5.SEZIONE SPERIMENTALE
5.1.Materiali
Acqua per HPLC (Aldrich) CAS: 7732-18-5, utilizzata come ricevuta dalla ditta fornitrice. Acido solforico 97 % (Aldrich) CAS: 7664-93-9, utilizzato come ricevuto dalla ditta
fornitrice.
Diclorometano (Aldrich) CAS: 75-09-2, utilizzato come ricevuto dalla ditta fornitrice. Idrossido di sodio (Aldrich) CAS: 1310-73-2, utilizzato come ricevuto dalla ditta fornitrice 5-(idrossi-metil)-2-furaldeide 98 % (Aldrich) CAS: 67-47-0, HMF, utilizzata come ricevuta
dalla ditta fornitrice e conservata a bassa temperatura (- 18 °C).
Fruttosio alimentare (Enervit) prodotto commerciale, utilizzato come ricevuto dalla ditta
fornitrice.
2,5-bisidrossimetilfurano (Akos) CAS: 1883-75-6, BHMF, utilizzato come ricevuto dalla
ditta fornitrice e conservato a bassa temperatura (0-4 °C)
Cis-2,5-bisidrossimetiltetraidrofurano (Akos) CAS: 2144-40-3, BHMTHF, utilizzato come
ricevuto dalla ditta fornitrice e conservato a bassa temperatura (0-4 °C)
Cu/C al 3 % in peso (Aldrich) CAS: 709107-5G, utilizzato come ricevuto dalla ditta
fornitrice.
Ru/γ-Al2O3 al 5 % in peso (Fluka Chemicals), CAS: 303142/1, utilizzato come ricevuto
dalla ditta fornitrice.
Ru/C al 5 % in peso (Aldrich) CAS: 206180-25G, utilizzato come ricevuto dalla ditta
fornitrice.
Pd/C al 5 % in peso (Aldrich) CAS: 7440-05-3, utilizzato come ricevuto dalla ditta
fornitrice.
Cu(NO3)2 (Analyticals Carlo Erba) CAS: 475786, utilizzato come ricevuto dalla ditta
fornitrice.
Cu(CH3COO)2 (Analyticals Carlo Erba) CAS: 8D5862, utilizzato come ricevuto dalla ditta
fornitrice.
1,4-didrossibenzene (HQ) (Aldrich) CAS:123-31-9, utilizzato come ricevuto dalla ditta
fornitrice
Amberlyst-70 (Rohm and Haas France S.A.S) CAS: 39389-20-3, utilizzato come ricevuto
dalla ditta fornitrice.
Acetone (Aldrich) CAS: 67-64-1, purezza 99%, utilizzato come ricevuto dalla ditta fornitrice. Dietiletere (Aldrich) CAS: 60-29-7, purezza 99%, utilizzato come ricevuto dalla ditta
fornitrice.
5.2.Strumentazione
5.2.1.Reattore a microonde monomodale
Le reazioni di deidratazione del fruttosio ad HMF effettuate in reattore a microonde monomodale, sono state condotte con lo strumento MW CEM Discover S-class System (Figura 1). La miscela di reazione viene preparata all’interno di un vial, il quale viene alloggiato nella cavità interna che garantisce il corretto posizionamento del vial stesso. Tale cavità è sufficientemente grande da poter ospitare porta campioni di diverse dimensioni (35 ml e 10 ml). Nello strumento è presente un generatore di potenza in continuo capace di erogare da una potenza minima di 0 Watt a una massima di 300 Watt, potenza che può essere modulata dallo strumento stesso secondo i parametri di temperatura e pressione impostati precedentemente come valori di set-point dall’operatore. Il controllo e la regolazione della temperatura vengono effettuati rispettivamente attraverso un sistema di feedback e un sistema di raffreddamento ad aria compressa. Il forno consente di lavorare con due differenti modalità
operative: la prima prevede l’applicazione di una temperatura costante, variando la potenza, mentre la seconda permette di mantenere costante la potenza. Alla fine del riscaldamento lo strumento rilascia un report dell’andamento di T(°C), P (psi) e p(W) registrate durante la reazione in funzione del tempo.
Figura 1 Reattore a microonde monomodale MW CEM Discover S-class System.
5.2.2.Autoclave
Le reazioni di idrogenazione dell’HMF sono state condotte anche in un’autoclave Parr costituita in acciaio inox AISI 316 da 300 ml (Figura 2). La testata dell’autoclave è munita di agitazione meccanica, di una termocoppia per il controllo della temperatura e di un manometro con fondo scala pari a 2000 psi per il controllo della pressione.
Figura 2 Autoclave Parr
5.2.3.Cromatografia liquida ad alta pressione (HPLC)
I prelievi dalle miscele di reazione sono stati analizzati attraverso cromatografia liquida HPLC con lo strumento Perkin Elmer Flexer Isocratic Platform (Figura 3). Tale strumento è costituito da una pompa per HPLC loop RHEODYNE da 20 μl ed è dotato di un rivelatore ad indice di rifrazione differenziale WATERS 2410. La miscela viene eluita da una soluzione acquosa di acido solforico 0,005 M attraverso una colonna Benson 2000-0 BP-OA (300 mm x 7,8 mm). Il metodo adottato prevede un flusso costante di 0,6 ml/min e una temperatura di colonna pari a 60 °C.
Figura 3 Strumentazione HPLC
Per poter determinare la quantità del reagente non convertito e dei prodotti ottenuti sono state preventivamente iniettate soluzioni standard a diverse concentrazioni in modo da ottenere le corrispondenti rette di calibrazione. A titolo di esempio, si riportano in Figura 4 e in Figura 5 le rette di calibrazione rispettivamente del BHMF e del BHMTHF. I tempi di ritenzione osservati per il reagente e per i prodotto sono:
Fruttosio: 9,3 minuti
5-idrossimetil-2-furaldeide: 26,8 minuti
2,5-bisidrossimetilfurano (BHMF): 13,5 minuti
Figura 4 Retta di taratura del BHMF
5.2.4.Gas cromatografia interfacciata con la spettrometria di
massa (GC/MS)
Per le analisi in GC/MS è stato utilizzato un gas-cromatografo 7890B-Network GC system (Agilent Tecnologies), munito di un vaporizzatore a temperatura programmata (iniettore PTV), interfacciato con uno spettrometro di massa mod.5977 (Agilent Tecnologies) a singolo quadropolo come rilevatore (Figura 6). La separazione cromatografica è stata eseguita con una colonna capillare in silice fusa chimicamente legata HP-5MS(Agilent Tecnologies), con fase stazionaria 5 % difenile-95 % metilpolisilossano, diametro interno 0,25mm, spessore del film 0,25 μm, lunghezza 30 m.
Condizioni di lavoro: ionizzazione a impatto elettronico (EI) a 70eV, temperatura sorgente ionica 230 °C, temperatura d’interfaccia 280 °C.
Figura 6 Strumentazione GC/MS
Come gas di trasporto è stato scelto l’elio (99,995% di purezza) con un flusso costante di 1,0 ml/minuto e l’analisi gas cromatografica ha previsto: temperatura iniziale 120 °C, isoterma per 20 min, 8 °C al minuto fino alla temperatura di 260 °C, isoterma per 5 min. I
cromatogrammi sono stati registrati secondo la modalità TIC (Total Ion Current, intervallo di massa 18-550).
5.3.Sintesi dell’HMF a partire da fruttosio in microonde
monomodale
In un vial da 10 ml vengono introdotti 0,5 g di fruttosio, una quantità nota di sale metallico o idrochinone se previsto, e infine si aggiungono 5 g acqua. La soluzione viene brevemente agitata per solubilizzare tutti i componenti, quindi si inserisce il vial nella cavità del forno microonde monomodale dove la soluzione viene agitata e irradiata per un certo tempo ad una temperatura fissata. Al termine della reazione la soluzione viene rapidamente raffreddata, quindi filtrata con filtro PTFE con porosità di 0,2 μm per allontanare eventuali solidi formati e tracce di catalizzatore e infine analizzata via HPLC.
5.4.Reazione di idrogenazione dell’HMF
Nell’autoclave da 300 ml precedentemente descritta è stata inserita una quantità nota di catalizzatore solido e sono stati effettuati cinque cicli di aspirazione vuoto/azoto. Sono stati preparati 50 ml di una soluzione acquosa a concentrazione nota di HMF e sono stati aspirati dentro l’autoclave. In alcune prove sono stati impiegati gli idrolizzati ottenuti da fruttosio anziché HMF, adottando una identica metodica. Successivamente l’autoclave è stata caricata con idrogeno alla pressione desiderata. La soluzione viene mantenuta in agitazione e riscaldata al valore di temperatura prestabilito. Una volta raggiunta tale temperatura si considera iniziata la reazione e a tempi stabiliti si effettuano prelievi della miscela di reazione così da monitorare nel tempo la conversione dell’HMF e la formazione dei prodotti e degli eventuali sottoprodotti. I prelievi vengono infatti filtrati con filtro PTFE con porosità di 0,2 μm per allontanare eventuali solidi formati e tracce di catalizzatore, quindi analizzati tramite HPLC.
