Độ ổn định của gamma-valerolactone dưới các điều kiện trung tính, axit và kiềm

Structural Chemistry - Tập 28 - Trang 423-429 - 2016
Claire Yuet Yan Wong1, Alex Wing-Tat Choi1, Matthew Y. Lui1, Bálint Fridrich2, Attila K. Horváth3, László T. Mika2, István T. Horváth1
1Department of Biology and Chemistry, City University of Hong Kong, Kowloon, Hong Kong
2Department of Chemical and Environmental Process Engineering, Budapest University of Technology and Economics, Budapest, Hungary
3Department of Inorganic Chemistry, University of Pécs, Pécs, Hungary

Tóm tắt

Gamma-valerolactone (GVL) khô ổn định trong vài tuần ở nhiệt độ 150 °C và quá trình phân hủy nhiệt của nó chỉ diễn ra khi có mặt các xúc tác thích hợp. Vì GVL không phản ứng với nước lên đến 60 °C trong vài tuần, nó có thể được sử dụng như một dung môi xanh trong các điều kiện nhẹ nhàng. Ở nhiệt độ cao hơn, GVL phản ứng với nước để tạo thành axit 4-hydroxyvaleric (4-HVA) và đạt trạng thái cân bằng trong vài ngày ở 100 °C. Các dung dịch nước có chứa axit (HCl và H2SO4) xúc tác cho sự mở vòng của GVL ngay cả ở nhiệt độ phòng, dẫn đến sự thiết lập trạng thái cân bằng giữa GVL, nước và 4-HVA. Mặc dù nồng độ 4-HVA sẽ dưới 4 mol% khi có mặt các axit, nhưng nó có thể cao hơn nồng độ của một chất phản ứng hoặc tiền chất xúc tác, chưa kể đến một loài xúc tác hoạt động. Điều này có thể đặc biệt đáng lo ngại vì 4-HVA có thể là một ligand hai hoặc thậm chí ba chạc xuất sắc cho các kim loại chuyển tiếp. Các dung dịch nước của các bazơ (NaOH và NH4OH) cũng xúc tác cho sự mở vòng có thể đảo ngược của GVL. Trong trường hợp NaOH, sản phẩm là muối natri của 4-hydroxyvalerate, trong khi phản ứng có thể đảo ngược của GVL với NH4OH dẫn đến sự hình thành của 4-hydroxyvaleric amide. Sự mở vòng có thể đảo ngược của (S)-GVL trong sự hiện diện của HCl hoặc NaOH không ảnh hưởng đến độ ổn định của tâm chiral.

Từ khóa

#gamma-valerolactone #4-hydroxyvaleric acid #xúc tác #ổn định #nhiệt độ cao

Tài liệu tham khảo

Reichardt C (2007) Solvents and solvent effects: an introduction. Org Process Res Dev 111:105–115 Horváth IT (2008) Solvents from Natute. Green Chem 10:1024–1028 Wypych G (2001) Handbook of solvents. ChemTec Publishing, Toronto Anastas PT, Warner JC (1998) Green chemistry: theory and practice. Oxford University Press, Oxford Kerton FM (2009) Alternative solvents for green chemistry. Royal Society of Chemistry, Cambridge Vigneron JP, Bloy V (1980) Preparation d'alkyl-4 gamma-lactones optiquement actives. Tetrahedron Lett 21:1735–1738 Mehdi H, Horváth IT, Bodor A (2004) Dehydration and hydrogenation of carbohydrates with aqueous biphase catalysts (CELL 95). 227th ACS National Meeting, Anaheim, CA Horváth IT (2006) Gamma-valerolactone: a sustainable liquid for energy and carbon based chemicals. The 10th Annual Green Chemistry and Engineering Conference, Washington DC Mehdi H, Tuba R, Mika LT, Bodor A, Torkos K, Horváth IT (2006) Catalytic conversion of carbohydrates to oxygenates. Renewable resources and renewable energy: a global challenge, Graziani M, Fornasiero P. (Eds), CRC Press: Boca Raton, FL, Chapter 4, 55–60 Horváth IT, Mehdi H, Fábos V, Boda L, Mika LT (2008) γ-valerolactone – a sustainable liquid for energy and carbon-based chemicals. Green Chem 10:238–242 Mehdi H, Fábos V, Tuba R, Bodor A, Mika LT, Horváth IT (2008) Integration of homogeneous and heterogeneous catalytic processes for a multi-step conversion of biomass: from sucrose to levulinic acid, gamma-valerolactone, 1,4-pentanediol, 2-methyl-tetrahydrofuran, and alkanes. Top Catal 48:49–54 Fábos V, Lui MY, Mui YF, Wong YY, Mika LT, Qi L, Cséfalvay E, Kovács V, Szűcs T, Horváth IT (2015) The use of gamma-valerolactone as an illuminating liquid and lighter fluid. ACS Sus Chem Eng 3:1899–1904 De Bruycker R, Carstensen H-H, Simmie JM, van Geem KM, Marin GB (2015) Experimental and computational study of the initial decomposition of gamma-valerolactone. Proc Combust Inst 35:515–523 Havasi D, Mizsey P, Mika LT (2016a) Vapor–liquid equilibrium study of the gamma−valerolactone−water binary system. J Chem Eng Data 61:1502–1508 Havasi D, Pátzay G, Kolarovszki Z, Mika LT (2016b) Isobaric vapor–liquid equilibria for binary mixtures of γ-valerolactone + methanol, ethanol, and 2-propanol. J Chem Eng Data 61:3326–3333 Fábos V, Koczó G, Mehdi H, Boda L, Horváth IT (2009) Bio-oxygenates and the peroxide number: a safety issue. Energy and Env Sci 2:767–769 Qi L, Horváth IT (2012) Catalytic conversion of fructose to γ-valerolactone in γ-valerolactone. ACS Catal 2:2247–2249 Bond JQ, Alonso DM, Wang D, West RM, Dumesic JA (2010a) Integrated catalytic conversion of γ-valerolactone to liquid alkenes for transportation fuels. Science 327:1110–1114 Serrano-Ruiz JC, Wang D, Dumesic JA (2010) Catalytic upgrading of levulinic acid to 5-nonanone. Green Chem 12:574–577 Bond JQ, Alonso DM, West RM, Dumesic JA (2010b) Valerolactone ring-opening and decarboxylation over SiO2/Al2O3 in the presence of water. Langmuir 26:16291–16298 Olah GA, Ku AT (1970) Stable carbonium ions. CVIII. Protonated lactones and their cleavage reactions in fluorosulfonic acid-antimony pentafluoride solutions. J Org Chem 35:3916–3922 Umland J, Witkowski S (1957) Reaction of silver 4-hydroxyvalerate with bromine. J Org Chem 22:345 Chalid M, Heeres HJ, Broekhuis AA (2012) Ring-opening of γ-valerolactone with amino compounds. J Appl Polym Sci 123:3556–3564 Fegyverneki D, Orha L, Láng G, Horváth IT (2010) Gamma-valerolactone based solvents. Tetrahedron 66:1078–1081 Qi L, Mui YF, Lo SW, Lui MY, Akien GR, Horváth IT (2014) Catalytic conversion of fructose, glucose, and sucrose to 5-(hydroxymethyl) furfural and levulinic and formic acids in γ-alerolactone as a green solvent. ACS Sustain Chem Eng 4:1470–1477 Tukacs JM, Király D, Strádi A, Novodárszki G, Eke Z, Dibó G, Kégl T, Mika LT (2012) Efficient catalytic hydrogenation of levulinic acid: a key step in biomass conversion. Green Chem 14:2057–2065 Ismalaj E, Strappaveccia G, Ballerini E, Elisei F, Piermatti O, Gelman D, Vaccaro L (2014) γ-Valerolactone as a renewable dipolar aprotic solvent deriving from biomass degradation for the Hiyama reaction. ACS Sustain Chem Eng 2:2461–2464 Strappaveccia G, Ismalaj E, Petrucci C, Lanari D, Marrocchi A, Drees M, Fachetti A, Vaccaro L (2015a) A biomass-derived safe medium to replace toxic dipolar solvents and access cleaner heck coupling reactions. Green Chem 17:365–372 Strappaveccia G, Luciani L, Bartollini E, Marrocchi A, Pizzo F, Vaccaro AL (2015b) γ-Valerolactone as an alternative biomass-derived medium for the Sonogashira reaction. Green Chem 17:1071–1076 Rasina D, Kahler-Quesada A, Ziarelli S, Warratz S, Cao H, Santoro S, Ackermann L, Vaccaro L (2016) Heterogeneous palladium-catalysed Catellani reaction in biomass-derived γ-valerolactone. Green Chem 18:5025–5030 Horváth IT (2014) Green or sustainable chemistry or both? Chimica Oggi - Chem Today 32:76–79 Tian X, Yang F, Rasina D, Bauer M, Warratz S, Ferlin F, Vaccaro L, Ackermann L (2016) C–H Arylations of 1,2,3-triazoles by reusable heterogeneous palladium catalysts in biomass-derived γ-valerolactone. Chem Commun 52:9777–9780 Pongrácz P, Kollár L, Mika LT (2016) A step towards hydroformylation under sustainable conditions: platinum-catalysed enantioselective hydroformylation of styrene in gamma-valerolactone. Green Chem 18:842–847 Marosvölgyi-Haskó D, Lengyle B, Tukacs JM, Kollár L, Mika LT (2016) Applicationof γ-valerolactone as an alternative biomass-based medium for aminocarbonylation reactions. Chem Plus Chem. doi:10.1002/cplu.201600389 Gu Y, Jerome F (2013) Bio-based solvents: an emerging generation of fluids for the design of eco-efficient processes in catalysis and organic chemistry. Chem Soc Rev 42:9550–9570 Soh L, Eckelman MJ (2016) Green solvents in biomass processing. ACS Sustain Chem Eng 4:5821–5837 Tukacs JM, Fridric B, Dibó G, Székely E, Mika LT (2015) Direct asymmetric reduction of levulinic acid to gamma-valerolactone: synthesis of a chiral platform molecule. Green Chem 17:5189–5195 http://www1.lsbu.ac.uk/water/water_dissociation.html (accessed on 26/10/2016) Long FA, Paul MA (1957) Application of the H0 acidity function to kinetics and mechanisms of acid catalysis. Chem Rev 57:935–1010 Peintler G, (1989–1998) ZiTa, version 5.0; a comprehesive rrogram package for fitting parameters of chemical reaction mechanism; Attila József University: Szeged, Hungary Bruice TC, Marquardt FH (1962) Hydroxyl group catalysis. IV. The mechanism of intramolecular participation of the aliphatic hydroxyl group in amide hydrolysis. J Amer Chem Soc 84:365–370