Acido levulinico: sintesi, usi

L’acido levulinico ha assunto particolare importanza, nell’ambito della Green Chemistry, in quanto è ricavabile da biomasse lignocellulosiche. Classificato nel 2004 dal Dipartimento dell’energia americano come uno dei 10 più importanti derivati da biomassa  (platform chemicals), è una specie versatile per l’ottenimento di un numero considerevole si sostanze che trovano i più svariati utilizzi

L’acido 4-ossopentanoico noto come acido levulinico è un γ-cheto-acido e che quindi presenta sia il gruppo carbonilico che il gruppo carbossilico.

Appartiene pertanto alla famiglia degli acidi grassi a basso peso molecolare, è solubile in acqua e solventi organici polari e deriva dalla degradazione della cellulosa.

Sintesi dell’acido levulinico

L’acido levulinico deve il suo nome al levulosio, antico nome del fruttosio, da cui fu ottenuto dal chimico tedesco Gerardus Johannes Mulder che fece reagire a caldo il fruttosio con acido cloridrico.

Stante la crescente richiesta  la ricerca si è indirizzata verso una chimica sostenibile sfruttando non più materie prime ottenute da fonti non rinnovabili, né da zuccheri, oli vegetali o grassi animali che devono essere destinati all’alimentazione.

Pertanto gli esosi che costituiscono il prodotto di partenza per la sintesi dell’acido levulinico sono stati ottenuti dalla lignocellulosa costituita dagli scarti secchi derivanti da vegetali.

La biomassa lignocellulosica è costituita principalmente da cellulosa, emicellulosa, lignina più altri componenti organici e sali minerali i cui rapporti possono variare in funzione della tipologia o natura della biomassa.

La conversione delle biomasse è attuata tramite la degradazione della lignocellulosa seguita da depolimerizzazione.

L’idrolisi della lignocellulosa viene effettuata in presenza di acidi minerali quali acido solforico e acido cloridrico porta alla formazione di pentosi ed esosi tra cui il 5-(idrossi-metil)-2-furaldeide che viene convertito a caldo e in ambiente acido in acido levulinico e acido formico.

Un altro metodo di produzione consiste nell’idrolisi degli esteri acetil succinati, mediante idrolisi acida dell’alcol furfurilico, o mediante ossidazione di chetoni con ozono. L’LA è stato prodotto mediante carbonilazione di chetoni catalizzata da Pd e mediante alchilazione di nitroalcani. Tuttavia, questi metodi spesso formano grandi quantità di prodotti collaterali e materiali intrattabili o richiedono materie prime iniziali costose.

Recentemente, un nuovo processo sviluppato dalla Biofine Corporation ha eliminato molti dei problemi esistenti con la produzione di LA. Il processo Biofine utilizza l’idrolisi acida degli zuccheri a 6 atomi di carbonio come passaggio chiave per la produzione di LA e riduce al minimo la formazione di prodotti collaterali e i conseguenti problemi di separazione migliorando significativamente l’ingegneria tradizionale del processo di produzione di LA attraverso un nuovo sistema a due reattori 

Usi

Trova utilizzo in:

• Additivi per carburanti. Gli esteri del levulinato sono utilizzati quali additivi per diesel e benzina. Un derivato dell’acido levulinico, il metiltetraidrofurano può essere miscelato alla benzina per aumentarne le prestazioni e ridurne le emissioni
• Polimeri e plastificanti. Gli esteri dell’acido levulinico possono sostituire i plastificanti a base di ftalato. Inoltre il 2-metil-1,4-butandiolo può costituire un monomero per la sintesi di poliuretani. L’acido difenolico, prodotto di condensazione dell’acido levulinico e del fenolo, analogo al bisfenolo A può essere utilizzato nella produzione di poliesteri e policarbonati

• Solventi. Il γ-valerolattone ottenuto per idrogenazione catalitica dell’acido levulinico costituisce un’alternativa sostenibile ai solventi tradizionali. Il metiltetraidrofurano può essere usato come sostituto del tetraidrofurano
• Resine e rivestimenti. L’acido levulinico può essere utilizzato in alcuni tipi di resine per aumentarne la resistenza
• Prodotti usati in agricoltura. L’acido 5-ammino-4-ossopemtanoico noto come acido δ-amminolevulinico è utilizzato come erbicida
• Prodotti cosmetici. L’acido levulinico e i suoi derivati sono utilizzati nei cosmetici quale conservante grazie alle sue capacità di inibire la crescita di microrganismi
• Saponi e profumi. Gli esteri dell’acido levulinico sono utilizzati, grazie ai loro aromi fruttati, nei saponi e profumi