È nostro piacere presentare questa serie tematica sulla chimica CO2 per il Beilstein Journal of Organic Chemistry (BJOC). La crescente domanda odierna di energia, materiali e prodotti chimici ha suscitato un rinnovato interesse per la chimica della CO2. Si stanno implementando processi chimici più efficienti sotto il profilo delle risorse, mentre stiamo affrontando il cambiamento da una società basata sui combustibili fossili a una società che deve fare affidamento sull’uso sostenibile delle risorse rinnovabili. Anche se ci sono molti modi per sfruttare le risorse energetiche rinnovabili, gran parte dei materiali e delle sostanze chimiche necessarie continuerà ad essere a base di carbonio.
Una delle più abbondanti risorse rinnovabili di carbonio è l’anidride carbonica (Figura 1). Le tecnologie di cattura del carbonio sono state implementate per catturare una parte dell’emissione di CO2 antropogenica annuale di 36.600 milioni di tonnellate di CO2 . Se solo una frazione del flusso di CO2 catturato potesse essere resa disponibile per la produzione chimica, si potrebbe fornire un contributo significativo alla produzione annuale di materiali e prodotti chimici a base di carbonio. Qui, offriamo al lettore di mettere in relazione queste cifre con la produzione annuale di materiali polimerici di 280 milioni di tonnellate metriche . Sorprendentemente, 110 milioni di tonnellate di CO2 all’anno per la produzione di urea, metanolo e acido salicilico sono oggi realtà industriale. Queste applicazioni illustrano chiaramente il percorso in avanti. A causa dell’abbondante disponibilità di flussi di gas CO2 puri , è logico promuovere un uso più diffuso dell’anidride carbonica come materia prima chimica. In particolare, l’uso di CO2 per la produzione di materiali e prodotti chimici è ancora agli inizi.
Figura 1: La molecola di anidride carbonica.
Figura 1: La molecola di anidride carbonica.
L’anidride carbonica (CO2) ha suscitato a lungo il fascino dei chimici. Una chimica ricca si è evoluta utilizzando questa molecola nella sintesi chimica . Finora la bassa reattività della molecola di CO2 pone sfide significative all’utilizzo dell’anidride carbonica nelle applicazioni industriali. Pertanto, la molecola di CO2 è comunemente percepita come altamente inerte. Questa percezione deriva chiaramente dall’elevata stabilità chimica dell’anidride carbonica. Tuttavia, la reattività della molecola di CO2 può essere sottovalutata. L’anidride carbonica è isoelettronica a molecole altamente reattive come isocianati e cheteni (Figura 2). Ciò implica che la reattività e le limitazioni cinetiche possono essere riscontrate molto meno frequentemente nella conversione chimica dell’anidride carbonica di quanto generalmente ipotizzato.
Figura 2: Esempi di molecole altamente reattive che sono isoelettroniche all’anidride carbonica.
Figura 2: Esempi di molecole altamente reattive che sono isoelettroniche all’anidride carbonica.
Per superare il suo livello termodinamicamente basso, è necessaria energia aggiuntiva per attivare la molecola di CO2. La triplice reattività (Figura 3) della CO2 con un atomo di ossigeno nucleofilo, un atomo di carbonio elettrofilo e un sistema π fornisce al chimico molte opzioni. Allo stesso modo, è stata segnalata una ricca chimica di coordinamento con i centri metallici per la CO2 . Un percorso imminente è la reazione di CO2 per formare intermedi ricchi di energia che possono successivamente trasferire la molecola di CO2 ai substrati bersaglio . L’uso di catalizzatori efficienti è spesso un altro requisito per indirizzare i percorsi di reazione con elevata selettività per produrre i prodotti target desiderati e per superare le limitazioni cinetiche associate a determinati passaggi elementari lenti.
Figura 3: Triplice reattività dell’anidride carbonica ed esempi di diverse modalità di attivazione della CO2 che coinvolgono centri metallici in catalizzatori omogenei ed eterogenei .
Figura 3: Reattività triplice del biossido di carbonio ed esempi per diverse modalità di attivazione per CO2 involvin…
Questa serie tematica sulla chimica della CO2 presenta approcci intriganti riguardanti diverse metodologie per attivare l’anidride carbonica. Un campo emergente è la fissazione elettrochimica della CO2, che può essere applicata nella sintesi degli acidi carbossilici . Molto interessante è anche la combinazione di approcci enzimatici e fotocatalitici per l’attivazione della CO2 . I sistemi catalitici bifunzionali sono spesso necessari e ben compresi nella sintesi di carbonati ciclici . L’attivazione dell’anidride carbonica inserendola in legami metallo-alcossido consente successive applicazioni nella sintesi polimerica come la copolimerizzazione dell’anidride carbonica con epossidi e altri co-monomeri . Qui, la catalisi con complessi di cobalto presenta ancora effetti sorprendenti . Sistemi più efficienti per la cattura di CO2 sono in fase di sviluppo sulla base di liquidi ionici funzionalizzati con ammina in cui la formazione di addotti zwitterionici è la chiave per una maggiore efficienza . Inoltre, molte proprietà fisiche dell’anidride carbonica sono eccezionali, rendendo l’anidride carbonica supercritica un solvente come nessun altro .
Complessivamente, gli articoli di questa serie tematica presentano una notevole panoramica delle opportunità nel campo della chimica del CO2 da parte di molti dei suoi migliori professionisti. Queste opportunità sono forieri di molte reazioni aggiuntive, modalità di reattività e catalizzatori che rimangono da scoprire. Sfruttare l’anidride carbonica per creare valore economico sarà la forza trainante per l’uso più diffuso di questa affascinante molecola. A lungo termine, immaginiamo che l’umanità crei un ciclo di carbonio antropogenico in cui la CO2 rilasciata alla fine della durata della vita dei beni a base di carbonio della vita quotidiana venga nuovamente impiegata nella produzione di nuovi materiali e prodotti chimici.
Siamo molto grati agli autori per il loro eccellente contributo nel rendere questa serie tematica di successo come le precedenti edizioni.
Thomas E. Müller e Walter Leitner
Aquisgrana, aprile 2015