グリーンと環境に配慮した最適化

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2803 (2023) この記事を引用

1568 アクセス

1 引用

4 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ボールミル粉砕された貝殻は、ナノバイオ複合触媒および固定 CO2 を含むアラゴナイト微結晶形態の CaCO3 の天然源として、5 水準 3回転可能な外接中央複合デザインを採用。 貝殻ナノバイオ複合材料は、無溶媒条件下で酢酸とイソアミルアルコールから酢酸イソアミルを合成するためのグリーンで環境に優しい、優れた不均一多機能触媒であることが証明されています。 以下の最適条件下で 91% の高収率が得られました: アルコール:酢酸のモル比 (1:3.7)、触媒添加量 (15.7 mg)、反応温度 (98 °C)、および反応時間 (219 分) ）。 このプロトコルの優れた利点は、適切な熱安定性を備え、危険な試薬を使用するいかなる改変も行わずに、安価で天然に存在し、容易に調製できるナノバイオ複合材料を使用すること、より低い触媒添加量および反応温度、腐食性ブレンステッド酸を使用しないこと、および腐食性のブレンステッド酸を使用しないことである。有毒な共沸溶媒や水吸着剤を使用せず、手順が簡単です。

環境問題と人間や生物への直接的な影響に関して、手順、安全かつ適切な触媒、試薬、溶媒に至るまで、環境に優しく原子効率の高い化学物質の設計、開発、応用は、学界と産業界の両方から大きな注目を集めています。グリーンで持続可能な化学の原則を採用しています1、2、3、4、5。 ボールミリング技術や、ナノバイオ複合材料とバイオポリマーを含む不均一触媒システムの使用は、これらの興味深い有用な手順または概念の一部です。 ボールミル粉砕は、ナノバイオ複合材料の調製における興味深い、環境に優しい機械的技術です。 これは、ナノバイオ複合材料の従来の調製方法と比較して、環境に優しい供給源から新しいナノ構造材料を製造するための刺激的な選挙です。 この方法には、環境廃棄物の大幅な減少、ナノ粒子の同時生成と均一な分散、無機ナノ粒子のコーティング、並行プロセス（表面グラフト化、埋め込み、重合）の可能性などの利点があり、これらは特に次のような場合に適しています。生分解性ポリマー。 さらに、ナノ粒子をその場で作成し、有機分子と活性化されたナノ粒子の両方の間の化学反応を促進する可能性、および無溶媒条件の使用は、この技術のもう1つの重要な利点を表しています6、7、8、9、10。

カルボン酸とアルコールのエステル化は、学術的および工業的な観点から見て、最も重要かつ直接的かつ挑戦的な反応の 1 つです 11,12。 エステルは主に、対応する酸とアルコールまたはハロゲン化アルキルとの反応によって生成されます。これらの反応では、それぞれ伝統的に酸または塩基の触媒条件が使用されます13。 実際、酸性条件下でのエステル化は通常、可逆的で遅い反応であり、達成するにはより多量のアルコールが必要です。 したがって、アルコール濃度が低い場合、変換には長時間の反応が必要となります14,15。 興味深いことに、短鎖エステルは、潤滑剤、可塑剤、医薬品、化粧品、飲料、香料、溶剤、食品保存料などの化学産業のさまざまな分野で広く使用されている重要な有機化合物です16、17、18。 これらは通常、炭素原子 10 個未満の鎖長を持つ短鎖の酸とアルコールから生成されます19。 これらの重要なエステルの 1 つは酢酸イソアミル (3-メチルブチル エタノエート) で、医薬品、化粧品、香水、ナッツアイス、飲料、キャンディー、ベーカリー製品、その他の食品業界で広く使用されています。 このエステルの他の用途としては、ミツバチ農場での警報フェロモンとしての用途や、ペニシリンの抽出などがあります16、19、20、21。 さらに、酢酸イソアミルは高い抗真菌・抗菌・抗微生物作用を有し、大腸菌などの各種微生物や酵母菌の増殖を阻害・不活化する効果があります22。 世界的な人口増加とその食物連鎖を考えると、これらの用途は非常に重要です。 市販のエステルの多くは天然源から抽出することも、発酵によって製造することもできますが、これらの方法で得られる製品は生産量が少なく、価格が高くなります。 したがって、カルボン酸のエステル化を含む、より便利で低コストの代替プロセスの需要が高まっています 23,24。 カルボン酸とアルコールのエステル化には通常、化学合成経路を介して H2SO4、HCl、HF、H3PO4、p-トルエンスルホン酸などの均一酸触媒が必要です25。 これらの触媒は多くの場合安価ですが、毒性、腐食、分離の難しさなどの欠点があります26。 この点において、不均一系触媒システムが均一系触媒システムに代わる適切な選択肢として浮上している。 それらは、生成物の高純度、触媒の分離、回収の容易さ、無溶媒条件下での反応の可能性など、多くの利点を提供します27、28、29。 文献レビューによると、酢酸とイソアミルアルコールから酢酸イソアミルを製造するためのさまざまな不均一系触媒系が提案されている。 例えば、プロライト CT-175、アンバーリスト-15 またはアンバーライト IR-120 などの陽イオン交換樹脂、ジルコニアに担持されたリンタングステン酸またはモリブドリン酸、スルホン酸を含むポリ（ビニルアルコール）、カンジダ アンタークティカ固定化リパーゼ、樹脂上のカンジダ アンタークティカリパーゼ B Purolite@MN102、シリカゲルマトリックス上に固定化されたBacillus aeriusリパーゼ30,31,32,33,34,35、ハイブリッド膜プロセス36、ポリオキソメタレートベースのスルホン化イオン液体37、β-MnO2ナノロッド38が挙げられる。 また、1-スルホブチル-3-メチルイミダゾリウム硫酸水素塩（[HSO3bmim][HSO4]）、トリヘキシル（テトラデシル）ホスホニウムカチオン、混合塩化物およびビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミドアニオンなどの酸性イオン液体も報告されています39。 これらの方法のほとんどでは、酢酸イソアミルの最適な合成のための反応速度因子のみが研究されています。 さらに、これらのプロトコルの一部には、触媒の多量の装填や有機溶媒の使用などの困難があります 32、34、35。 一方、これらの手順のいくつかでは、酢酸イソアミルの生成を最適化するために実験計画が使用されています 30,31。 この方向に沿って、さまざまな生体高分子が不均一触媒系または複合材料のサポートとして多くの関心を集めています。 特に、キチン (ポリ[β-(1 → 4)-N-アセチル-D-グルコサミン]、多糖類ファミリーのメンバー) などの生体高分子は、セルロースに次いで 2 番目に豊富な資源としてランク付けされており、数千トンの生産量と推定されるもの、またはその脱アシル化製品（キトサン）は、この目的で非常に人気があります40、41、42、43、44、45、46。 デンプン、セルロース、アルギン酸塩、コラーゲン、フィブロイン、羊毛などの他の生体高分子も、対応するナノバイコンポジット触媒系で同様の役割を示す可能性があります40,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56。 57.