meillä on ilo esitellä tämä CO2-kemiaa käsittelevä Teemasarja Beilstein Journal of Organic Chemistry (BJOC) – lehteen. Tämän päivän kasvava energian, materiaalien ja kemikaalien kysyntä on herättänyt uudelleen kiinnostusta CO2-kemiaan. Resurssitehokkaampia kemiallisia prosesseja toteutetaan, samalla kun olemme muuttumassa fossiilisiin polttoaineisiin perustuvasta yhteiskunnasta sellaiseksi, jonka on luotettava uusiutuvien luonnonvarojen kestävään käyttöön. Vaikka uusiutuvien energiavarojen hyödyntämiseen on monia keinoja, suuri osa tarvittavista materiaaleista ja kemikaaleista on jatkossakin hiilipohjaisia.
yksi runsaimmista uusiutuvista hiilivarannoista on hiilidioksidi (Kuva 1). Hiilidioksidin talteenottoteknologioita toteutetaan, jotta saadaan talteen osa ihmisen aiheuttamista vuosittaisista CO2-päästöistä, jotka ovat 36 600 miljoonaa tonnia CO2: ta . Jos vain murto-osa talteen otetusta CO2-virrasta voitaisiin toimittaa kemiantuotantoon, voitaisiin toimittaa merkittävä osuus hiilipohjaisten materiaalien ja kemikaalien vuosituotannosta. Täällä tarjoamme lukijalle suhteuttaa nämä luvut vuosituotanto polymeerimateriaalien 280 miljoonaa tonnia . Huomattavaa on, että 110 miljoonaa tonnia hiilidioksidia vuodessa urean, metanolin ja salisyylihapon tuottamiseksi ovat teollista todellisuutta. Nämä sovellukset kuvaavat selvästi polkua eteenpäin. Puhtaiden CO2-kaasuvirtojen runsaasta saatavuudesta johtuen on vain loogista edistää hiilidioksidin laajempaa käyttöä kemiallisena raaka-aineena. Hiilidioksidin käyttö materiaalien ja kemikaalien valmistuksessa on vielä lapsenkengissä.
Kuva 1: hiilidioksidimolekyyli.
Kuva 1: hiilidioksidimolekyyli.
hiilidioksidi (CO2) on jo pitkään herättänyt kemistien ihastusta. Rikas kemia on kehittynyt hyödyntäen tätä molekyyliä kemiallisessa synteesissä . Tähän asti CO2-molekyylin alhainen reaktiivisuus aiheuttaa merkittäviä haasteita hiilidioksidin hyödyntämiselle teollisissa sovelluksissa. Näin ollen CO2-molekyyli mielletään yleisesti erittäin inertiksi. Tämä käsitys johtuu selvästi hiilidioksidin korkeasta kemiallisesta stabiiliudesta. CO2-molekyylin reaktiivisuus voidaan kuitenkin aliarvioida. Hiilidioksidi on isoelektronista erittäin reaktiivisiin molekyyleihin, kuten isosyanaatteihin ja keteeneihin (kuva 2). Tämä merkitsee sitä, että reaktiivisuutta ja kineettisiä rajoituksia saattaa esiintyä paljon harvemmin hiilidioksidin kemiallisessa muuntamisessa kuin yleisesti oletetaan.
kuva 2: esimerkkejä erittäin reaktiivisista molekyyleistä, jotka ovat isoelektronisia ja hiilidioksidia.
kuva 2: Esimerkkejä erittäin reaktiivisista molekyyleistä, jotka ovat isoelektronisia hiilidioksidille.
sen termodynaamisesti alhaisen tason voittamiseksi tarvitaan lisäenergiaa CO2-molekyylin aktivoimiseksi. Hiilidioksidin kolminkertainen reaktiivisuus (kuva 3) nukleofiilisella happiatomilla, elektrofiilisella hiiliatomilla ja π-systeemillä tarjoaa kemistille monia vaihtoehtoja. Samoin on raportoitu rikkaasta koordinointikemiasta metallikeskuksiin hiilidioksidin osalta . Tuleva reitti on hiilidioksidin reaktio, jossa muodostuu energiapitoisia välituotteita, jotka voivat myöhemmin siirtää CO2-molekyylin kohdesubstraateille . Tehokkaiden katalyyttien käyttö on usein toinen edellytys reaktioreittien ohjaamiseksi suurella selektiivisyydellä halutun kohdetuotteen tuottamiseksi ja tiettyihin hitaisiin alkeisvaiheisiin liittyvien kineettisten rajoitusten poistamiseksi.
kuva 3: hiilidioksidin kolminkertainen reaktiivisuus ja esimerkkejä erilaisista CO2: n aktivointitiloista, joissa on metallikeskuksia homogeenisissa ja heterogeenisissä katalyyteissä .
kuva 3: hiilidioksidin kolminkertainen reaktiivisuus ja esimerkkejä CO2 involvinin eri aktivointitiloista…
tässä CO2-kemiaa käsittelevässä Teemasarjassa esitellään kiehtovia lähestymistapoja hiilidioksidin aktivointimenetelmiin. Yksi kehittyvä kenttä on hiilidioksidin sähkökemiallinen kiinnittyminen, jota voidaan soveltaa karboksyylihappojen synteesissä . Erittäin mielenkiintoinen on myös entsymaattisten ja fotokatalyyttisten lähestymistapojen yhdistelmä CO2: n aktivoimiseksi . Bifunktionaalisia katalyyttijärjestelmiä tarvitaan usein ja ne tunnetaan hyvin syklisten karbonaattien synteesissä . Hiilidioksidin aktivointi lisäämällä sitä metalli-alkoksidisidoksiin mahdollistaa myöhemmät Sovellukset polymeerisynteesissä, kuten hiilidioksidin kopolymerisaation epoksideilla ja muilla koomonomeereilla . Tässä katalyysillä kobolttikomplekseilla on edelleen yllättäviä vaikutuksia . Tehokkaampia CO2-talteenottojärjestelmiä kehitetään amiinifunktionalisoitujen ionisten nesteiden pohjalta, joissa zwitterionisten adduktioiden muodostuminen on avain suurempaan hyötysuhteeseen . Lisäksi monet hiilidioksidin fysikaaliset ominaisuudet ovat huomattavia, joten ylikriittinen hiilidioksidi on vertaansa vailla oleva liuotin .
kaiken kaikkiaan tämän Teemasarjan artikkelit tarjoavat merkittävän yleiskatsauksen CO2-kemian alan mahdollisuuksista monilta sen huippuosaajilta. Nämä mahdollisuudet enteilevät monia muita reaktioita, reaktiivisuustiloja ja katalyyttejä, jotka ovat vielä löytämättä. Hiilidioksidin hyödyntäminen taloudellisen arvon luomiseksi on liikkeellepaneva voima tämän kiehtovan molekyylin laajemmalle käytölle. Pitkällä aikavälillä kuvittelemme, että ihmiskunta luo ihmisperäisen hiilisilmukan, jossa arjen hiilipohjaisten tuotteiden elinkaaren lopussa vapautuvaa CO2: ta käytetään jälleen uusien materiaalien ja kemikaalien tuotannossa.
olemme erittäin kiitollisia kirjoittajille heidän erinomaisesta panoksestaan tämän Teemasarjan onnistumiseksi yhtä hyvin kuin edelliset painokset.
Thomas E. Müller ja Walter Leitner
Aachen, Huhtikuu 2015