Alcol furfurilico

L’alcol furfurilico (FFA) è un composto organico con formula C₅H₆O₂ costituito da un anello furanico in cui è presente, in posizione 2, un gruppo idrossimetilico -CH₂OH ed è quindi un alcol primario. Sebbene non sia presente in natura, l’alcol furfurilico, che è considerato un potenziale cancerogeno umano i cui effetti sono valutati dall’Agenzia internazionale per la ricerca sul cancro, si forma durante i processi che comportano il riscaldamento o la tostatura.

La produzione su scala industriale alcol furfurilico iniziò nel 1934 quando la Quaker Oats Company di Cedar Rapids, USA, ottenne una notevole conversione del 99% di furfurale in alcol furfurilico.

L’alcol furfurilico è un contaminante alimentare che si trova in quantità significative negli alimenti trattati termicamente come caffè, succhi di frutta, prodotti da forno, bevande alcoliche conservate in botte come vini, liquori derivati ​​dal vino come il brandy e whisky come risultato della riduzione enzimatica o chimica del furfurolo durante la fermentazione, l’invecchiamento, la stagionatura e l’affumicatura di alimenti naturali.

Durante alcuni processi, infatti, l’alcol furfurilico, viene ottenuto, unitamente a furfurolo e il 5-idrossimetilfurfurolo, tramite la reazione di Maillard, ma può anche essere formato da acido chinico o 1,2-enedioli come precursori durante il riscaldamento di alimenti come i chicchi di caffè.

Proprietà dell’alcol furfurilico

L’alcol furfurilico è un liquido incolore o giallo pallido con un caratteristico odore delicato che ricorda le mandorle e un sapore amaro che diventa rosso o marrone se esposto alla luce e all’aria. Infatti può subire autoossidazione in situ o autocondensazione, che ne alterano la natura chimica. Tuttavia, l’introduzione di composti basici, come la n -butilammina, di solito inibisce notevolmente l’autoossidazione, preservando così notevolmente l’alcol prima dell’uso.

Ha una temperatura di fusione di – 15°C e pertanto si presenta liquido a temperatura ambiente e una temperatura di ebollizione di 170°C. È miscibile con l’acqua formando facilmente un azeotropo a pressione atmosferica e mostra una buona solubilità in solventi organici come tetraidrofurano, cloroformio, etere etilico, etanolo, acetone e dimetilformammide. Reagisce violentemente con forti ossidanti o acidi forti causando pericolo di incendio ed esplosione.

A causa della sua reattività, per preservarne l’integrità chimica, l’alcol furfurilico deve essere conservato a basse temperature (<5 °C), evitando la contaminazione acida e una esposizione alla luce diretta, all’ossigeno o all’aria aperta e pertanto va riposto in contenitori scuri.

A differenza dell’anello benzenico relativamente stabile, l’eterociclo furanico è notevolmente meno stabile, reattivo e vulnerabile agli attacchi elettrofili. Inoltre, il furano e i suoi derivati sono più inclini alle reazioni di sostituzione rispetto agli analoghi del benzene e mostrano una gamma più ampia di reazioni di addizione.

Sintesi

La biomassa rinnovabile è una risorsa promettente da utilizzare come materia prima al posto dei combustibili fossili per la produzione di molti prodotti petrolchimici. Il furfurale, una sostanza chimica derivata dalla biomassa prodotta dalla disidratazione acido-catalizzata dello xilosio, può essere convertito in un’ampia gamma di molecole derivate a valore aggiunto.

Circa il 62% del furfurale prodotto viene trasformato in alcol furfurilico mediante reazione di idrogenazione selettiva solitamente eseguita in fase gassosa o liquida. Rispetto al processo di idrogenazione in fase gassosa, l’idrogenazione in fase liquida del furfurale presenta i vantaggi di un’elevata selettività e di un basso consumo energetico.

Tra i catalizzatori adatti per la sintesi dell’alcol furfurilico a partire dal furfurale in condizioni blande è stato sperimentato il platino. L’aggiunta di un secondo metallo tra cui cobalto, nichel e ferro ha portato a un significativo miglioramento dell’attività catalitica.

Un percorso alternativo per la produzione di alcol furfurilico utilizza l’idrossimetilfurfurale nella fase liquida con un catalizzatore selezionato dal gruppo palladio e rodio, e rimuovendo continuamente l’alcol furfurilico dalla miscela di contatto, il quale processo avviene a o sopra i 135° C.

Produzione di acido levulinico

Convenzionalmente, l’acido levulinico è sintetizzato dalla cellulosa tramite una serie di reazioni di idrolisi, disidratazione e reidratazione catalizzate da acido. L’acido levulinico può essere ottenuto anche dall’emicellulosa che viene prima idrolizzata in furfurale tramite disidratazione mediante catalizzatore acido.

Il furfurale è convertito in alcol furfurilico tramite idrolisi con catalizzatore metallico. Infine, l’acido levulinico viene ottenuto dall’alcol furfurilico tramite idrolisi acida in cui viene abitualmente utilizzato l’acido solforico. Tuttavia questa reazione in soluzione acquosa è complicata dal fatto che l’alcol può dare reazioni di polimerizzazione in ambiente acido portando a bassa resa e selettività.

L’elevata attività catalitica dell’acido minerale è solitamente accompagnata da una bassa selettività, che aumenta la possibilità di polimerizzazioni indesiderate. Pertanto si è studiata la sostituzione di acidi minerali liquidi con acidi solidi che possono evitare i problemi di problemi della bassa resa a causa della formazione di sottoprodotti indesiderati.

Si è ottenuta una resa del 70% utilizzando la zeolite H-ZSM-5 come catalizzatore in sistemi solventi monofasici tetraidrofurano-acqua. Tale metodo consente la valorizzazione sostenibile della biomassa lignocellulosica per l’ottenimento dell’acido levulinico che è una specie versatile per l’ottenimento di un numero considerevole si sostanze che trovano i più svariati utilizzi

Sintesi di alcol polifurfurilico

Sebbene l’alcol furfurilico possa essere classificato come alcol primario, ovvero caratterizzato da un atomo di carbonio legato a un atomo di carbonio con il gruppo idrossilico, la rapidità a subire la polimerizzazione per formare materiali resinosi complessi non è un comportamento tipico dell’alcol primario ma questa è attribuibile alle caratteristiche dell’anello furanico aromatico e dienico ibrido.

L’alcol polifurfurilico (PFA) è ottenuto dalla polimerizzazione acido-catalizzata di alcol furfurilico derivato da rifiuti agricoli rinnovabili come, lolla di riso, bagassa di canna da zucchero, polvere di legno e pannocchia di mais. Alcuni catalizzatori acidi comunemente utilizzati per la polimerizzazione dell’alcol furfurilico includono acidi minerali come acido solforico, acido nitrico, acidi organici come acido ossalico, acido p -toluensolfonico monoidrato e zeoliti acide.

Possono essere utilizzati anche catalizzatori più ecologici e sostenibili come l’argilla modificata che si sono rivelati efficaci per la polimerizzazione e un potenziale sostituto per i pericolosi catalizzatori acidi. La rete altamente reticolata risultante forma un solido che possiede proprietà meccaniche paragonabili a molti polimeri termoindurenti a base di petrolio, nonché una notevole resistenza termica e chimica ad acidi, alcali e solventi.

La fase iniziale nella policondensazione dell’alcol furfurilico comporta la disidratazione intermolecolare tra due unità monomeriche. In questa fase, il gruppo idrossilico di un monomero reagisce con l’ α-idrogeno attivo di un altro monomero, eliminando l’acqua. Successivamente, i gruppi metilenici facilitano il legame tra i monomeri, formando infine un dimero, un trimero, un tetramero, un pentamero e così via.

Poiché il peso molecolare influisce in modo significativo sulle proprietà dei polimeri, tra cui stabilità termica, resistenza chimica, resistenza meccanica e basso restringimento, pesi molecolari più elevati sono generalmente associati a prestazioni migliorate grazie a dimensioni molecolari maggiori.

Il miglioramento del peso molecolare delle resine di alcol polifurfurilico comporta un significativo progresso in ambito industriale e offre opportunità per far progredire i polimeri di origine biologica e le tecnologie correlate nel perseguimento di uno sviluppo sostenibile.

Secondo l’Agenzia Internazionale per l’Energia, infatti, la domanda globale di energia è quasi raddoppiata dal 2011 al 2019 e l’80% del consumo energetico mondiale nel 2019 è stato ancora fornito da fonti fossili non rinnovabili come, ad esempio, carbone, petrolio e gas. La produzione di prodotti chimici e biocarburanti da risorse di carbonio rinnovabili è quindi una sfida di fondamentale importanza nella chimica sostenibile ed è una delle categorie principali degli Obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite.

Pertanto, sono indispensabili studi che contribuiscano allo sviluppo di processi per la preparazione di sistemi polimerici da furani con proprietà migliorate. L’ottimizzazione dei parametri di reazione quali temperatura, scelta del solvente e tempo di reazione è essenziale per controllare il processo di polimerizzazione e ottenere una resina ad alto peso molecolare. La selezione di condizioni di reazione idonee può influenzare significativamente la velocità di reazione, la selettività e la resa del prodotto.

Per  ottenere una resina di alcol polifurfurilico pura e di alta qualità dopo il processo di polimerizzazione, sono necessarie fasi di purificazione per rimuovere impurità, alcol furfurilico non reagito e specie a basso peso molecolare.

Da un punto di vista ambientale, l’alcol polifurfurilico ha emissioni di gas serra notevolmente inferiori, misurate in termini di emissioni di CO₂ equivalenti rispetto alle resine a base di petrolio e le sue proprietà meccaniche e termiche hanno portato all’ utilizzo in applicazioni di compositi polimerici rinforzati con fibre.

Usi

Il suo utilizzo principale è la produzione di resine furaniche, che sono essenziali per la realizzazione di stampi e anime per fonderie per la fusione dei metalli ed è pertanto usato nei settori automobilistico e aerospaziale in particolare che richiedono componenti metallici leggeri e durevoli.

L’alcol furfurilico è utilizzato anche come sostanza chimica fondamentale per la sintesi di farmaci, in particolare della ranitidina, che entra nella formulazione di farmaci antiulcera. Costituisce la materia prima per ottenere eterocicli contenenti ossigeno a 5 termini come, ad esempio, nella produzione di tetraidrofurano, un importante solvente industriale e 2-metiltetraidrofurano.

È in grado di modificare il legno proteggendolo dalla degradazione e migliorandone significativamente la durata, anche durante l’esposizione alla luce solare e all’acqua di mare. Nella tecnologia degli adesivi per legno, l’alcol furfurilico, insieme al glutine di frumento, è utilizzato per produrre un adesivo per legno ad alte prestazioni di adesione, facile da maneggiare, ecologico e privo di formaldeide.

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