ES2581324T3

ES2581324T3 - Isomerización de azúcares

Info

Publication number: ES2581324T3
Application number: ES11832883.0T
Authority: ES
Inventors: Manuel Moliner-Marin; Yuriy Roman-Leshkov; Mark E. Davis; Eranda Nikolla
Original assignee: California Institute of Technology CalTech
Current assignee: California Institute of Technology CalTech
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2016-09-05
Anticipated expiration: 2031-01-14
Also published as: US20110207923A1; EP2526109B2; US8729256B2; EP2526109A4; WO2012050625A3; EP2526109A2; ES2581324T5; EP3067362A1; WO2012050625A2; KR20120109630A; KR101848794B1; EP2526109B1

Abstract

Un procedimiento para isomerizar el monosacárido glucosa que comprende poner en contacto la glucosa en medio acuoso con un catalizador de zeolita Beta que contiene estaño (Sn) o titanio (Ti) incorporados en el entramado de la zeolita Beta.

Description

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En otros métodos descritos en el presente texto, el catalizador puede ser una zeolita que contiene estaño o titanio incorporado en el entramado de la zeolita. Por ejemplo, el catalizador puede ser una zeolita de alto contenido en sílice que contiene estaño o titanio incorporado en el entramado de la zeolita.

En varios de los métodos descritos en el presente texto, el catalizador incluye zeolita beta. Generalmente, la zeolita beta es una zeolita definida por la topología *BEA, cuyas características se exponen, por ejemplo, en el Atlas of Zeolite Framework Types, Sexta Edición (Baerlocher et al., 2007). También se contemplan otras zeolitas conocidas en la técnica. La elección de la zeolita depende del tamaño, entramado, forma, y componentes apropiados, dependiendo de la reacción que se ha de catalizar, de las sustancias reaccionantes y de los productos. Por ejemplo, cuando la reacción que se ha de catalizar es la isomerización de la glucosa para formar fructosa, es deseable una zeolita con tamaños de poro capaces de admitir la glucosa y la fructosa, por ejemplo la zeolita beta. Sustancias reaccionantes y productos más grandes precisarían materiales con poros proporcionalmente mayores.

En otros métodos descritos en el presente texto, el catalizador incluye zeolitas tales como TS-1, que es un material de silicato de titanio con la topología MFI. También se contemplan otras diversas zeolitas de poro grande y extragrande, por ejemplo CIT-1, ZSM-12, SSZ-33, SSZ-26, CIT 5, o FAU de alto contenido de sílice.

En otros métodos descritos en el presente texto, el material poroso es un material de sílice mesoporosa ordenada. Por ejemplo, un monosacárido se isomeriza, entre otras cosas, poniendo en contacto el monosacárido en medio acuoso con un material de sílice mesoporosa ordenada que contiene estaño o titanio, incorporado en el entramado del material. El material de sílice mesoporosa puede ser, por ejemplo, MCM-41, SBA-15, TUD-1, HMM-33 o FSM

16.

En otros métodos más que se describen en el presente texto, el catalizador se pone en contacto con el monosacárido en solución acuosa, entendiendo una solución en la que el disolvente es agua. Los catalizadores descritos en el presente texto pueden ponerse en contacto con monosacárido en otros disolventes, por ejemplo alcoholes, aunque, como se describe en otra parte en el presente texto, la elección del disolvente afecta significativamente al resultado de la reacción química.

En otros métodos descritos en el presente texto, el catalizador se pone en contacto con un hidrato de carbono. Por ejemplo, el catalizador puede ponerse en contacto con un monosacárido, un disacárido, un trisacárido, un oligosacárido o un polisacárido. Además, se puede poner en contacto cualquier combinación de hidratos de carbono con el catalizador, según sea apropiado. Además, pueden ponerse en contacto con el catalizador los hidratos de carbono de cualquier quiralidad.

Cuando el hidrato de carbono es un monosacárido, el monosacárido puede ser una aldosa, tal como una aldotriosa, una aldotetrosa, una aldopentosa o una aldohexosa. En particular, las aldosas pueden incluir gliceraldehído, eritrosa, treosa, ribosa, arabinosa, xilosa, lixosa, alosa, altrosa, glucosa, manosa, gulosa, idosa, galactosa o talosa.

También cuando el hidrato de carbono es un monosacárido, el monosacárido puede ser una cetosa, tal como una cetotriosa, una cetotetrosa, una cetopentosa o una cetohexosa. En particular, las cetosas pueden incluir dihidroxiacetona, eritrulosa, ribulosa, xilulosa, psicosa, fructosa, sorbosa, o tagatosa.

Otros monosacáridos y derivados de los mismos pueden también ponerse en contacto con los catalizadores descritos en el presente texto, incluyendo piranosas, furanosas, amino azúcares, y similares.

Cuando el hidrato de carbono es un disacárido, el disacárido puede ser cualquier combinación de monosacáridos, por ejemplo sacarosa, lactulosa, lactosa, maltosa, trehalosa, celobiosa, kojibiosa, nigerosa, isomaltosa, soforosa, laminarbiosa, gentiobiosa, turanosa, maltulosa, palatinosa, gentiobiulosa, manobiosa, melibiosa, melibulosa, rutinosa, rutinulosa o xilobiosa.

Las mezclas de hidratos de carbono también pueden ponerse en contacto con los catalizadores descritos en el presente texto, incluidas las mezclas de hidratos de carbono que son el subproducto de las reacciones de hidrólisis de materiales de biomasa, tales como el almidón y la celulosa, por ejemplo la maltosa y la celobiosa. Además, los oligosacáridos y polisacáridos pueden ponerse en contacto con los catalizadores descritos en el presente texto, por ejemplo fructo-oligosacáridos y galacto-oligosacáridos, así como almidones, celulosas, y quitinas.

En otros métodos descritos en el presente texto, el medio acuoso incluye entre aproximadamente 0,001 por ciento en peso de monosacáridos y la solubilidad máxima del monosacárido en el medio a la temperatura elegida. Por ejemplo, el medio acuoso puede incluir entre aproximadamente 0,001 por ciento en peso de monosacárido y aproximadamente 50 por ciento en peso de monosacárido, o entre aproximadamente 10 por ciento en peso de monosacárido y aproximadamente 50 por ciento en peso de monosacárido. El medio acuoso puede incluir también entre aproximadamente 25 por ciento en peso de monosacárido y aproximadamente 50 por ciento en peso de monosacárido. Son industrialmente deseables concentraciones más altas a causa de la mayor utilización del equipo de procesamiento, entre otras razones. La concentración de monosacárido en particular seleccionada depende en parte de la solubilidad del monosacárido seleccionado.

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En otros métodos descritos en el presente texto, el producto de la isomerización del monosacárido es después deshidratado. Por ejemplo, la deshidratación puede realizarse para formar derivados de furano útiles como productos químicos intermedios. Como ejemplo adicional, la glucosa se convierte en 5-hidroximetilfurfural (HMF), entre otras cosas, poniendo en contacto la glucosa en medio acuoso con una zeolita de alto contenido de sílice que contiene estaño o titanio, incorporada en el entramado de la zeolita, teniendo la zeolita poros capaces de admitir la glucosa, para proporcionar fructosa y después deshidratar la fructosa.

En otros aspectos que combinan isomerización y deshidratación que se describen en el presente texto, el catalizador incluye zeolitas tales como Beta. También se tienen en consideración otras diversas zeolitas de poro grande y poro extragrande, por ejemplo CIT-1, ZSM-12, SSZ-33, SSZ-26, CIT-5, o FAU alta en sílice. En otros métodos que combinan isomerización y deshidratación descritos en el presente texto, el material poroso es un material de sílice mesoporosa ordenada. Por ejemplo, un monosacárido se isomeriza, entre otras cosas, poniendo en contacto el monosacárido en medio acuoso con un material de sílice mesoporosa ordenada que contiene estaño o titanio, incorporado en el entramado del material. El material de sílice mesoporosa puede ser, por ejemplo, MCM-41, SBA15, TUD-1, HMM-33 o FSM-16.

En otros aspectos adicionales descritos en el presente texto, el producto de la isomerización de monosacárido puede ser mantenido en el medio acuoso mientras que es deshidratado. Por ejemplo, la fructosa puede mantenerse en el medio acuoso mientras fue deshidratada. Este procedimiento ofrece la ventaja de eliminar la necesidad de una etapa de separación, en vez de llevar a cabo las reacciones tanto de isomerización como de deshidratación en el mismo medio acuoso. Los métodos descritos en el presente texto son particularmente adecuados para un procedimiento de este tipo, porque ciertos catalizadores de isomerización descritos en el presente texto son estables en las condiciones necesarias para la deshidratación.

En general, la deshidratación de sacáridos para formar derivados de furano está bien estudiada, y en particular se conoce en la técnica la deshidratación de fructosa para formar HMF. En ciertos métodos descritos en el presente texto, la deshidratación del producto de la reacción de isomerización se lleva a cabo en presencia de un catalizador ácido. Por ejemplo, el catalizador puede ser un ácido inorgánico disuelto en el medio acuoso, tal como HCl. El catalizador también puede ser, por ejemplo, un catalizador ácido sólido tal como una zeolita de alto contenido de sílice protonada que tiene una topología *BEA. Pueden ser útiles también otras fuentes de ácido, tales como resinas de intercambio catiónico, ácidos de Lewis, materiales de sílice-alúmina, materiales de titania-alúmina, ácidos minerales, heteropoliácidos, ácido nítrico, ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido bórico, ácido oxálico, ácido levulínico, ácido cítrico, óxido de niobio, fosfato de vanadio o fosfato de niobio.

Las reacciones de isomerización y de deshidratación se pueden llevar a cabo secuencialmente o simultáneamente,

o alguna combinación de las dos. Por ejemplo, un monosacárido se pone en contacto con un catalizador de isomerización y un catalizador de deshidratación en solución acuosa, ambas reacciones pueden proceder juntas. En un ejemplo en particular, si la glucosa se pone en contacto con un catalizador de isomerización en una solución acuosa ácida, la glucosa reacciona primero para formar fructosa y después para formar HMF. Las condiciones de reacción en particular pueden ser, entre otras, cualquiera de las condiciones descritas en relación con la isomerización.

En algunos métodos que combinan la isomerización y la deshidratación descritos en el presente texto, el pH del medio acuoso está entre aproximadamente 0 y aproximadamente 4. En otros métodos descritos en el presente texto, el pH del medio acuoso está entre aproximadamente 0 y aproximadamente 2. En otros métodos que combinan isomerización y deshidratación descritos en el presente texto, el medio acuoso comprende una sal, por ejemplo que incluye un catión que podría ser cualquier metal, por ejemplo sodio, potasio, magnesio, calcio, litio u otros. La sal puede incluir igualmente un anión tal como acetato, alquilfosfato, alquilsulfato, carbonato, cromato, citrato, cianuro, formiato, glicolato, haluro, hexafluorofosfato, nitrato, nitrito, óxido, fosfato, sulfato, tetrafluoroborato, tosilato, triflato o bis-trifluorosulfonimida. Por ejemplo, la sal puede ser cloruro de sodio, cloruro de potasio, cloruro de magnesio, o bromuro de potasio.

En otros métodos descritos en el presente texto, la isomerización se lleva a cabo a una temperatura entre aproximadamente 50 °C y aproximadamente 250 °C. La elección de la temperatura influye en la cinética de reacción, así como en la conversión y en la selectividad. Dependiendo de la composición de la solución acuosa, la temperatura máxima para la reacción puede depender de si el reactor está presurizado y, si es así, a qué presión. Por ejemplo, la isomerización puede llevarse a cabo a una temperatura entre aproximadamente 90 °C y aproximadamente 180 °C. Como ejemplo adicional, la isomerización puede llevarse a cabo a una temperatura entre aproximadamente 90 °C y aproximadamente 140 °C. En caso de ser posible, pueden ser deseables temperaturas más bajas para conservar la energía.

En otros métodos descritos en el presente texto, la isomerización puede llevarse a cabo durante menos de aproximadamente 90 minutos. En general, se debe dejar que una reacción continúe el tiempo suficiente para alcanzar la conversión deseada. Pueden ser deseables tiempos de reacción más cortos desde un punto de vista industrial por razones de eficacia. Por ejemplo, la isomerización puede llevarse a cabo durante menos de aproximadamente 60 minutos, o menos de aproximadamente 30 minutos. Otra razón para usar tiempos de reacción más cortos es el potencial de acumulación de productos de degradación indeseables.

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En otros métodos descritos en el presente texto, la combinación reacción de isomerización-deshidratación puede llevarse a cabo en un sistema bifásico, por ejemplo como se describe en la patente de EE. UU. nº 7.572.925. Un sistema bifásico implica dos fases líquidas sustancialmente inmiscibles, una acuosa y una orgánica. Un sistema bifásico, en principio, ofrece ventajas para la conversión, selectividad y eficacia de la purificación. En esta solicitud, la isomerización del sacárido tiene lugar en la fase acuosa, al igual que la deshidratación del producto de isomerización. Por ejemplo, tanto la isomerización de la glucosa a fructosa como la deshidratación de la fructosa a HMF tienen lugar en la fase acuosa. Además, los catalizadores para cada una de esas reacciones se proporcionan en la fase acuosa. El producto de deshidratación, por ejemplo HMF, se extrae después en la capa orgánica. Así, por ejemplo, el medio acuoso se puede poner en contacto con un medio orgánico capaz de extraer HMF del medio acuoso, en donde el medio orgánico es sustancialmente inmiscible con el medio acuoso. Esto mantiene la capa acuosa relativamente libre de HMF, mejorando así el rendimiento de la reacción de deshidratación, y proporciona un producto de HMF en un estado relativamente puro en la capa orgánica, simplificando así la purificación. Así, por ejemplo, en algunos métodos descritos en el presente texto, el HMF se produce en el medio acuoso, y se extrae del medio acuoso al medio orgánico a medida que se produce.

Puede utilizarse una amplia variedad de disolventes para el medio orgánico, por ejemplo cualquier alcohol, éter o cetona inmiscible en agua, lineal, ramificado o cíclico, o un hidrocarburo alifático o aromático no sustituido, o un hidrocarburo alifático o aromático sustituido con halo, o mezclas de cualquiera de los anteriores. Por ejemplo, en algunos aspectos descritos en el presente texto, el medio orgánico incluye 1-butanol o THF. Algunos componentes de la capa orgánica pueden incluir compuestos que son algo miscibles con agua. Otros componentes del medio orgánico descritos incluyen, por ejemplo, DMSO, DMF, N-metilpirrolidinona, acetonitrilo, acetona, butanona, pentanona, hexanona, heptanona, y similares.

En otros métodos descritos en el presente texto, se combinan varias reacciones con el fin de convertir el almidón en HMF. Como es bien conocido en la técnica, el almidón puede ser hidrolizado por ácido para formar glucosa. De acuerdo con esta descripción, la isomerización de la glucosa usando catalizadores descritos en el presente texto se comporta bien en condiciones ácidas. Así pues, se describen métodos en el presente texto para la conversión de almidón en 5-hidroximetilfurfural, entre otras cosas, hidrolizando el almidón en ácido para proporcionar la glucosa en un medio acuoso ácido, poniendo en contacto la glucosa en medio acuoso con una zeolita de alto contenido de sílice que contiene estaño o titanio, incorporados en el entramado de la zeolita, teniendo la zeolita poros capaces de admitir la glucosa, para proporcionar fructosa, y deshidratando la fructosa. Estas tres reacciones se pueden combinar, por ejemplo, se describen métodos que incluyen mantener la glucosa en el medio acuoso ácido, mientras se pone en contacto con zeolita de elevado contenido de sílice para proporcionar fructosa. Y del mismo modo se describen métodos que incluyen mantener la fructosa en el medio acuoso ácido, mientras que se deshidrata para proporcionar 5-hidroximetilfurfural. Como otro ejemplo más, las tres reacciones se llevan a cabo en un recipiente, en solución acuosa, con lo que el reactivo inicial es el almidón y el producto final es HMF.

En otros métodos descritos en el presente texto, la conversión de almidón en HMF se puede efectuar en un sistema bifásico, por ejemplo de acuerdo con la patente de Estados Unidos nº 7.572.925. Todas las variaciones y descripción aplicables a la reacción de isomerización y a la combinación de las reacciones de isomerización y de deshidratación, bien sea en solución acuosa o en un sistema bifásico, son aplicables al sistema almidón a HMF. Así, por ejemplo, el medio acuoso ácido se pone en contacto con un medio orgánico capaz de extraer 5-hidroximetilfurfural del medio acuoso ácido, en donde el medio orgánico es sustancialmente inmiscible con el medio acuoso. Y en un ejemplo más, se produce 5-hidroximetilfurfural en el medio acuoso ácido, y se extrae del medio acuoso al medio orgánico a medida que se produce.

Ejemplos y otras realizaciones

Ejemplo 1

Se preparó zeolita Ti-Beta de la forma que sigue: 7,503 g de solución de hidróxido de tetraetilamonio (Sigma-Aldrich, 35% en peso en agua) se diluyeron con 15 g de agua. Después se añadieron 7,016 g de tetraetilortosilicato (Sigma-Aldrich, 98% en peso) y 0,201 g de titanio (IV) isopropóxido (Sigma-Aldrich, 97% en peso) a la solución. La mezcla se agitó hasta la hidrólisis completa del tetraetilortosilicato y del titanio (IV) isopropóxido, permitiendo la evaporación del etanol, isopropanol y agua requerida hasta la relación de agua deseada. Finalmente, se añadieron 0,670 g de solución de HF (Mallinckrodt, 52 % en peso en agua), dando como resultado un gel espeso.

La composición del gel era SiO2/0,021 TiO2/0,54 TEAOH/0,53 HF/6,6 H2O. Este gel se transfirió a un autoclave de acero inoxidable revestido de teflón y se calentó a 140 °C durante 14 días. Los sólidos se recuperaron por filtración, se lavaron minuciosamente con agua, y se secaron a 100 °C durante la noche. El material sólido muestra la topología de la zeolita Beta (véase el patrón de XRD de Ti-Beta en la Figura 7). El sólido se calcina a 580 °C durante 6 horas para eliminar el contenido orgánico situado en el material cristalino. El espectro de reflectancia difusa de UVvis de la muestra calcinada indica la presencia de una banda única en ~ 200 -250 nm, que puede ser asignada a Ti coordinado tetraédricamente en el entramado de la zeolita (véase Ti-Beta en la Figura 6).

Ejemplo 2

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Material: Metal Si/metal

TS-1 [2]: Ti 34,7

Ti-Beta: Ti 53,8

Ti-MCM-41 [3]: Ti 64,4

MCM-41-sililada [4]: Ti 64,4

Sn-Beta: Sn 70,2

Sn-MCM-41 [5]: Sn 71,8

La síntesis de estos materiales se describe como se expone en los Ejemplos 1 -5, de acuerdo con la bibliografía que se indica: [1] Corma, A. et al, J. Phys. Chem. C, 2009, 113 (26), pp 11306 a 11315.; [2] C. B. Khouw, H. X. Li y

M. E. Davis, Micropor. Mater. 2. (1994), p. 425; [3] Blasco et al., J. Catal., 1995, 156, p. 65; [4] la muestra de Ti

5 MCM-41 se trató con hexametildisilazano para cerrar los silanoles en la superficie; [5] Corma, A. et al., ARKIVOC, 2005, ix, p. 124.

Se recogieron los patrones de difracción de rayos X /XRD) de polvos usando un difractómetro Scintag XDS 2000 que usa radiación Cu Ka. La microscopía electrónica de barrido (SEM) con medidas de espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS) se registró en un LEO 1550 VP FE SEM a una alta tensión de electrones (EHT) de 10

10 kV. Las medidas de UVVis se registraron utilizando un espectrofotómetro Cary 3G equipado con una célula de reflectancia difusa.

Ejemplo 7

Se llevaron a cabo experimentos de isomerización de glucosa en reactores de vidrio de paredes gruesas (VWR) de 10 mlse calentados en un baño de aceite de temperatura controlada puesto sobre una placa caliente digital de 15 agitación (Fisher Scientific). En un experimento típico se añadieron al reactor 1,5 g de una solución acuosa compuesta de 10% en peso de glucosa y la correspondiente cantidad de catalizador para lograr una relación molar

1: 50 de metal:glucosa (típicamente ~ 70 mg), y se cerró herméticamente. El reactor se puso en el baño de aceite y se retiró en momentos concretos. La reacción se detuvo enfriando el reactor en un baño de hielo, y se tomaron pequeñas partes alícuotas para el análisis. Los análisis de las muestras se realizaron por medio de cromatografía de

20 líquidos de alto rendimiento (HPLC) usando un sistema Agilent 1200 (Agilent Technologies Corp.) equipado con PDA UV (320 nm) y detectores evaporativos de dispersión de luz (ELS). Las concentraciones de glucosa y fructosa se controlaron con una columna Phenomenex RHM (Phenomenex), usando agua ultrapura (pH = 7) como fase móvil a una velocidad de flujo de 0,55 ml/min y una temperatura de columna de 353 °K.

Ejemplo 8

25 La tabla que sigue resume los resultados de los experimentos de isomerización de la glucosa:

Entrada: Catalizador Disolvente Temperatura °C Tiempo (min) Conversión de glucosa (%) Selectividad para fructosa (%)

1a: - H2O 110 0 0

1b: - H2O 110 15 1,5 0

1c: - H2O 110 45 1,8 0

1d: - H2O 110 90 3,4 0

2a: HCl (pH = 2) H2O 110 0 0

2b: HCl (pH = 2) H2O 110 15 1 0

2c: HCl (pH = 2) H2O 110 45 1,4 0

2d: HCl (pH = 2) H2O 110 90 2 0

3a: Ti-Beta H2O 110 0 0

3b: Ti-Beta H2O 110 15 10,5 82,8

3c: Ti-Beta H2O 110 45 17,9 80,4

3d: Ti-Beta H2O 110 90 24,7 65

4a: Ti-Beta/HCl (pH=2) H2O 110 0 0

4b: Ti-Beta/HCl (pH=2) H2O 110 15 6,9 95

4c: Ti-Beta/HCl (pH=2) H2O 110 45 15 90

4d: Ti-Beta/HCl (pH=2) H2O 110 90 21,1 81,8

5a: Sn-Beta H2O 110 0 0

5b: Sn-Beta H2O 110 15 27,4 98

5c: Sn-Beta H2O 110 45 49,7 92

5d: Sn-Beta H2O 110 90 61,7 81,7

6a: Sn-Beta/HCl (pH=2) H2O 110 0 0

6b: Sn-Beta/HCl (pH=2) H2O 110 15 25 95

6c: Sn-Beta/HCl (pH=2) H2O 110 45 45,6 95

6d: Sn-Beta/HCl (pH=2) H2O 110 90 62 77,9

7a: - H2O 140 0 0

7b: - H2O 140 90 5,5 9

8a: HCl (pH = 2) H2O 140 0 0

8b: HCl (pH = 2) H2O 140 90 7 6,3

9a: Ti-Beta H2O 140 0 0

9b: Ti-Beta H2O 140 15 35,3 65

9c: Ti-Beta H2O 140 45 44,1 68,3

9d: Ti-Beta H2O 140 60 47,5 67,1

10a: Sn-Beta H2O 140 0 0

10b: Sn-Beta H2O 140 5 32,3 98

10c: Sn-Beta H2O 140 10 43,4 96,9

10d: Sn-Beta H2O 140 15 51,1 95,1

10e: Sn-Beta H2O 140 30 72,3 70,1

11a: - DMSO 140 0 0

11b: - DMSO 140 15 11,4 0

11c: - DMSO 140 45 67,9 0

11d: - DMSO 140 150 81 0

12a: HCl (pH = 2) DMSO 140 0 0

12b: HCl (pH = 2) DMSO 140 15 71,1 0

12c: HCl (pH = 2) DMSO 140 45 77,3 0

13a: Sn-Beta DMSO 140 0 0

13b: Sn-Beta DMSO 140 15 16,6 0

13c: Sn-Beta DMSO 140 45 67,2 0

13d: Sn-Beta DMSO 140 150 81,6 0

14a: Sn-Beta(HCl (pH = 2) DMSO 140 0 0

14b: Sn-Beta(HCl (pH = 2) DMSO 140 15 69,3 0

14c: Sn-Beta(HCl (pH = 2) DMSO 140 45 77,6 0

Se examinó una serie de materiales que contienen distintos centros ácidos de Lewis en relación con su actividad en

la reacción de isomerización de la glucosa. Las pruebas incluyeron centros metálicos de tántalo (Ta), estaño (Sn), y

titanio (Ti) incorporados en el entramado de una zeolita Beta de poro grande, Ti en una zeolita de poro medio (TS-1)

5 y Sn y Ti en un soporte silíceo mesoporoso ordenado (SBA 15). Como se observa en la Figura 16, Sn-Beta y Ti-Beta

mostraron la actividad de isomerización más elevada bajo estas condiciones, alcanzando las conversiones de

glucosa por encima del 50% en 90 minutos a 140 °C. En cambio, Sn-SBA y Ti-SBA sólo mostraron una actividad de

isomerización moderada bajo estas condiciones, los materiales TS-1 y Ta-Beta mostraron poca actividad de

isomerización, bajo las mismas condiciones de reacción. Las diferencias de reactividad entre TS-1 y Ti-Beta 10 sugieren que el diámetro de los poros de TS-1 es demasiado pequeño para permitir la entrada de las moléculas de

glucosa en la zeolita.

Un estudio más detallado de la cinética de reacción de los dos materiales más activos indicó que el catalizador de

Sn-Beta isomeriza la glucosa con un rendimiento superior cuando se compara con Ti-Beta. Específicamente, se

lograron selectividades de fructosa por encima del 90% en el equilibrio de reacción (es decir, 50% de conversión de 15 la glucosa) en 45 min a 110 °C y en 15 min a 140 °C. Los valores de selectividad de la fructosa disminuyeron cuando

se dejó que la reacción procediese durante tiempos más largos, debido a la aparición de reacciones de degradación

de la fructosa (véanse las entradas 5d y 10c). El catalizador Ti-Beta, aunque activo, no fue tan eficaz en estas

condiciones como el catalizador Sn-Beta, generando al cabo de 45 min a 110 °C una selectividad de fructosa de

80% a una conversión de glucosa del 18%, y después de 45 min a 140 °C una selectividad de fructosa de 68% a 20 44% de conversión de glucosa.

Los autores de la presente invención observaron efectos de disolvente interesantes relacionados con la actividad de

Sn-Beta en la reacción de isomerización. A diferencia de los catalizadores básicos, el catalizador de Sn-Beta fue

capaz de realizar la reacción de isomerización en un entorno ácido. Efectivamente, uno de los principales

inconvenientes de los catalizadores básicos usados para esta reacción es la desactivación del catalizador debida a 25 la neutralización de los sitios activos por los ácidos carboxílicos formados durante las reacciones de degradación del

azúcar. Sin embargo, cuando se usó Sn-beta en una solución ácida de glucosa (pH = 2, HCl), no se observó ninguna

diferencia en la actividad o en la selectividad de la fructosa cuando se compara con la reacción realizada en la

solución no ácida (véanse las entradas 5c y 6c). Por el contrario, cuando se usó un disolvente aprótico

(dimetilsulfóxido [DMSO]) en vez de agua, el Sn-Beta no fue activo para la reacción de isomerización (véanse las 30 entradas 11c y 12c).

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Ejemplo 9

La tabla que sigue resume los experimentos de isomerización de glucosa usando diversos catalizadores en agua. Las reacciones se realizaron con una solución de glucosa al 10% en peso, usando la correspondiente cantidad de catalizador para mantener una relación molar 1:50 de metal-glucosa, con excepción de la entrada 10, indicado por *, que expone los resultados de una reacción de una solución de glucosa al 45% en peso, usando una relación molar

225:1 de glucosa:Sn. El ** indica que se obtuvo con Ti-Beta un azúcar no identificado, en vez de la manosa. El rendimiento presentado del 5% en peso se calculó usando el factor de respuesta asociado con hexosas.

Entrada: Catalizador Temperatura (°K) Tiempo (min) Glucosa Fructosa Manosa Sacáridos totales

1: Ninguno 383 90 97 0 0 97

2: Ninguno 413 90 95 1 0 95

3: HCl (pH = 2) 383 90 98 0 0 98

4: Sn-Beta 383 30 45 32 9 86

5: Sn-Beta 413 12 46 30 9 85

6: Sn-Beta/HCl (pH=2) 383 30 44 33 9 86

7: Ti-Beta 383 90 74 14 5** 93

8: SnO2 383 60 96 0 0 96

9: SnCl4·5H2O 383 60 90 0 0 90

10*: Sn-Beta 383 60 46 29 8 83

Una serie de materiales de sílice que contienen centros metálicos de Sn o Ti fueron seleccionados por su actividad en la reacción de isomerización de la glucosa. Específicamente, los centros metálicos de Sn y Ti fueron incorporados en el entramado de una zeolita de poro grande (Beta), se incorporó Ti en una zeolita de poro medio (TS-1), y se incorporaron Sn y Ti en una sílice mesoporosa ordenada (MCM -41). En estas condiciones, Sn-Beta y Ti-Beta mostraron la actividad de isomerización de la glucosa más elevada, alcanzando las conversiones de glucosa por encima del 50% en 90 min a 413 °K (Fig. 17). En cambio, Sn-MCM41 y Ti-MCM41 revelaron solamente una actividad moderada, y TS-1 fue virtualmente inactivo bajo las mismas condiciones de reacción (Fig. 17). Las diferencias de reactividad entre TS-1 y Ti-Beta indican que las moléculas de glucosa son capaces de difundir en los poros de la zeolita Beta (aproximadamente 0,8 nm de diámetro de poro), pero no en los poros de TS-1 (0,5 a 0,6 nm de diámetro de poro ).

Otros estudios de la reacción con los dos materiales más activos indicaron que el catalizador de Sn-Beta isomeriza la glucosa con un rendimiento superior en comparación con Ti-Beta. Concretamente, una solución de glucosa al 10% en peso que contiene una cantidad catalítica de Sn-Beta (relación molar Sn:glucosa1: 50) generó unos rendimientos de producto de aproximadamente 46% (p/p) de glucosa, 31% (p/p) de fructosa, y 9% (p/p) de manosa después de 30 min y 12 min a 383 °K y 413 °K , respectivamente. A 383 °K, el catalizador Ti-Beta consiguió conversiones de glucosa mucho más bajas, incluso cuando se dejó proceder la reacción durante períodos más largos de tiempo (entradas 4 y 7). La aparición de reacciones de degradación autocatalizadas hizo disminuir rendimientos totales de sacárido con un aumento de los tiempos de reacción (Fig. 18). La variación de la temperatura de reacción no parece tener un impacto sobre la cantidad total de azúcar perdido en un valor de conversión de glucosa dado, sugiriendo esto que la ruta de la reacción de degradación tiene una barrera de activación aparente similar a la de la reacción de isomerización. Es de señalar que el catalizador de Sn-Beta se puede utilizar con soluciones de glucosa más concentradas, similares a las empleadas en la conversión a gran escala. Por ejemplo, se obtuvo una distribución de productos de 46% (p/p) de glucosa, 29% (p/p) de fructosa, y 8% (p/p) de manosa después de hacer reaccionar una solución de glucosa al 45% en peso que contiene una cantidad catalítica de Sn-Beta (relación molar de Sn:glucosa 1:225) durante 60 minutos a 383 °K (entradas 4 y 10). Este resultado se acerca a los obtenidos en el proceso enzimático industrial, y es un elevado rendimiento en fructosa obtenida a partir de una solución de glucosa altamente concentrada usando un catalizador inorgánico.

Los datos sugieren que los sitios activos para la reacción de isomerización en Sn-Beta son átomos de Sn incorporados en el entramado de la zeolita. Ni el SnCl4·5H2O ni el SnO2 mostraron actividad de isomerización (entradas 8 y 9) y los datos de UV para Sn-Beta no revelaron bandas de absorción correspondientes a Sn extraentramado (Fig. 6).

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Ejemplo 10

La tabla que sigue resume los resultados de los estudios de estabilidad del catalizador. Se llevaron a cabo reacciones a 383 °K usando una solución de glucosa al 10% en peso con una relación molar de Sn:glucosa de 1:50 (excepto para la entrada 5b). Para el Estudio 1 (entradas 1 -4), después de cada ciclo se lavó el catalizador con agua y posteriormente se añadió solución de glucosa fresca para comenzar un nuevo ciclo. En el Ciclo 4, el catalizador recuperado del Ciclo 3 se calcinó en aire a 813 °K durante 3 h usando una velocidad de descenso de la temperatura de 2 °K/min. Para el Estudio 2 (entradas 5a -5b), se dejó que la reacción con Sn-Beta tuviese lugar durante 12 min (entrada 5a). Entonces, el catalizador se filtró en caliente de la solución, y el filtrado se hizo reaccionar durante 30 min más (entrada 5b).

Entrada: Catalizador Tiempo (min) Glucosa Fructosa Manosa

1: Sn-Beta Ciclo 1 30 41 32 9

2: Sn-Beta Ciclo 2 30 45 30 8

3: Sn-Beta Ciclo 3 30 47 29 7

4: Sn-Beta Ciclo 4 (calcinación) 30 46 30 8

5a: Sn-Beta 12 57 27 6

5b: Ninguno (catalizador eliminado por filtración) 30 57 27 6

Para probar la estabilidad del catalizador de Sn-Beta, se llevaron a cabo dos tipos de estudios. En el primer estudio, se ensayó la reutilización del catalizador mediante la realización de cuatro ciclos de isomerización consecutivos a 383 °K durante 30 minutos cada uno. Después de cada ciclo, el catalizador se filtró y se lavó con agua antes de añadir una solución fresca de glucosa. Como se observa a partir de los datos, después de tres ciclos de reacción el catalizador mantuvo su actividad inicial y la distribución de producto. Después del tercer ciclo, el catalizador se calcinó en aire a 813 °K antes de realizar un último ciclo. Los resultados del ciclo 4 muestran que el catalizador mantuvo de nuevo su actividad y distribución del producto originales, confirmando así que es capaz de resistir un proceso típico de regeneración de zeolita. Se diseñó un segundo ensayo para probar la presencia de catálisis homogénea debida a especies metálicas lixiviadas en la solución. Específicamente, se inició un ciclo de isomerización con el catalizador de Sn-Beta a 383 °K durante 15 min. El catalizador se eliminó después por filtración mientras la solución estaba aún caliente.

Para evitar cualquier posible re-adsorción de las especies lixiviadas durante el enfriamiento, y se dejó que el filtrado reaccionase a 383 °K durante 30 min. Los resultados de la reacción muestran que, en presencia del catalizador, la isomerización de la glucosa tuvo lugar de la forma esperada (rendimientos de producto de 57% (p/p) de glucosa, 27% (p/p) de fructosa, y 6% (p/p) de manosa). Sin embargo, la reacción no continuó una vez que se hubo eliminado el catalizador, lo que indica que no se produjo catálisis homogénea por iones metálicos lixiviados (entradas 5a y 5b). Los resultados de estas dos pruebas indican que Sn-Beta está catalizando heterogéneamente la reacción de isomerización y se puede utilizar para múltiples ciclos de reacción.

Ejemplo 11

La siguiente tabla resume los resultados de las reacciones de glucosa catalizadas por Sn en agua bajo condiciones ácidas a 413 °K. Para las entradas 1b y 4, se utilizó relación molar de Sn:glucosa de 1:50.

Entrada: Solución de alimentación Catalizador Tiempo (min) Almidón Glucosa Fructosa Manosa HFM

1a: 10% en peso de almidón HCl (pH = 1) 90 13 87 0 0 0

1b: mezcla postreacción de entrada 1a Sn-Beta + HCl (pH = 1) 12 13 39 23 7 0

2: glucosa al 10% HCl (pH = 1) 120 91 0 0 1

3: fructosa al 10% HCl (pH = 1) 120 0 15 0 24

4: glucosa al 10% Sn-Beta + HCl (pH = 1) 120 28 18 2 11

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De forma inusual, el Sn-Beta es capaz de realizar la reacción de isomerización en un entorno altamente ácido. No se observaron diferencias de actividad o distribución de productos para las reacciones que utilizan Sn-Beta en una solución ácida de glucosa al 10% en peso (pH = 2, HCl), en comparación con la reacción llevada a cabo sin HCl (Ejemplo 9, entradas 4 y 6). Los experimentos utilizando Sn-Beta en un entorno ácido mostraron buenos resultados para las secuencias de reacciones de hidrólisis/isomerización e isomerización/deshidratación. Específicamente, la hidrólisis de una solución de almidón al 10% en peso usando HCl (pH = 1) a 413 °K durante 90 min generó un 87% (p/p) de glucosa y 13% (p/p) de solución de almidón que después se isomerizó añadiendo una cantidad catalítica de Sn-Beta (relación molar de Sn:glucosa 1: 50) a la solución ácida y calentando durante 12 minutos más a 413 °K para obtener una distribución del producto que consiste en 13% (p/p) de almidón, 39% (p/p) de glucosa, 23% (p/p) fructosa, y 7% (p/p) de manosa (Tabla 3, entradas 1a y 1b). También, una solución de glucosa al 10% en peso reaccionada en presencia de HCl (pH = 1) y Sn-Beta juntos durante 120 minutos a 413 °K generó un rendimiento de HMF de 11% (p/p), además de 18% (p/p) de fructosa y 2% (p/p) de manosa (entrada 4). Estos datos pueden compararse con los resultados de deshidratación obtenidos de la reacción de fructosa en HCl acuoso (24% (p/p) rendimiento de HMF, 85% de conversión, entrada 3) y de la deshidratación de la glucosa bajo condiciones similares de reacción de HCl acuoso (<1% (p/p) de rendimiento de HMF, 9% de conversión, entrada 2). Así pues, Sn-Beta es un candidato atractivo para secuencias de reacción en recipiente único que requieren acoplamientos catalíticos de isomerización y otras reacciones catalizadas por ácido.

Ejemplo 12

Se usó glucosa deuterada en la posición C-2 (glucosa-D2, Figura 23) fue usada para realizar estudios de NMR en la reacción de isomerización. Como se muestra en la Figura 11, el protón en la posición C-2 desempeña un papel fundamental en el mecanismo de reacción, al margen de la vía que se sigua. De hecho, la sustitución isotópica en la posición C-2 tuvo como resultado una disminución de dos veces en la velocidad de reacción inicial (kH/kD) = 1,98, Figura 22), revelando un considerable efecto isotópico cinético. Es importante señalar que, los espectros de 13C NMR de glucosa-D2 calentada en agua a la temperatura de reacción (383 °K) en ausencia de catalizador revelan que no tiene lugar ninguna perturbación isotópica (Figura 24). Este resultado es importante porque demuestra la inercia del enlace C-D en agua en las condiciones de reacción e indica que cualquier reordenamiento isotópico dentro de la molécula durante la reacción es debida enteramente a las acciones del catalizador.

Se utilizaron espectroscopia de 13C y 1H NMR para estudiar la isomerización de la glucosa-D2 usando Sn-Beta como catalizador. Una comparación de espectros de 13C NMR de las soluciones de alimentación de glucosa no marcada y glucosa-D2 revela que las resonancias observadas en δ = 74,1 y 71,3 ppm en la solución de glucosa no marcada aparecen como tripletes 1:1:1 de baja intensidad en la solución de glucosa-D2 ( Figura 19 a, b). Este efecto está relacionado con la ruptura del efecto nuclear de Overhauser (NOE) por los átomos de deuterio en las posiciones C-2 de las dos configuraciones de glucosa-D2 en solución (β-piranosa y α-piranosa, presentes en una relación 64:36). Durante el NOE, las intensidades de resonancia de 13C se potencian hasta un 200% para los pares 13C -1H directamente unidos cuando se utiliza desacoplamiento de banda ancha de 1H para suprimir acoplamientos C, H; sin embargo, no se observa esta amplificación de la resonancia para pares 13C -1H y las resonancias asociadas con C2 en la glucosa-D2 por tanto disminuyen considerablemente. Después de hacer reaccionar una solución al 10% en peso de glucosa-D2 en agua a 383 °K durante 15 min en presencia de Sn-Beta, las fracciones de glucosa y fructosa se separaron utilizando cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC). El análisis del espectro de 13C NMR para cada fracción indica que, después de la reacción, la glucosa-D2 se mantiene sin cambios (Figura 19 b, c), mientras que el producto de fructosa tiene diferencias significativas en comparación con un estándar de fructosa no marcada (Figura 19 e, f). Específicamente, resonancias a δ = 63,8 y 62,6 ppm asignadas a la posición C-1 de las configuraciones de β-piranosa y β-furanosa en el patrón de fructosa no marcada aparecen como tripletes de baja intensidad para el producto de fructosa recuperado después de la reacción. Los espectros de 1H NMR para los dos azúcares confirman también estos resultados. Los espectros de 1H NMR de glucosa-D2 antes y después de la reacción se mantienen constantes (Figura 20 b, c), mientras que el espectro de la fructosa muestra la desaparición de la resonancia a δ = 3,45 ppm debido a la presencia de un átomo de deuterio en la posición C-1 (Figura 20 f). La integración de las áreas en estos espectros confirma la presencia de seis pares C-H para las fracciones de glucosa y fructosa, en contraste con los siete pares C-H que se encuentran en glucosa o fructosa sin marcar. Estos resultados indican claramente que el átomo de deuterio localizado en la posición C-2 de la glucosa-D2 se ha movido a la posición C-1 de la fructosa, demostrando así inequívocamente que la reacción de isomerización de la glucosa con un catalizador de ácido de Lewis sólido en agua pura procede por medio de un desplazamiento de hidruro intramolecular.

Se realizó un estudio espectroscópico similar usando hidróxido de sodio (NaOH) como catalizador básico. Se hizo reaccionar una solución acuosa al 10% en peso de glucosa-D2 en presencia de NaOH (0,1 M) a 383 °K durante 2 min. Los espectros de 13C NMR y 1H NMR de las fracciones de glucosa y fructosa indican diferencias considerables en comparación con los resultados obtenidos con Sn-Beta. En primer lugar, los espectros de 13C y 1H NMR para la fructosa no marcada y para la fracción de fructosa aislada después de la reacción no muestran diferencias, lo que indica que la fracción de fructosa no contiene átomos de deuterio (Figura 19 e, g y Figura 20 e, g). En segundo lugar, el espectro de 13C NMR de la fracción de glucosa indica glucosa-D2 mezclada con una pequeña cantidad de glucosa regular, como se indica por la presencia de una pequeña resonancia en δ = 74,1 ppm (véase el inserto de la Figura

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