Valorization of carbohydrates using polar aprotic solvents and acid Beta catalysts

Abstract

Dependence on fossil fuels depletes resources and harms the environment, necessitating the search for ecologically acceptable and viable alternatives. Biorefineries are proposed as a potential replacement for traditional refineries, using biomass residues as feedstock for chemical synthesis. Acid Beta zeolite catalysts are effective in converting carbohydrates from sustainable biomass into various value-added compunds ¹,² this study investigated the effects of synthesis, characterization, solvent, and acid on the catalytic performance of materials in converting carbohydrates to lactic acid (LA), 5-hydroxymethylfurfural, difructose anhydride (DFA), and 1,6-anhydrosugars. We developed a method for Sn-Beta zeolite synthesis using heptane as a solvent during grafting, achieving over 2% tin content without detectable extraframework tin oxide. Water is essential for producing LA, from C6 sugars using Sn-Beta as a catalyst. Additionally, acetone-H₂O versus gamma-valerolactone (GVL)-H₂O improved LA yield at similar conversion. At 76% conversion, acetone-water 9:1 displayed a 36% yield towards LA versus 18% in GVL-water 9:1. Acetone not only improves the yield to LA but is cheaper, reduces the yields of formic and acetic acid and is easier to separate from the product mixture. On the other hand, the use of pure GVL shifts the product distribution towards dehydrated molecules, yielding DFA from fructose and 1,6-anhydrosugars from aldohexoses. Maximum yields were 75% of DFA at 94% of fructose conversion and 73% of 1,6-anhydromannose yield at 91% of mannose conversion. Both Lewis and Brønsted acid Beta catalysts are effective. To our knowledge, this study is the first to report the production of 1,6-anhydrosugars and DFA from fructose and aldohexoses, respectively, in pure GVL using acid Beta zeolites. This work underscores the importance of solvent selection in catalytic biomass conversion processes and provides novel insights into producing value-added chemicals from carbohydrates.

La dependencia de los combustibles fósiles contribuye tanto al agotamiento de los recursos como al daño ambiental, siendo necesario buscar alternativas ecológicas y viables. Las biorrefinerías se postulan como alternativa a las refinerías tradicionales al usar residuos de biomasa como materia prima para la síntesis de compuestos químicos.¹,² Los catalizadores acídicos Beta son eficaces para convertir los carbohidratos derivados de la biomasa en productos de alto valor añadido.¹ Se investigó los efectos de la síntesis, caracterización, solvente y ácido sobre el rendimiento catalítico de materiales en la conversión de carbohidratos a ácido láctico (LA), 5-hidroximetilfurfural, anhídrido de difructosa (DFA) y 1,6-anhidroazúcares. Desarrollamos un método para la síntesis de zeolita Sn-Beta utilizando heptano como disolvente, lográndose un contenido de estaño superior al 2%, sin presencia de óxido de estaño extrareticular. El agua es esencial para producir LA, a partir de azúcares C6 utilizando Sn-Beta. La mezcla acetona-H₂O mejoró el rendimiento de LA frente a gamma-valerolactona (GVL)-H₂O a una conversión similar. A una conversión del 76 %, acetona-agua 9:1 mostró un rendimiento del 36 % hacia LA frente al 18 % en GVL-agua 9:1. La acetona no solo mejora el rendimiento a LA sino es más barata, reduce los rendimientos de ácido fórmico y acético y es más fácil de separar de la mezcla de productos. El uso de GVL puro dirige la reacción hacia la formación de moléculas deshidratadas, produciendo DFA y 1,6-anhidroazúcares a partir de fructosa y aldohexosas, respectivamente. Los catalizadores con acidez Lewis y Brønsted catalizan la deshidratación. Hasta donde sabemos, este estudio es el primero en informar de la producción de 1,6-anhidroazúcares y DFA a partir de aldohexosas y fructosa, respectivamente, en GVL puro. Este trabajo subraya la importancia de la selección de disolventes en los procesos catalíticos de conversión de biomasa y proporciona conocimientos novedosos sobre la producción de sustancias químicas con valor añadido a partir de carbohidratos.