Pd-loaded nanocellulose-based materials as heterogeneous catalysts for Suzuki-Miyaura coupling reactions

With the EU energy conservation, emission reduction and low carbon requirements, the green chemistry and sustainable development of the chemical industry are becoming more and more important. In this context cellulose can be easily involved. Among materials of natural origin and bio-friendly, cellulose turns out to be very versatile and easy to functionalize, combining high reactivity and eco-compatibility. In this study, TEMPO-oxidized cellulose nanofibers and cross-linking agents (branched polyethyleneimine and citric acid) were combined to form nanosponges based on nanocellulose with a cross-linked structure that were used as support for Palladium, obtaining a novel heterogeneous catalyst for Suzuki-Miyaura coupling reactions. The microstructure and Pd loading on CNS were investigated by scanning electron microscopy (SEM) analysis with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) detector and by inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES) analysis. The resulting materials show high efficiency as heterogeneous catalysts for promoting the Suzuki-Miyaura reaction. With the help of a microwave reactor, several reaction parameters were studied: reaction time, temperature, amount of phase transfer catalyst and percentage of catalyst. The optimized conditions allow the reaction to get more than 97% yield. Reusability tests of this cellulose-based Pd loaded catalyst were also conducted, showing catalytic activity up to 4 reuses. The high cost of Palladium and sustainable development of new technologies were considered for these tests.

Nell'ultimo decennio l'Unione Europea si sta muovendo sempre più verso una transizione verde e tematiche come la conservazione dell'energia, la riduzione delle emissioni di carbonio, la chimica verde e lo sviluppo sostenibile dell'industria chimica stanno diventando sempre più importanti. In questo contesto si inserisce perfettamente la cellulosa, che tra i materiali di origine naturale e bio-friendly risulta essere molto versatile e facile da funzionalizzare, combinando alta reattività ed eco-compatibilità. In questo studio, nanofibre di cellulosa TEMPO-ossidate e agenti reticolanti (polietilenimmina ramificata e acido citrico) sono stati combinati per formare nanospugne a base di nanocellulosa con struttura reticolata che sono state utilizzate come supporto per il Palladio, ottenendo un catalizzatore eterogeneo innovativo per le reazioni di accoppiamento Suzuki-Miyaura. La struttura morfologica e il caricamento del metallo su queste nanospugne sono stati studiati con metodi analitici SEM-EDS e ICP-OES. I materiali ottenuti come catalizzatori eterogenei hanno mostrato un'alta efficienza nel promuovere le reazioni di accoppiamento Suzuki-Miyaura. Con l'aiuto di un reattore a microonde, sono stati studiati diversi parametri di reazione: tempo di reazione, temperatura, quantità di catalizzatore di trasferimento di fase e percentuale di catalizzatore. Nelle condizioni ottimali è stata ottenuta una resa di reazione superiore al 97%. Sono stati anche condotti test di riutilizzo di questo catalizzatore caricato con Pd a base di cellulosa, mostrando attività catalitica sino a 4 riutilizzi. Per questi test gli alti costi del Palladio e lo sviluppo sostenibile di nuove tecnologie sono stati presi in considerazione.