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Phosphorylated Sporopollenin as a Sustainable Catalyst for Selective 5-Hydroxymethylfurfural Formation in Water: Insights into Phosphate Functionalization, Kinetics, and Mechanism

化学 磷酸二酯键 催化作用 孢粉素 有机化学 羟甲基糠醛 生物高聚物 反应速率常数 动力学 聚合物 生物化学 生态学 物理 基因 生物 核糖核酸 量子力学 糠醛 花粉
作者
Raina Sharma,Tamilmani Selvaraj,Gowri Vijayendran,Jithin John Varghese,Govindasamy Jayamurugan
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2024-f58l0-v2
摘要

Metal-free Brønsted acid catalysts in water are known to facilitate undesired side reactions such as polymers and formic acid synthesis, making it challenging to synthesize 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF) from C6 sugars. Therefore, water-tolerant organic heterogeneous catalysts with high selectivity towards 5-HMF are of great interest. In this study, sporopollenin (exine), a natural biopolymer biomass, is employed as a heterogeneous support. We demonstrate for the first time that ortho-phosphoric acid-cleaning of the protoplasmic content on spores produces empty sporopollenin (ESP) functionalized with mono- and di-phosphoesters (41:59), (ESP-Phos) which can be used as a selective sustainable catalyst for the formation of 5-HMF from glucose. Activating ESP-Phos at 200 °C results in a substantial increase in the di-phosphoester ratio of ESP-Phos200 (29:71), as shown by 31P NMR. This results in improved activity (92% yield) and selectivity (96%) for the synthesis of 5-HMF. The DFT calculations further suggest that glucose to di-phosphoester interactions are stronger (–86.1 kJ mol–1) than mono-phosphoester interactions (–72.5 kJ mol–1), explaining the potential enhancement in glucose to 5-HMF catalysis. Kinetics analysis indicated that the catalytic system follows a pseudo-first-order reaction. ESP-Phos200 increased the glucose to HMF formation rate 23-fold (rate constant k = 0.0046 min–1) higher under optimized conditions (180 oC, 12 h) as compared to the humin formation rate. A detailed mechanistic study involving isotopic labelling, 13C NMR, and DFT calculations suggested that ESP-Phos200 followed a direct glucose dehydration mechanism rather than glucose isomerization to fructose and its subsequent dehydration. Although humin polymer deposition was observed after each run (up to 4 cycles), causing deactivation of active sites, subsequent calcining of ESP-Phos200 at 200°C restored the activity. The catalyst and reaction method used here for the synthesis of 5-HMF are environmentally friendly, sustainable, and promising for large-scale production of 5-HMF.
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