det er vores fornøjelse at introducere denne tematiske serie om CO2 chemistry For Beilstein Journal of Organic Chemistry (BJOC). Dagens stigende efterspørgsel efter energi, materialer og kemikalier har givet anledning til fornyet interesse for CO2-Kemi. Mere ressourceeffektive kemiske processer implementeres, mens vi står over for overgangen fra et fossilt brændstofbaseret samfund til et samfund, der skal stole på bæredygtig anvendelse af vedvarende ressourcer. Selvom der er mange måder at udnytte vedvarende energiressourcer på, vil meget af de nødvendige materialer og kemikalier fortsat være kulstofbaserede.
en af de mest udbredte vedvarende ressourcer af kulstof er kulsyre (Figur 1). Carbon capture-teknologier implementeres for at fange en del af den årlige menneskeskabte CO2-emission på 36.600 millioner tons CO2 . Hvis kun en brøkdel af den optagne CO2-strøm kunne stilles til rådighed til kemisk produktion, kunne der leveres et betydeligt bidrag til den årlige produktion af kulstofbaserede materialer og kemikalier. Her tilbyder vi læseren at relatere disse tal med den årlige produktion af polymere materialer på 280 millioner tons . Bemærkelsesværdigt er 110 millioner tons CO2 om året til fremstilling af urinstof, methanol og salicylsyre industriel virkelighed i dag. Disse applikationer illustrerer tydeligt vejen fremad. På grund af den rigelige tilgængelighed af rene CO2-gasstrømme er det kun logisk at fremme en mere udbredt anvendelse af kulsyre som kemisk råmateriale. Især er brugen af CO2 til fremstilling af materialer og kemikalier stadig i sin barndom.
Figur 1: kulstofmolekylet.
Figur 1: kulstofmolekylet.
kulsyre (CO2) har længe rørt fascinationen af kemikere. En rig kemi har udviklet sig ved hjælp af dette molekyle i kemisk syntese . Hidtil udgør den lave reaktivitet af CO2-molekylet betydelige udfordringer for anvendelsen af kulsyre i industrielle applikationer. Således opfattes CO2-molekylet almindeligvis som meget inert. Denne opfattelse skyldes klart den høje kemiske stabilitet af kulsyre. Imidlertid kan reaktiviteten af CO2-molekylet undervurderes. Kulsyre er isoelektronisk til stærkt reaktive molekyler såsom isocyanater og ketener (figur 2). Dette indebærer, at reaktivitet og kinetiske begrænsninger kan forekomme meget sjældnere i den kemiske omdannelse af kulsyre end generelt antaget.
figur 2: eksempler på stærkt reaktive molekyler, der er isoelektroniske til kulsyre.
figur 2: Eksempler på stærkt reaktive molekyler, der er isoelektroniske til kulsyre.
for at overvinde dets termodynamisk lave niveau kræves yderligere energi for at aktivere CO2-molekylet. Den trefoldige reaktivitet (figur 3) af CO2 med et nukleofilt iltatom, et elektrofilt carbonatom og et Kolos-system giver kemikeren mange muligheder. Ligeledes er der rapporteret om en rig koordineringskemi til metalcentre for CO2 . En kommende vej er reaktionen af CO2 til dannelse af energirige mellemprodukter, der efterfølgende kan overføre CO2-molekylet til målsubstrater . Anvendelsen af effektive katalysatorer er ofte en anden forudsætning for at lede reaktionsveje med høj selektivitet for at give de ønskede målprodukter og for at overvinde kinetiske begrænsninger forbundet med visse langsomme elementære trin.
figur 3: tredobbelt reaktivitet af kulsyre og eksempler på forskellige aktiveringsmetoder for CO2, der involverer metalcentre i homogene og heterogene katalysatorer .
figur 3: tredobbelt reaktivitet af kulsyre og eksempler på forskellige aktiveringsmetoder for CO2 involvin…
denne tematiske serie om CO2-Kemi præsenterer spændende tilgange til forskellige metoder til at aktivere kulsyre. Et emerging felt er den elektrokemiske fiksering af CO2, som kan anvendes i syntesen af carboksyl syrer . Også meget interessant er kombinationen af fotokatalytiske metoder til aktivering af CO2 . Bifunktionelle katalysatorsystemer er ofte nødvendige og godt forstået i syntesen af cykliske carbonater . Aktivering af kulsyre ved at indsætte det i metalalkiltebindinger muliggør efterfølgende anvendelser i polymersyntese, såsom copolymerisering af kulsyre med epoksider og andre co-monomerer . Her præsenterer katalysen med koboltkomplekser stadig overraskende effekter . Mere effektive systemer til CO2-opsamling udvikles på basis af aminfunktionaliserede Ioniske væsker, hvor dannelse af adduktdannelse er nøglen til højere effektivitet . Desuden er mange fysiske egenskaber ved kulsyre fremragende, hvilket gør superkritisk kulsyre til et opløsningsmiddel som ingen anden .
alt i alt præsenterer artiklerne i denne tematiske serie et bemærkelsesværdigt overblik over mulighederne inden for CO2-kemi fra mange af dens topudøvere. Disse muligheder er harbingers af de mange yderligere reaktioner, reaktivitetsformer og katalysatorer, der stadig skal opdages. Udnyttelse af kulsyre til at skabe økonomisk værdi vil være drivkraften for den mere udbredte anvendelse af dette fascinerende molekyle. På lang sigt forestiller vi os, at menneskeheden skaber en menneskeskabt kulstofsløjfe, hvor CO2 frigivet i slutningen af levetiden for kulstofbaserede varer i hverdagen igen anvendes til produktion af nye materialer og kemikalier.
vi er meget taknemmelige for forfatterne for deres fremragende bidrag til at gøre denne tematiske serie så vellykket som de tidligere udgaver.
Thomas E. M. L. Leitner
Aachen, April 2015