Es ist uns eine Freude, diese thematische Reihe zur CO2-Chemie für das Beilstein Journal of Organic Chemistry (BJOC) vorzustellen. Die wachsende Nachfrage nach Energie, Materialien und Chemikalien hat zu einem erneuten Interesse an der CO2-Chemie geführt. Ressourceneffizientere chemische Prozesse werden umgesetzt, während wir vor dem Wandel von einer auf fossilen Brennstoffen basierenden Gesellschaft zu einer Gesellschaft stehen, die auf die nachhaltige Nutzung nachwachsender Rohstoffe setzen muss. Obwohl es viele Möglichkeiten gibt, erneuerbare Energieressourcen zu nutzen, wird ein Großteil der benötigten Materialien und Chemikalien weiterhin auf Kohlenstoff basieren.
Eine der am häufigsten vorkommenden erneuerbaren Kohlenstoffquellen ist Kohlendioxid (Abbildung 1). Kohlenstoffabscheidungstechnologien werden eingesetzt, um einen Teil der jährlichen anthropogenen CO2-Emission von 36.600 Millionen Tonnen CO2 abzuscheiden . Wenn nur ein Bruchteil des eingefangenen CO2-Stroms für die chemische Produktion zur Verfügung gestellt werden könnte, könnte ein wesentlicher Beitrag zur jährlichen Produktion von kohlenstoffbasierten Materialien und Chemikalien geleistet werden. Hier bieten wir dem Leser an, diese Zahlen mit der jährlichen Produktion von Polymermaterialien von 280 Millionen Tonnen in Beziehung zu setzen . Bemerkenswerterweise sind 110 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr für die Herstellung von Harnstoff, Methanol und Salicylsäure heute industrielle Realität. Diese Anwendungen veranschaulichen deutlich den Weg nach vorne. Aufgrund der reichlichen Verfügbarkeit von reinen CO2-Gasströmen ist es nur logisch, eine breitere Verwendung von Kohlendioxid als chemisches Ausgangsmaterial zu fördern. Insbesondere die Verwendung von CO2 zur Herstellung von Materialien und Chemikalien steckt noch in den Kinderschuhen.
Abbildung 1: Das Kohlendioxid-Molekül.
Abbildung 1: Das Kohlendioxid-Molekül.
Kohlendioxid (CO2) ist seit langem die Faszination der Chemiker gerührt. Eine reiche Chemie hat sich unter Verwendung dieses Moleküls in der chemischen Synthese entwickelt . Bisher stellt die geringe Reaktivität des CO2-Moleküls die Nutzung von Kohlendioxid in industriellen Anwendungen vor erhebliche Herausforderungen. Daher wird das CO2-Molekül allgemein als sehr inert empfunden. Diese Wahrnehmung beruht eindeutig auf der hohen chemischen Stabilität von Kohlendioxid. Die Reaktivität des CO2-Moleküls kann jedoch unterschätzt werden. Kohlendioxid ist isoelektronisch zu hochreaktiven Molekülen wie Isocyanaten und Ketenen (Abbildung 2). Dies impliziert, dass Reaktivität und kinetische Einschränkungen bei der chemischen Umwandlung von Kohlendioxid viel seltener auftreten können als allgemein angenommen.
Abbildung 2: Beispiele für hochreaktive Moleküle, die gegenüber Kohlendioxid isoelektronisch sind.
Abbildung 2: Beispiele für hochreaktive Moleküle, die gegenüber Kohlendioxid isoelektronisch sind.
Um sein thermodynamisch niedriges Niveau zu überwinden, wird zusätzliche Energie benötigt, um das CO2-Molekül zu aktivieren. Die dreifache Reaktivität (Abbildung 3) von CO2 mit einem nukleophilen Sauerstoffatom, einem elektrophilen Kohlenstoffatom und einem π-System bietet dem Chemiker viele Möglichkeiten. Ebenso wurde für CO2 eine reiche Koordinationschemie zu Metallzentren gemeldet . Ein möglicher Weg ist die Reaktion von CO2 zu energiereichen Zwischenprodukten, die das CO2-Molekül anschließend auf Zielsubstrate übertragen können . Der Einsatz effizienter Katalysatoren ist oft eine weitere Voraussetzung, um die Reaktionswege mit hoher Selektivität zu den gewünschten Zielprodukten zu führen und kinetische Einschränkungen zu überwinden, die mit bestimmten langsamen Elementarschritten verbunden sind.
Abbildung 3: Dreifache Reaktivität von Kohlendioxid und Beispiele für verschiedene Aktivierungsmodi für CO2 mit Metallzentren in homogenen und heterogenen Katalysatoren .
Abbildung 3: Dreifache Reaktivität von Kohlendioxid und Beispiele für verschiedene Aktivierungsmodi für CO2 involvin…
Diese thematische Reihe zur CO2-Chemie präsentiert faszinierende Ansätze in Bezug auf verschiedene Methoden zur Aktivierung von Kohlendioxid. Ein aufstrebendes Feld ist die elektrochemische Fixierung von CO2, die bei der Synthese von Carbonsäuren angewendet werden kann . Hochinteressant ist auch die Kombination von enzymatischen und photokatalytischen Ansätzen zur Aktivierung von CO2. Bei der Synthese cyclischer Carbonate werden häufig bifunktionelle Katalysatorsysteme benötigt und verstanden. Die Aktivierung von Kohlendioxid durch Einfügen in Metall-Alkoxid-Bindungen ermöglicht nachfolgende Anwendungen in der Polymersynthese wie die Copolymerisation von Kohlendioxid mit Epoxiden und anderen Co-Monomeren . Hier zeigt die Katalyse mit Kobaltkomplexen noch überraschende Effekte. Effizientere Systeme zur CO2-Abscheidung werden auf Basis aminfunktionalisierter ionischer Flüssigkeiten entwickelt, wobei die zwitterionische Adduktbildung der Schlüssel zu einer höheren Effizienz ist. Darüber hinaus sind viele physikalische Eigenschaften von Kohlendioxid hervorragend und machen überkritisches Kohlendioxid zu einem Lösungsmittel wie kein anderes .
Insgesamt bieten die Artikel dieser thematischen Reihe einen bemerkenswerten Überblick über die Möglichkeiten auf dem Gebiet der CO2-Chemie von vielen seiner Top-Praktiker. Diese Möglichkeiten sind Vorboten für die vielen zusätzlichen Reaktionen, Reaktivitätsmodi und Katalysatoren, die noch entdeckt werden müssen. Die Nutzung von Kohlendioxid zur Schaffung wirtschaftlicher Werte wird die treibende Kraft für die weitere Verbreitung dieses faszinierenden Moleküls sein. Langfristig stellen wir uns vor, dass die Menschheit einen anthropogenen Kohlenstoffkreislauf schafft, in dem CO2, das am Ende der Lebensdauer kohlenstoffbasierter Güter des täglichen Lebens freigesetzt wird, wieder zur Herstellung neuer Materialien und Chemikalien verwendet wird.
Wir danken den Autoren für ihre hervorragenden Beiträge, die dazu beigetragen haben, dass diese thematische Reihe so erfolgreich ist wie die vorherigen Ausgaben.
Thomas E. Müller und Walter Leitner
Aachen, April 2015