Modelagem por DFT e avaliação catalítica da reação de acetalização do glicerol com butiraldeído
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2021 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) |
Texto Completo: | http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/64229 |
Resumo: | The catalytic reaction of glycerol acetalization in the presence of aldehydes or ketones has as an objective to produce cyclic acetals of interest to the industry of the cosmetics, food and petrochemical. In this reaction, glycerol interacts with butyraldehyde, employing catalysts containing active acid-base or redox sites. The products formed by this reaction are acetal and cyclic ketals, such as solketal, which are chemical intermediates used in perfumery and as fuel additives. The literature shows the catalysts utilized in the glycerol acetalization reaction are deactivated in the reaction medium, due to the leaching of the active sites. Other challenges to be overcome in this reaction include improvements in the reaction parameters needed to allow the process to be implemented as a useful route for glycerol recovery. In this way, catalysts supported on mixed oxides based on CeO2-MnOx or La2O3-Al2O3 containing NiO and Co3O4, as active sites were used in the acetalization reaction of glycerol with butyraldehyde. The reaction parameters were evaluated in catalytic tests by varying the type of solvent, temperature, and reaction composition. The steps of the reaction were investigated through modeling using the density functional theory (DFT). The catalysts were evaluated using X-ray Diffraction (DRX) techniques, Scanning Electron Microscopy coupled with Energy Dispersive Spectroscopy (SEM-EDS), Raman spectroscopy, Nitrogen physisorption isotherms, Fourier Transforms Infrared Spectroscopy (FTIR) and Transmission Electron Microscopy (TEM). The results obtained revealed high values of glycerol conversion and selectivity to solketal on the CeO2-MnOx catalysts series at 50 °C, with an equimolar ratio between glycerol and butyraldehyde, in the absence of solvents. The solids based on La2O3-Al2O3 showed low conversions and leaching of the active sites, due to the water generated in the reaction medium. The mechanistic modeling by DFT presents information about the binding energies of the possible chemical intermediates of the reaction, as well as the interatomic distances involved in the reaction centers. Theoretical studies culminated in a mechanistic reaction proposal for the production of solketal, in different routes, and corroborated aspects related to the selectivity of the reaction. |
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Modelagem por DFT e avaliação catalítica da reação de acetalização do glicerol com butiraldeídoÓxidos mistosAcetalização do glicerolMecanismo reacionalEstudos de DFTThe catalytic reaction of glycerol acetalization in the presence of aldehydes or ketones has as an objective to produce cyclic acetals of interest to the industry of the cosmetics, food and petrochemical. In this reaction, glycerol interacts with butyraldehyde, employing catalysts containing active acid-base or redox sites. The products formed by this reaction are acetal and cyclic ketals, such as solketal, which are chemical intermediates used in perfumery and as fuel additives. The literature shows the catalysts utilized in the glycerol acetalization reaction are deactivated in the reaction medium, due to the leaching of the active sites. Other challenges to be overcome in this reaction include improvements in the reaction parameters needed to allow the process to be implemented as a useful route for glycerol recovery. In this way, catalysts supported on mixed oxides based on CeO2-MnOx or La2O3-Al2O3 containing NiO and Co3O4, as active sites were used in the acetalization reaction of glycerol with butyraldehyde. The reaction parameters were evaluated in catalytic tests by varying the type of solvent, temperature, and reaction composition. The steps of the reaction were investigated through modeling using the density functional theory (DFT). The catalysts were evaluated using X-ray Diffraction (DRX) techniques, Scanning Electron Microscopy coupled with Energy Dispersive Spectroscopy (SEM-EDS), Raman spectroscopy, Nitrogen physisorption isotherms, Fourier Transforms Infrared Spectroscopy (FTIR) and Transmission Electron Microscopy (TEM). The results obtained revealed high values of glycerol conversion and selectivity to solketal on the CeO2-MnOx catalysts series at 50 °C, with an equimolar ratio between glycerol and butyraldehyde, in the absence of solvents. The solids based on La2O3-Al2O3 showed low conversions and leaching of the active sites, due to the water generated in the reaction medium. The mechanistic modeling by DFT presents information about the binding energies of the possible chemical intermediates of the reaction, as well as the interatomic distances involved in the reaction centers. Theoretical studies culminated in a mechanistic reaction proposal for the production of solketal, in different routes, and corroborated aspects related to the selectivity of the reaction.A reação catalítica de acetalização do glicerol na presença de aldeídos ou cetonas visa a produção de acetais cíclicos de interesse para a indústria de cosméticos, alimentos e petroquímica. Nesta reação, o glicerol reage com o bultiraldeído com o auxílio de catalisadores contendo sítios ativos ácido-base ou redox. Os produtos formados, a partir da reação de acetalização do glicerol são acetais e cetais cíclicos, tais como o solketal, os quais são intermediários químicos empregados em perfumaria e como aditivos de combustíveis. A literatura aponta que os catalisadores utilizados na reação de acetalização do glicerol sofrem desativação no meio reacional, devido à lixiviação dos sítios ativos. Outros desafios a serem superados nessa reação incluem as melhorias nos parâmetros reacionais, necessários para viabilizar a implementação do processo como rota útil de recuperação do glicerol. Desta forma, catalisadores suportados em óxidos mistos baseados em CeO2-MnOx ou La2O3-Al2O3, contendo NiO e Co3O4 como sítios ativos, foram empregados na reação de acetalização do glicerol com butiraldeído. Os parâmetros reacionais foram avaliados em testes catalíticos, variando-se o solvente, temperatura e composição reacionais. As etapas da reação foram investigadas através de modelagem utilizando a teoria do funcional de densidade (DFT). Os catalisadores foram avaliados por meio das técnicas de Difração de Raios-X (DRX), Microscopia Eletrônica de Varredura acoplada à Espectroscopia de Energia Dispersiva (SEM-EDS), Espectroscopia Raman, isotermas de fisissorção de Nitrogênio, Espectroscopia na Região do Infravermelho com Transformadas de Fourier (FTIR), Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM). Os resultados obtidos revelaram elevados valores de conversão de glicerol e seletividade ao solketal sobre a série de catalisadores CeO2-MnOx, a 50 °C, com razão equimolar de glicerol e butiraldeído, na ausência de solventes. Os sólidos a base de La2O3-Al2O3 apresentaram baixas conversões e lixiviação dos sítios ativos, devido à água gerada no meio reacional. A modelagem mecanística por DFT contribuiu com informações acerca das energias de ligação dos possíveis intermediários químicos da reação e de possíveis estados de transição, bem como as distâncias interatômicas envolvidas nos centros de reação. Os estudos teóricos permitiram a elaboração de uma proposta mecanística reacional para a produção de solketal, em diferentes rotas reacionais, e corroboraram aspectos relacionados a seletividade da reação.Oliveira, Alcineia ConceiçãoBezerra Neto, João RufinoOton, Laís Ferreira2022-03-03T12:47:21Z2022-03-03T12:47:21Z2021info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfOTON, Laís Ferreira. Modelagem por DFT e avaliação catalítica da reação de acetalização do glicerol com butiraldeído. 2021. 107f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal do Ceara, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, Fortaleza, 2021.http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/64229porreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)instacron:UFCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2022-03-03T13:18:59Zoai:repositorio.ufc.br:riufc/64229Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufc.br/ri-oai/requestbu@ufc.br || repositorio@ufc.bropendoar:2024-09-11T18:16:48.178534Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)false |
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The catalytic reaction of glycerol acetalization in the presence of aldehydes or ketones has as an objective to produce cyclic acetals of interest to the industry of the cosmetics, food and petrochemical. In this reaction, glycerol interacts with butyraldehyde, employing catalysts containing active acid-base or redox sites. The products formed by this reaction are acetal and cyclic ketals, such as solketal, which are chemical intermediates used in perfumery and as fuel additives. The literature shows the catalysts utilized in the glycerol acetalization reaction are deactivated in the reaction medium, due to the leaching of the active sites. Other challenges to be overcome in this reaction include improvements in the reaction parameters needed to allow the process to be implemented as a useful route for glycerol recovery. In this way, catalysts supported on mixed oxides based on CeO2-MnOx or La2O3-Al2O3 containing NiO and Co3O4, as active sites were used in the acetalization reaction of glycerol with butyraldehyde. The reaction parameters were evaluated in catalytic tests by varying the type of solvent, temperature, and reaction composition. The steps of the reaction were investigated through modeling using the density functional theory (DFT). The catalysts were evaluated using X-ray Diffraction (DRX) techniques, Scanning Electron Microscopy coupled with Energy Dispersive Spectroscopy (SEM-EDS), Raman spectroscopy, Nitrogen physisorption isotherms, Fourier Transforms Infrared Spectroscopy (FTIR) and Transmission Electron Microscopy (TEM). The results obtained revealed high values of glycerol conversion and selectivity to solketal on the CeO2-MnOx catalysts series at 50 °C, with an equimolar ratio between glycerol and butyraldehyde, in the absence of solvents. The solids based on La2O3-Al2O3 showed low conversions and leaching of the active sites, due to the water generated in the reaction medium. The mechanistic modeling by DFT presents information about the binding energies of the possible chemical intermediates of the reaction, as well as the interatomic distances involved in the reaction centers. Theoretical studies culminated in a mechanistic reaction proposal for the production of solketal, in different routes, and corroborated aspects related to the selectivity of the reaction. |
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