció del reactiu, accelerant així la reacció. No obstant això, la necessitat d'aconseguir productivitats de acetol més elevades per a assegurar l'èxit de l'estratègia global va motivar l'ús, en aquest procés de deshidratació selectiva de glicerol en continu, d'una segona família de catalitzadors basats en òxid de coure suportat sobre diferents òxids inorgànics d'alta àrea (SiO2, Al2O3 i ZrO2), combinant centres àcids de Lewis i una alta exposició del Cu. L'adequada selecció i optimització d'aquests materials aconsegueix, amb alguns d'ells, rendiments del 60% a acetol amb concentracions de glicerol en l'alimentació molt més elevades. Una vegada establits diversos sistemes catalítics per a la producció d'acetol, es va abordar la producció dels heterocicles nitrogenats d'interès a partir de la combinació d'aquesta molècula amb etilendiamina. En concret, el catalitzador Pd/TiO2-Al2O3 té una alta activitat específica cap a la formació de 2-metilpiperazina (80% de rendiment), gràcies a la seua elevada exposició de centres de Pd insaturats, crítica per a activar el doble enllaç C=N i així procedir a la hidrogenació de les imines intermèdies. En segon lloc, s'ha pogut comprovar que, en presència d'un catalitzador principalment àcid contenint Cu, és possible realitzar la dehidrociclació d'acetol amb etilendiamina per a obtindre 2-metilpirazina i altres alquilpirazinas. Concretament, el catalitzador CuO/Al2O3-npw, mostra rendiments del 50% a la 2-metilpirazina, sent possible aconseguir valors pròxims al 60% quan s'utilitza el mètode de precipitació-deposició per micel·les en fase revessa per a incorporar les nanopartícules de CuO. Finalment, es va dur a terme una prova de concepte per a la síntesi de 2-metilpirazina a partir de glicerol en un reactor multi-llit especialment dissenyat per realitzar les dues etapes del procés en "one-pot" amb el mateix catalitzador basat en CuO-suportat, amb resultats prometedors. D'aquesta manera, s'han establit dues noves rutes catalítiques per a la producció d'heterocicles nitrogenats amb glicerol com a la principal font de carboni, a través del seu derivat acetol obrint així noves perspectives en l'àmbit de la valorització sostenible de les molècules derivades de la biomassa.

[EN] This doctoral thesis addresses the development of new catalytic processes centered on glycerol valorization, which is the main by-product of biodiesel synthesis. In this sense, the main aim focused on using it as a carbon source to generate nitrogen heterocycles of industrial interest, specifically, to produce 2-methylpiperazine and 2-methylpyrazine. Due to the low reactivity of glycerol and the severe reaction conditions necessary to carry out the transformations towards these N-heterocycles, previous detailed research to optimize and understand the selective dehydration process of glycerol to hydroxyacetone (or acetol) was undertaken. Through obtaining this intermediate compound, it has been possible to develop efficient and selective nitrogen heterocycles production processes, under moderate reaction conditions. In this regard, Cu-Mg-Al hydrotalcite precursors give rise to a family of materials based on Cu-Mg-Al mixed oxides capable of carrying out the selective dehydration of glycerol to acetol continuously with yields of 40%. In addition, these catalysts are stable for more than 8 hours under operational conditions, showing excellent regeneration capacity and reusability. In the same way, through the combination of catalytic and characterization studies, the interesting mix of acid-base and redox centers exhibited by these materials has allowed for advancing significantly in the state of the art regarding understanding this glycerol catalytic dehydration reaction. Hence, it has been possible to verify the fundamental role of Cu species and, specifically, Cu(I) species present in the catalysts, in the generation of glyceraldehyde as a critical reaction intermediate for acetol production. Similarly, the acid centers of the catalyst facilitate the first adsorption of glycerol, thus accelerating the reaction. However, the need to achieve higher acetol productivities from glycerol to stand a chance to succeed in the overall strategy motivated the development and study of a second family of catalysts based on copper oxide supported on different metal oxides (SiO2, Al2O3 and ZrO2) combining Lewis acid centers and high Cu exposure. The proper selection and optimization of these materials lead to reaching, with several of them, yields of 60% to acetol with much higher glycerol concentrations in the starting feed. Once several catalytic systems had been established to produce acetol, the generation of the nitrogen heterocycles of interest from the combination of this molecule with ethylenediamine was investigated. Specifically, the Pd/TiO2-Al2O3 catalyst presents high specific activity when forming 2-methylpiperazine (80% yield). These excellent results could be attributed to the enhanced exposure of unsaturated Pd centers observed in this material, critical for activating the C=N double bond and thus proceeding to the hydrogenation of the intermediate imines. Secondly, the CuO/Al2O3-npw catalyst yields 50% to 2-methylpyrazine, reaching values close to 60% when the precipitation-deposition method by micelles in reverse phase is used to incorporate the CuO nanoparticles. Finally, a proof of concept of 2-methylpyrazine synthesis starting from glycerol by using a specially designed multi-bed catalytic reactor to perform the two-steps process in one-pot with the same CuO-supported catalyst was assayed, with promising results. In summary, two new catalytic routes have been established to produce nitrogen heterocycles with glycerol as the main carbon source through its derivative hydroxyacetone, thus opening new perspectives in the field of sustainable valorization of biomass-derived molecules.