je nám potěšením představit tuto tematickou sérii o chemii CO2 pro Beilstein Journal of Organic Chemistry (BJOC). Dnešní rostoucí poptávka po energii, materiálech a chemikáliích vyvolala obnovený zájem o chemii CO2. Provádějí se účinnější chemické procesy, zatímco čelíme změně ze společnosti založené na fosilních palivech na společnost, která se musí spoléhat na udržitelné využívání obnovitelných zdrojů. Ačkoli existuje mnoho způsobů, jak využít obnovitelné zdroje energie, většina potřebných materiálů a chemikálií bude i nadále na bázi uhlíku.
jedním z nejhojnějších obnovitelných zdrojů uhlíku je oxid uhličitý (Obrázek 1). Technologie zachycování uhlíku jsou implementovány, aby zachytily část roční antropogenní emise CO2 36,600 milionů metrických tun CO2 . Pokud by pro chemickou výrobu mohl být k dispozici pouze zlomek zachyceného proudu CO2, mohl by být významný příspěvek k roční produkci materiálů a chemických látek na bázi uhlíku dodán. Zde nabízíme čtenáři, aby tyto údaje spojil s roční produkcí polymerních materiálů 280 milionů metrických tun . Je pozoruhodné, že 110 milionů tun CO2 ročně pro výrobu močoviny, methanolu a kyseliny salicylové je dnes průmyslovou realitou. Tyto aplikace jasně ilustrují cestu vpřed. Vzhledem k hojné dostupnosti čistých proudů plynu CO2 je logické podporovat rozšířenější používání oxidu uhličitého jako chemické suroviny. Zejména použití CO2 pro výrobu materiálů a chemikálií je stále v plenkách.
Obrázek 1: molekula oxidu uhličitého.
Obrázek 1: molekula oxidu uhličitého.
oxid uhličitý (CO2) již dlouho míchá fascinaci chemiků. Bohatá chemie se vyvinula s využitím této molekuly v chemické syntéze . Dosud nízká reaktivita molekuly CO2 představuje významné výzvy pro využití oxidu uhličitého v průmyslových aplikacích. Molekula CO2 je tedy běžně vnímána jako vysoce inertní. Toto vnímání jasně vyplývá z vysoké chemické stability oxidu uhličitého. Reaktivita molekuly CO2 však může být podceňována. Oxid uhličitý je izoelektronický až vysoce reaktivní molekuly, jako jsou isokyanáty a keteny (Obrázek 2). To znamená, že reaktivita a kinetická omezení se mohou při chemické přeměně oxidu uhličitého setkat mnohem méně často, než se obecně předpokládá.
Obrázek 2: příklady vysoce reaktivních molekul, které jsou isoelektronické vůči oxidu uhličitému.
Obrázek 2: Příklady vysoce reaktivních molekul, které jsou isoelektronické vůči oxidu uhličitému.
k překonání termodynamicky nízké úrovně je zapotřebí další energie k aktivaci molekuly CO2. Trojnásobná reaktivita (obrázek 3) CO2 s atomem nukleofilního kyslíku, elektrofilním atomem uhlíku a systémem π poskytuje chemikovi mnoho možností. Podobně byla hlášena bohatá koordinační chemie pro kovová Centra pro CO2 . Připravovanou cestou je reakce CO2 za vzniku energeticky bohatých meziproduktů, které mohou následně přenášet molekulu CO2 na cílové substráty . Použití účinných katalyzátorů je často dalším předpokladem pro nasměrování reakčních drah s vysokou selektivitou za účelem získání požadovaných cílových produktů a překonání kinetických omezení spojených s určitými pomalými elementárními kroky.
obrázek 3: trojnásobná reaktivita oxidu uhličitého a příklady pro různé režimy aktivace CO2 zahrnující kovová centra v homogenních a heterogenních katalyzátorech .
obrázek 3: trojnásobná reaktivita oxidu uhličitého a příklady různých aktivačních režimů pro CO2 involvin…
tato tematická série o chemii CO2 představuje zajímavé přístupy týkající se různých metodik aktivace oxidu uhličitého. Jedním z nově vznikajících polí je elektrochemická fixace CO2, která může být použita při syntéze karboxylových kyselin . Velmi zajímavá je také kombinace enzymatických a fotokatalytických přístupů pro aktivaci CO2 . Bifunkční katalyzátorové systémy jsou často potřebné a dobře srozumitelné při syntéze cyklických uhličitanů . Aktivace oxidu uhličitého jeho vložením do kov-alkoxidových vazeb umožňuje následné aplikace při syntéze polymerů, jako je kopolymerace oxidu uhličitého s epoxidy a dalšími komonomery . Zde katalýza s komplexy kobaltu stále představuje překvapivé účinky . Účinnější systémy pro zachycování CO2 jsou vyvíjeny na bázi Amin-funkcionalizovaných iontových kapalin, kde je tvorba zwitterionových aduktů klíčem k vyšší účinnosti . Kromě toho je mnoho fyzikálních vlastností oxidu uhličitého vynikající, díky čemuž je superkritický oxid uhličitý rozpouštědlem jako žádný jiný .
celkově články v této tematické sérii představují pozoruhodný přehled příležitostí v oblasti chemie CO2 od mnoha jejích špičkových odborníků. Tyto příležitosti jsou předzvěstí mnoha dalších reakcí, režimů reaktivity a katalyzátorů, které zbývá objevit. Využití oxidu uhličitého k vytvoření ekonomické hodnoty bude hnací silou pro širší využití této fascinující molekuly. Z dlouhodobého hlediska si představujeme, že lidstvo vytvoří antropogenní uhlíkovou smyčku, kde CO2 uvolněný na konci životnosti zboží na bázi uhlíku každodenního života je opět zaměstnán při výrobě nových materiálů a chemikálií.
jsme velmi vděční autorům za jejich vynikající příspěvky k tomu, aby tato tematická série byla stejně úspěšná jako předchozí vydání.
Thomas E. Müller a Walter Leitner
Cáchy, duben 2015