Biobased chemistry and technology: derivatives of aldaric acid as key intermediates for sustainable products and materials

Considering the fact that humanity has put a significant global impact on our planet, concerning both the geology and environment, national governments and industries have reached a consensus of developing a sustainable n economy a resource-efficient, green, and competitive low-carbon. Among all the strategies applied, green chemistry should be and must be a driving force for mitigating pollution and reducing resource consumption, and then reach the longer-term decarbonisation target to fulfil the final goals of the Paris Agreement. Like oil refinery, the second-generation biorefinery was treated as one of the important base for global bio-economy by developing integrated sustainable value chains to producing food/feed ingredients, chemicals, materials, fuels, power and/or heat from sustainably sourced biomass. In order to achieve this goal, the modern biorefinery need to deeply investigate first the chemistry, particularly the organic chemistry and biochemistry, involved in the synthesis of platform molecules and then the alternative strategies to convert them into value-added sustainable products and materials by a combination of biotechnological and chemical methods. Different C5 and C6 sugar building blocks and structural polysaccharides containing repeating units of D-glucose, D-galactose, D-mannose, D-xylose, D-arabinose, etc., constitute the major structure of biomass. The hexoses as six-carbon carbohydrates are the most abundant naturally occurring monosaccharides. Among these, D-fructose and D-glucose are economically suitable for use as chemical raw materials, in particular for the production of dicarboxylic acids. Aldaric acids are a group of sugar acids, where the terminal hydroxyl and carbonyl groups of the sugars have been replaced by terminal carboxylic acids, and are characterised by the formula HOOC-(CHOH)n-COOH. They are key intermediates to useful chemical products and biodegradable polymers. In order to avoid the loss of carbon during the biorefinery process, direct utilization of six-carbon matrix as platform chemicals has attracted significant attention from academic and industrial viewpoint. D-glucaric acid, one of the more representatives aldaric acids has been deeply investigated regarding its preparation and reactivity, was identified as one of the top 12 platform molecules by the US Department of Energy (DoE) in 2004. Owing the similar structure, other members of aldaric acid family should still have a huge potential to be exploited. This thesis has addressed representative information from literature on the main aldaric acids (glucaric acid, mannaric acid, and galactaric acid) as an introduction on their synthesis, reactivities, application and its potential as platform molecule. Among these acids, galactaric acid (also known as mucic acid) is of particular interest, as it has been reported as potential intermediate for the production of other C6 dicarboxylic acids of industrial importance such as adipic acid, 2,5-furandicarboxylic acid and terephthalic acid. Moreover, despite the multi-chiral center nature of aldaric acids, its achiral meso form with no optical activity would be beneficial for its preparation and further synthesis as well as working-up procedure. At moment the possible industrial scale production of biobased galactaric acid has been reported in both chemical and biological methods, which could further contribute to decrease the price of this compound to make it economically feasible as a platform chemicals. Our focus on galactaric acid was on attempt to improve the knowledge on the chemistry of aldaric acids (in particular glucaric acid, the more commercial available representative of the family now available at the level of 30.000 tons/y) by using a compound supplied directly in acid form, through well identified hydrolytic-oxidative bio processes from natural pectin, which are themselves amenable to further upgrading from wasted biomasses. The aim of the galactaric acid project is to exploit the reactivity of this biobased platform molecule in order to develop cost compatible processes for commodity/fine chemicals and novel functional materials, i.e. polymers based on the pyrrole, amide, and ester functional groups. The reactivity of galactaric acid has been sporadically investigated with specific interest for the conversion to adipic acid, 2,5-furandicarboxylic acid and some other heterocyclic compounds, as well as new potential monomer for polymer synthesis, but normally with low yields. All the facts, along with the limited knowledge of the chemistry and biochemistry of these compounds, have oriented the choice of aldaric acids as research subject for this thesis. The study was centered mainly on galactaric acid as the more representative aldaric acid, with minor attention also to glucaric acid and mannaric acid. This thesis mainly deals with the selected reactivities of galactaric acid as follows, dehydration of aldaric acids, identifying lactones and unsaturated intermediates involved; reduction of aldaric acid and their unsaturated intermediates; acylation of hydroxy groups of aldaric acids and role of esters in the elimination of acyl groups; role of aldarate salts (both inorganic and organic) in the above mentioned processes; possible efficient transformations into value-added products and materials, including five membered aromatic derivatives of furan and pyrrole, six membered derivatives of pyrenes, amide salts, diamides and polyamides. The new insights gained in this work inspired the development of novel biorefinery pathways and processes to convert galactaric acid into a new group of platform chemicals/intermediates, enabling sustainable biofuel production from carbohydrate biomass. The study of the possibility of dehydrating galactaric acid to give its corresponding unsaturated derivatives was carried out according to a two-step acylation and dehydroelimination approach in presence of acid/base catalyst, providing access to pyrone derivatives. The 2,5-dihydroxyadipic acid and small amount of mono-reduced product were further synthesized by the hydrogenation reaction of the pyronecarboxylic acid. Protected and unprotected 1,4-dicarbonyl compounds (2,5-dihydroxymuconic acid and pyrones) are proved to be relevant intermediates in the dehydration of galactaric acids. They are efficiently converted under mild conditions by amines to pyrrolecarboxylic acid derivatives and unsubstituted pyrroles by decarboxylation under moderate temperatures. A better understanding of the mechanistic details of the formation of pyrroles from mucic acid and amines is provided. Galactaro-1,4-lactone is prepared by a simple thermal method with dimethyl sulfoxide as solvent in quantitative yields, opening the possibility to become a potential platform molecule. Inorganic and organic salts of galactaric acid 1,4-lactone are easily prepared and isolated under mild conditions. Mono salt mono amides of mucic acid and diamides were synthesized in high yields by treatment of galactaric acid 1,4-lactone with primary amines, which is a good start point for synthesis of homo- and co-polymers by further thermal polycondensation. These results can rationalize some literature data on reactions of mucic acid with bases. Galactaro-1,4-lactone is selectively mono-, di- and tri-formylated. This last compound and the corresponding acetylated derivative undergo selective de-acylation by a base to mono-unsaturated lactone. Similar process is observed from other aldaric acid mono and dilactones. These mono-unsaturated lactones are key intermediates for further elimination to di-unsaturated derivatives furan-2,5-dicarboxylic acid under acid catalysis.

Le recenti stime sull’impatto globale prodotto dalle attività umane sul pianeta terra, sia per quanto riguarda la geologia che l'ambiente, hanno indotto governi e industrie a convergere sulla necessità di creare un'economia efficiente sotto il profilo delle risorse, verde, competitiva, e a basse emissioni di carbonio. Tra tutte le strategie applicabili in questa direzione, la chimica verde deve (o dovrebbe) essere la forza trainante per mitigare l'inquinamento e ridurre il consumo di risorse, per poi raggiungere l'obiettivo di ridurre a lungo termine la dipendenza dal carbonio, secondo le linee guida del recente accordo di Parigi sul clima. In questo ambito, un ruolo di rilievo è giocato dalle bioraffinerie di seconda generazione, individuate come basi fondanti per la bioeconomia globale, in grado, come le comuni raffinerie di petrolio, di sviluppare catene di valore integrate per la produzione di alimenti umani e animali, sostanze chimiche, materiali, combustibili, energia e/o calore a partire da produzioni sostenibili di biomasse. Nella moderna bioraffineria questo obiettivo è raggiungibile mediante studi approfonditi interdisciplinari di chimica, chimica organica e biochimica, in grado di individuare strategie di ottenimento e di trasformazioni di molecole semplici di origine biologica (“bio-derived platform chemicals”) da cui recuperare prodotti e materiali sostenibili a valore aggiunto. Si prevede che i risultati migliori saranno ottenibili dalla combinazione di approcci integrati di biotecnologia, chimica e ingegneria. Poiché i componenti principali della biomassa vegetale sono zuccheri a cinque e sei atomi di carbonio (C5 e C6), comuni soprattutto nelle forme condensate dei polisaccaridi strutturali e di riserva, costituiti da unità ripetitive di D-glucosio, D-galattosio, D-mannosio, D-xilosio, L-arabinosio, ecc., l’attenzione di ricercatori e industrie si è concentrata su queste molecole, in particolare sugli esosi (C6) perché più abbondanti e, più specificamente, sui componenti più vicini alla fotosintesi D-glucosio e D-fruttosio. L’ambiente ossidante in cui questi prodotti si generano in natura rende altrettanto facilmente disponibili vie biosintetiche in grado di accedere ad altre piccole molecole, più ossidate degli zuccheri, contenenti tipicamente funzionalità acide. Tra queste si colloca la classe di prodotti studiati in questa tesi, gli acidi aldarici. Questi sono un gruppo di molecole derivate da zuccheri C6 in cui i gruppi terminali idrossimetile e aldeidico sono sostituiti da due gruppi carbossilici e sono quindi caratterizzati dalla formula generale HOOC-(CHOH)n-COOH. Essi si distinguono per la diversa chiralità dei quattro carboni recanti le funzioni alcoliche e sono già noti per specifici usi o quali intermedi per prodotti di chimica fine e per polimeri biodegradabili. Nell’intento di ottenere processi ad elevata economia atomica inseribili in bioraffinerie, il mondo accademico e industriale ha sviluppato in anni recenti strategie di impiego diretto di queste matrici a sei atomi di carbonio come piattaforma di base incorporabile in prodotti e materiali mediante funzionalizzazioni ai gruppi carbossilici ed alcolici. L'acido D-glucarico (uno dei più rappresentativi acidi aldarici e tra le 12 migliori molecole di base indicate dal DoE americano) ha attratto la maggior parte delle attenzioni, con approfondimenti sugli aspetti preparativi e di reattività nella direzione della complessazione di cationi inorganici, dell’interazione con molecole biologiche (con ricadute in ambito farmacologo e medico) e dei materiali polimerici. È sentore comune che gli altri i membri della famiglia degli acidi aldarici, avendo una struttura simile, abbiano un potenziale altrettanto elevato dell’acido glucarico, ma le verifiche in tale direzione sono scarse, cosicché questi prodotti costituiscono ancora, ma in modo immotivato, molecole costose e rivolte ad applicazioni di nicchia. Nella tesi sono raccolte ed utilizzate le informazioni rappresentative desunte dalla letteratura scientifica sui principali acidi aldarici (acido glucarico, acido mannarico e acido galattarico) come introduzione alla loro sintesi, reattività, applicazione e loro potenziale come molecole di base. La tesi è centrata specificamente sull'acido galattarico (noto anche come acido mucico) come modello dell’intera classe. Questo acido, infatti, nonostante la natura multi-chirale dei quattro carboni centrali, esiste in forma meso achirale senza attività ottica, molto conveniente in fase di ottenimento e purificazione, oltre che agevolante le ulteriori modifiche sintetiche. Esso, inoltre, è un potenziale intermedio per la produzione di altri acidi dicarbossilici C6 di importanza industriale, quali l'acido adipico, l’acido 2,5-furandicarbossilico e l’acido tereftalico. Lo studio affrontato in questa tesi rappresenta un tentativo di migliorare le conoscenze sulla chimica degli acidi aldarici, di estendere la scala produttiva di questa classe di composti (oltre le 30,000 ton/anno tipica dell'acido glucarico ed oltre le 15,000 ton/anno per l’acido galattarico) e di integrare i processi bio-idrolitici ossidativi a partire da polisaccaridi purificati e, in prospettiva, da scarti di lavorazioni agricole. Lo studio ha preso in esame la reattività dell’acido galattarico in processi ionici di sostituzione, eliminazione, condensazione e riduzione allo scopo di delineare e sviluppare processi di trasformazione in prodotti della chimica fine, nuovi materiali funzionali e polimeri basati sui monomeri pirrolici, ammidici e esterei. Gli ambiti più promettenti sono stati individuati nelle seguenti trasformazioni: a) disidratazione degli acidi aldarici e loro esteri, b) identificazione dei lattoni e degli intermedi insaturi coinvolti nella disidratazione; c) acilazione dei gruppi ossidrilici e ruolo degli esteri nell'eliminazione dei gruppi acilici; d) riduzione di intermedi insaturi di acidi aldarici; e) preparazione e ruolo dei sali (sia inorganici che organici) nei processi sopra menzionati; f) mono-aldarammidi e loro sali, di-aldardiamidi e polialdarammidi; g) possibili trasformazioni efficienti in prodotti e monomeri aromatici a base di furano, pirrolo e alfa-pirone. Le nuove conoscenze acquisite hanno ispirato lo sviluppo di nuovi percorsi e processi di bioraffineria per convertire l'acido galattarico in un nuovo gruppo di prodotti chimici/intermedi di base, migliorando così anche la sostenibilità della produzione di biocarburanti da biomasse. Una parte importante dello studio ha riguardato il galattaro-1,4-lattone, di cui si è sviluppato un metodo preparativo semplice in rese quantitative per riscaldamento in dimetilsolfossido e si è indagata la versatile chimica, chiarendone le potenzialità come nuova molecola di base. Il lattone infatti è quantitativamente convertito nei suoi sali inorganici e organici in condizioni blande e nei sali dell’acido mucico, superando le difficoltà di solubilità tipiche di questo composto. Inoltre, per trattamento con ammine primarie questo lattone è convertibile in sali di ammonio di galattarammidi e/o in galattarodiammidi in alte rese. Tali derivati si sono dimostrati un buon punto di partenza per la sintesi di omo- e co-polimeri per policondensazione termica. L’insieme dei risultati sul galattaro-1,4-lattone hanno consentito di razionalizzare i dati sporadici di letteratura sulle reazioni tra l'acido mucico e varie tipologie di basi. Interessanti conclusioni sono state anche ottenute sui processi di esterificazione delle funzioni alcoliche del galactaro-1,4-lattone, per i quali si è dimostrato che l’origine della selettiva introduzione delle funzioni aciliche è indotta dalla formazione intermedia di anidride miste tra la funzione acida di questo prodotto e le anidridi alifatiche utilizzate, anidride acetica e formica-acetica. I derivati triacetilati, e soprattutto il triformilato, subiscono de-acilazione selettiva da parte di basi a lattone mono-insaturo, dimostrando peraltro che il processo è comune anche a mono e dilattoni di altri acidi aldarici. Questi lattoni mono-insaturi sono intermedi chiave per l'ulteriore eliminazione ai derivati di-insaturi e all’acido furan-2,5-dicarbossilico sotto catalisi acida. Gli approfondimenti sulla disidratazione dell'acido galattarico sono stati condotti mediante un approccio di acilazione e deidroeliminazione in due fasi, utilizzando catalizzatori misti acido/base, e sono confluiti in un nuovo metodo di sintesi di derivati pironici a partire da carboidrati. L’indagine ha chiarito la rilevanza e versatilità dei derivati dell’acido 2,5-diidrossimuconico quali intermedi chiave nella doppia disidratazione e in successivi processi di aromatizzazione e riduzione. La disponibilità di questi prodotti ha infatti consentito di sviluppare un nuovo metodo di accesso a derivati dell’acido 2,5-diidrossiadipico per idrogenazione catalitica, e, in presenza di ammine primarie, un nuovo metodo di sintesi dell’acido pirrol-2,5-dicarbossilico, (ma anche per blanda decarbossilazione, dell’acido 2-pirrolcarbossilico e pirroli N-sostituiti) nonché semplificare l’accesso all’acido 2,5-furandicarbossilico. L’insieme dei dati raccolti ha tra l’altro fornito una migliore comprensione dei dettagli meccanicistici della trasformazione dell’acido mucico ed ammine in pirroli o ammidi, portando queste reazioni, precedentemente poco indagate, ad interesse preparativo.