Procesos catalíticos heterogéneos que emplean hidrogenación e hidrogenólisis para la obtención de productos valiosos y biocombustibles

Abstract

En este proyecto se propone desarrollar procesos catalíticos en fase líquida que empleen H2 para obtener productos químicos valiosos, tanto en el campo de la química fina como en el de los biocombustibles. La metodología experimental integra la preparación, caracterización y ensayo de los catalizadores en las siguientes reacciones de interés: 1) Síntesis de aminas insaturadas a partir de nitrilos insaturados e H2. El desafío científico consiste en: a) hidrogenar selectivamente el grupo nitrilo (-CN) a amina (-NH2) en presencia de un enlace olefínico (C=C); b) evitar la condensación de las aminas primarias para formar aminas secundarias y terciarias. Se estudiará la influencia de la sustitución y la posición del doble enlace C=C en los nitrilos insaturados sobre la selectividad del catalizador hacia las aminas primarias insaturadas, sustancias de alto valor en química fina. 2) Obtención de 2,5-dimetilfurano a partir de 5-hidroximetilfurfural e H2. Aquí el foco de la temática se centra en la búsqueda de alternativas energéticas renovables para el sector transporte, mediante la producción de biocombustibles a partir de materias primas derivadas de biomasa. Una molécula plataforma para la obtención de biocombustibles es el 5-hidroximetilfurfural (HMF), obtenido a partir de hexosas y pentosas provenientes de la hidrólisis de biomasa lignocelulósica. Se estudiará la hidrogenación e hidrogenólisis del HMF para obtener 2,5-dimetilfurano (DMF), el cual se considera un promisorio biocombustible líquido con características de densidad energética, número de octanos y emisiones similares a la gasolina. 3) Producción de valerato de pentilo a partir de gama-valerolactona, pentanol e H2. En este caso, la molécula plataforma derivada de biomasa es la gama-valerolactona (GVL), la cual puede ser convertida sobre sistemas catalíticos bifuncionales metal/ácido en presencia de pentanol y por la acción reductora del H2 en valerato de pentilo (PV). Este éster muestra una mejor volatilidad que los FAMEs y presenta algunas ventajas en lo que respecta a lubricidad y propiedades de flujo a baja temperatura, pudiéndode mezclar con un corte diesel tradicional hasta una proporción del 20% en PV sin modificar la eficiencia del motor ni las emisiones. La producción de PV desde GVL, pentanol e H2 requiere desarrollar un sistema catalítico bifuncional, que promueva la hidrogenación del intermediario 2-pentenoato de pentilo a PV, sin catalizar otras reacciones indeseables.

In this project, the development of liquid phase catalytic processes based on the use of H2 to obtain valuable chemicals, both in the field of fine chemistry and in that of biofuels, will be studied. The experimental methodology comprises the preparation, characterization and testing of solid catalysts in the following reactions of interest:1) Synthesis of unsaturated amines from unsaturated nitriles and H2.Unsaturated amines are valuable intermediates in fine chemistry. The scientific challenge consists of: a) selectively hydrogenating the nitrile (-CN) group to amine (-NH2) in the presence of an olefinic bond (C=C); b) avoiding condensation of primary amines to form secondary and tertiary amines. The influence of the substitution and the position of the C=C double bond in unsaturated nitriles on the selectivity of the catalyst towards unsaturated primary amines will be studied. 2) Production of 2,5-dimethylfuran from 5-hydroxymethylfurfural and H2. Here, the study is focused on the search of renewable energy alternatives for the transport sector through the production of biofuels from biomass-derived raw materials. In this sense, 5-hydroxymethylfurfural (HMF), obtained from hexoses and pentoses coming from the hydrolysis of lignocellulosic biomass, has been identified as a relevant platform molecule for producing biofuels. The hydrogenation and subsequent hydrogenolysis of HMF will be studied to obtain 2,5-dimethylfuran (DMF), which is considered a promising liquid biofuel with gasoline-like characteristics such as energy density, octane number and emissions. 3) Production of pentyl valerate from gamma-valerolactone, pentanol and H2. In this case, the biomass-derived platform molecule is the gamma-valerolactone (GVL), which can be converted over bifunctional metal/acid catalysts, in the presence of pentanol, and by the reducing action of H2 into pentyl valerate (PV). This ester shows a better volatility than FAMEs and has some advantages in terms of lubricity and low temperature flow properties, being able to be blended with traditional diesel up to a proportion of 20% in PV without modifying the efficiency or emissions of the engine. The PV production from GVL, pentanol and H2 requires developing a bifunctional catalytic system, which promotes hydrogenation of the intermediate pentyl 2-pentenoate to PV, without catalyzing other undesirable reactions.