녹색 및 환경 최적화

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2803(2023) 이 기사 인용

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고정된 CO2가 포함된 아라고나이트 미결정 형태의 나노 생체복합체 촉매이자 천연 CaCO3 공급원인 볼 밀링 조개껍데기는 5단계 3단계 반응 표면 방법론을 통해 이소아밀 아세테이트(3-메틸부틸 에타노에이트) 합성에 최적화되었습니다. 인자 회전 가능한 외접 중심 합성 설계. 조개껍질 나노 생체복합체는 무용매 조건에서 아세트산과 이소아밀 알코올로부터 이소아밀 아세테이트를 친환경적이고 환경 친화적으로 합성하기 위한 탁월한 이종 다기능 촉매임이 입증되었습니다. 알코올:아세트산의 몰비(1:3.7), 촉매 로딩(15.7 mg), 반응 온도(98 °C), 반응 시간(219 min)의 최적 조건에서 91%의 높은 수율을 얻었습니다. ). 이 프로토콜의 뛰어난 장점은 적절한 열 안정성을 갖고 위험한 시약을 사용하여 수정하지 않고, 낮은 촉매 로딩 및 반응 온도, 부식성 브론스테드 산을 사용하지 않고 저렴하고 자연적으로 발생하며 쉽게 제조되는 나노 생체 복합 재료를 사용한다는 것입니다. 독성 공비 용매 또는 수분 흡착제 및 절차의 단순성.

환경에 대한 우려와 그것이 인간과 생명체에 미치는 직접적인 영향과 관련하여, 절차, 안전하고 적절한 촉매, 시약 및 용매에서 환경 친화적이고 원자 효율적인 화학 물질의 설계, 개발 및 적용은 학계와 업계 모두로부터 상당한 주목을 받아 왔습니다. 친환경적이고 지속 가능한 화학의 원칙을 바탕으로1,2,3,4,5. 볼 밀링 기술과 나노 생체복합체 및 생체 고분자를 포함하는 이종 촉매 시스템의 사용은 이러한 흥미롭고 유용한 절차 또는 개념 중 일부입니다. 볼밀링은 나노생체복합체 준비에 있어 흥미롭고 친환경적인 기계적 기술입니다. 이는 나노-생체복합체를 제조하는 기존 방법에 비해 친환경적인 소스에서 새로운 나노구조 재료를 제조하는 데 있어서 흥미로운 선택입니다. 이 방법은 환경적 폐기의 급격한 감소, 나노입자의 동시 생성 및 균질한 분산, 무기 나노입자의 코팅 및 병렬 공정(표면 그래프팅, 임베딩 및 중합) 가능성 등의 장점을 가지고 있으며, 이는 특히 다음과 같은 경우에 적합합니다. 생분해성 폴리머. 또한, 현장에서 나노입자를 생성하고 유기 분자와 활성화된 나노입자 사이의 화학 반응을 촉진할 수 있을 뿐만 아니라 용매가 없는 조건을 사용할 수 있다는 점은 이 기술의 또 다른 중요한 장점을 나타냅니다.

카르복실산과 알코올의 에스테르화는 학문적, 산업적 관점에서 볼 때 가장 중요하고 간단하며 도전적인 반응 중 하나입니다11,12. 에스테르는 주로 전통적으로 각각 산 또는 염기 촉매 조건을 사용하는 해당 산과 알코올 또는 할로겐화 알킬 사이의 반응을 통해 생산됩니다13. 실제로, 산성 조건에서의 에스테르화는 일반적으로 가역적이고 느린 반응이므로 달성하려면 더 많은 양의 알코올이 필요합니다. 따라서 알코올 농도가 낮은 경우 전환에는 오랜 시간의 반응이 필요합니다14,15. 흥미롭게도 단쇄 에스테르는 윤활제, 가소제, 의약품, 화장품, 음료, 향수, 용매 및 식품 방부제와 같은 화학 산업의 다양한 분야에서 널리 사용되는 중요한 유기 화합물입니다. 이는 일반적으로 사슬 길이가 탄소 원자 10개 미만인 단쇄 산과 알코올로부터 생산됩니다19. 이러한 중요한 에스테르 중 하나는 이소아밀 아세테이트(3-메틸부틸 에타노에이트)이며, 이는 의약, 화장품, 향수, 견과류 아이스, 음료, 사탕, 베이커리 제품 및 기타 식품 산업에 널리 사용됩니다. 이 에스테르의 다른 용도는 꿀벌 농장에서 경보 페로몬으로 사용되거나 페니실린 추출로 사용됩니다16,19,20,21. 또한, 이소아밀아세테이트는 높은 항진균, 항균, 항균 활성을 가지며 대장균과 같은 다양한 미생물 및 효모의 성장을 억제하고 비활성화하는 데 효과적입니다. 이러한 응용은 전 세계 인구 증가와 먹이 사슬로 인해 매우 중요합니다. 많은 상업용 에스테르가 천연 자원에서 추출되거나 발효에 의해 생산될 수 있지만, 이러한 방법을 통해 얻은 제품은 생산량이 적고 가격이 높습니다. 따라서 카르복실산의 에스테르화를 포함하여 보다 편리하고 비용이 적게 드는 대체 공정에 대한 수요가 높습니다. 알코올을 이용한 카르복실산의 에스테르화에는 일반적으로 화학적 합성 경로를 통한 H2SO4, HCl, HF, H3PO4 및 p-톨루엔술폰산과 같은 균일한 산 촉매가 포함됩니다25. 이러한 촉매는 가격이 저렴한 경우가 많지만 독성, 부식 및 분리의 어려움과 같은 단점이 있습니다26. 이와 관련하여, 이종 촉매 시스템은 균질 촉매 시스템에 대한 적합한 대안으로 등장했습니다. 이는 제품의 더 높은 순도, 쉬운 분리, 촉매 회수 및 무용매 조건에서의 반응 가능성을 포함하여 많은 이점을 제공합니다27,28,29. 문헌 검토에 따르면 아세트산과 이소아밀 알코올로부터 이소아밀 아세테이트를 생산하기 위한 다양한 이종 촉매 시스템이 제시되었습니다. 예를 들어, 퓨로라이트 CT-175, Amberlyst-15 또는 Amberlite IR-120과 같은 양이온 교환 수지, 지르코니아에 지지된 텅스토인산 또는 몰리브도인산, 설폰산을 함유하는 폴리(비닐 알코올), Candida antarctica 고정화 리파제, Candida antarctica 리파제 B를 수지에 담는다. Purolite@MN102, 실리카겔 매트릭스에 고정된 Bacillus aerius lipase30,31,32,33,34,35, 하이브리드 막 공정36, 폴리옥소메탈레이트 기반 술폰화 이온 액체37 및 β-MnO2 나노막대38 등을 언급할 수 있습니다. 또한 1-술포부틸-3-메틸이미다졸륨 황산수소염([HSO3bmim][HSO4]), 트리헥실(테트라데실)포스포늄 양이온, 혼합 염화물 및 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드 음이온과 같은 산성 이온성 액체가 보고되었습니다39. 이들 방법의 대부분에서는 이소아밀 아세테이트의 최적 합성을 위한 역학적 요인만 조사되었습니다. 더욱이, 이러한 프로토콜 중 일부는 높은 촉매 로딩 및 유기 용매 사용과 같은 어려움을 겪고 있습니다. 반면, 이러한 절차 중 일부는 이소아밀 아세테이트30,31의 생산을 최적화하기 위해 실험 설계를 사용했습니다. 이러한 맥락에서 다양한 생체고분자 거대분자는 이종 촉매 시스템이나 복합 재료의 지지체로서 많은 관심을 받아왔습니다. 특히, 키틴(폴리[β-(1 → 4)-N-아세틸-D-글루코사민], 다당류 계열의 구성원)과 같은 생체고분자 고분자는 연간 생산량이 셀룰로오스에 이어 두 번째로 풍부한 자원으로 평가됩니다. 수천 톤으로 추정되는 생산량 또는 탈아실화된 제품(키토산)이 이러한 목적으로 매우 인기가 있습니다40,41,42,43,44,45,46. 전분, 셀룰로오스, 알지네이트, 콜라겐, 피브로인 및 양모를 포함한 다른 생체고분자는 해당 나노-이중복합체 촉매 시스템에서 유사한 역할을 보여줄 수 있습니다40,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56, 57.