Nos complace presentar esta Serie Temática sobre química de CO2 para el Beilstein Journal of Organic Chemistry (BJOC). La creciente demanda actual de energía, materiales y productos químicos ha suscitado un renovado interés en la química del CO2. Se están implementando procesos químicos más eficientes en el uso de los recursos, mientras enfrentamos el cambio de una sociedad basada en los combustibles fósiles a una que debe depender del uso sostenible de los recursos renovables. Aunque hay muchas maneras de aprovechar los recursos de energía renovable, gran parte de los materiales y productos químicos necesarios seguirán basándose en el carbono.
Uno de los recursos renovables de carbono más abundantes es el dióxido de carbono (Figura 1). Se están aplicando tecnologías de captura de carbono para capturar una parte de las emisiones antropógenas anuales de CO2 de 36.600 millones de toneladas métricas de CO2 . Si sólo una fracción de la corriente de CO2 capturada pudiera destinarse a la producción de productos químicos, se podría aportar una contribución significativa a la producción anual de materiales y productos químicos a base de carbono. Aquí, ofrecemos al lector relacionar estas cifras con la producción anual de materiales poliméricos de 280 millones de toneladas métricas . Sorprendentemente, 110 millones de toneladas métricas de CO2 por año para la producción de urea, metanol y ácido salicílico son una realidad industrial hoy en día. Estas aplicaciones ilustran claramente el camino a seguir. Debido a la abundante disponibilidad de corrientes de gas puro de CO2 , es lógico promover un uso más generalizado del dióxido de carbono como materia prima química. En particular, el uso de CO2 para la fabricación de materiales y productos químicos aún está en sus inicios.
Figura 1: La molécula de dióxido de carbono.
Figura 1: La molécula de dióxido de carbono.
el dióxido de Carbono (CO2) ha agitado la fascinación de los químicos. Una rica química ha evolucionado utilizando esta molécula en síntesis química . Hasta ahora, la baja reactividad de la molécula de CO2 plantea desafíos significativos para la utilización del dióxido de carbono en aplicaciones industriales. Por lo tanto, la molécula de CO2 se percibe comúnmente como altamente inerte. Esta percepción se deriva claramente de la alta estabilidad química del dióxido de carbono. Sin embargo, la reactividad de la molécula de CO2 puede ser subestimada. El dióxido de carbono es de moléculas isoelectrónicas a altamente reactivas, como isocianatos y cetenas (Figura 2). Esto implica que la reactividad y las limitaciones cinéticas pueden encontrarse con mucha menos frecuencia en la conversión química del dióxido de carbono de lo que se supone generalmente.
Figura 2: Ejemplos de moléculas altamente reactivas que son isoelectrónico dióxido de carbono.
Figura 2: Ejemplos de moléculas altamente reactivas que son isoelectrónicas a dióxido de carbono.
Para superar su termodinámicamente bajo nivel, se requiere energía adicional para activar la molécula de CO2. La reactividad triple (Figura 3) del CO2 con un átomo de oxígeno nucleofílico, un átomo de carbono electrofílico y un sistema π proporciona al químico muchas opciones. Del mismo modo, se ha informado de una rica química de coordinación con los centros de metales para el CO2 . Una vía próxima es la reacción del CO2 para formar intermedios ricos en energía que posteriormente pueden transferir la molécula de CO2 a los sustratos objetivo . El uso de catalizadores eficientes es a menudo otro requisito para dirigir las vías de reacción con alta selectividad para obtener los productos objetivo deseados y superar las limitaciones cinéticas asociadas con ciertos pasos elementales lentos.
Figura 3: Reactividad triple del dióxido de carbono y ejemplos de diferentes modos de activación para CO2 que involucran centros metálicos en catalizadores homogéneos y heterogéneos .
Figura 3: Reactividad triple del dióxido de carbono y ejemplos de diferentes modos de activación para la implicación de CO2…
Esta Serie Temática sobre química de CO2 presenta enfoques intrigantes con respecto a diferentes metodologías para activar el dióxido de carbono. Un campo emergente es la fijación electroquímica de CO2, que se puede aplicar en la síntesis de ácidos carboxílicos . También es muy interesante la combinación de enfoques enzimáticos y fotocatalíticos para activar el CO2 . Los sistemas catalíticos bifuncionales se necesitan con frecuencia y se conocen bien en la síntesis de carbonatos cíclicos . La activación del dióxido de carbono insertándolo en enlaces metal-alcóxido permite aplicaciones posteriores en la síntesis de polímeros, como la copolimerización del dióxido de carbono con epóxidos y otros co-monómeros . Aquí, la catálisis con complejos de cobalto todavía presenta efectos sorprendentes . Se están desarrollando sistemas más eficientes para la captura de CO2 sobre la base de líquidos iónicos funcionalizados con aminas, donde la formación de aductos zwitteriónicos es la clave para una mayor eficiencia . Además, muchas propiedades físicas del dióxido de carbono son excepcionales, lo que hace que el dióxido de carbono supercrítico sea un solvente como ningún otro .
En conjunto, los artículos de esta Serie Temática presentan una visión general notable de las oportunidades en el campo de la química de CO2 de muchos de sus principales profesionales. Estas oportunidades son presagios de muchas reacciones adicionales, modos de reactividad y catalizadores que quedan por descubrir. La explotación del dióxido de carbono para crear valor económico será la fuerza impulsora para el uso más generalizado de esta fascinante molécula. A largo plazo, imaginamos a la humanidad creando un bucle de carbono antropogénico en el que el CO2 liberado al final de la vida útil de los bienes de la vida cotidiana basados en carbono se emplee nuevamente en la producción de nuevos materiales y productos químicos.
Estamos muy agradecidos a los autores por sus excelentes contribuciones para que esta Serie Temática sea tan exitosa como las ediciones anteriores.
Thomas E. Müller y Walter Leitner
Aachen, abril de 2015