mamy przyjemność przedstawić tę tematyczną serię na temat chemii CO2 dla Beilstein Journal of Organic Chemistry (BJOC). Dzisiejsze rosnące zapotrzebowanie na energię, materiały i chemikalia spowodowało ponowne zainteresowanie chemią CO2. Wdrażane są bardziej zasobooszczędne procesy chemiczne, a my stoimy w obliczu zmiany ze społeczeństwa opartego na paliwach kopalnych na społeczeństwo, które musi opierać się na zrównoważonym wykorzystaniu zasobów odnawialnych. Chociaż istnieje wiele sposobów wykorzystania odnawialnych źródeł energii, większość potrzebnych materiałów i chemikaliów będzie nadal oparta na węglu.
jednym z najbardziej obfitych odnawialnych zasobów węgla jest dwutlenek węgla (Rysunek 1). Technologie wychwytywania dwutlenku węgla są wdrażane w celu wychwytywania części rocznej antropogenicznej emisji CO2 wynoszącej 36 600 mln ton CO2. Gdyby tylko ułamek wychwyconego strumienia CO2 mógł zostać udostępniony do produkcji chemicznej, mógłby zostać dostarczony znaczący wkład w roczną produkcję materiałów i chemikaliów opartych na węglu. Tutaj proponujemy czytelnikowi odniesienie tych danych do rocznej produkcji materiałów polimerowych 280 milionów ton metrycznych . Co ciekawe, 110 milionów ton CO2 rocznie do produkcji mocznika, metanolu i kwasu salicylowego to dziś rzeczywistość przemysłowa. Aplikacje te wyraźnie ilustrują ścieżkę do przodu. Ze względu na dużą dostępność czystych strumieni gazu CO2 logiczne jest jedynie promowanie szerszego stosowania dwutlenku węgla jako surowca chemicznego. W szczególności wykorzystanie CO2 do produkcji materiałów i chemikaliów jest jeszcze w powijakach.
Rysunek 1: cząsteczka dwutlenku węgla.
Rysunek 1: cząsteczka dwutlenku węgla.
dwutlenek węgla (CO2) od dawna wzbudzał fascynację chemików. Bogata Chemia rozwinęła się wykorzystując tę cząsteczkę w syntezie chemicznej . Dotychczas niska reaktywność cząsteczki CO2 stwarza poważne wyzwania dla wykorzystania dwutlenku węgla w zastosowaniach przemysłowych. Tak więc cząsteczka CO2 jest powszechnie postrzegana jako wysoce obojętna. To postrzeganie wyraźnie wynika z wysokiej stabilności chemicznej dwutlenku węgla. Jednak reaktywność cząsteczki CO2 może być niedoszacowana. Dwutlenek węgla jest izoelektroniczny wobec wysoce reaktywnych cząsteczek, takich jak izocyjaniany i keteny (ryc. 2). Oznacza to, że reaktywność i ograniczenia kinetyczne można napotkać znacznie rzadziej w chemicznej konwersji dwutlenku węgla, niż się ogólnie zakłada.
Rysunek 2: Przykłady wysoce reaktywnych cząsteczek, które są izoelektroniczne dla dwutlenku węgla.
Rysunek 2: Przykłady wysoce reaktywnych cząsteczek, które są izoelektroniczne dla dwutlenku węgla.
aby przezwyciężyć jego termodynamicznie niski poziom, potrzebna jest dodatkowa energia do aktywacji cząsteczki CO2. Potrójna reaktywność (Fig. 3) CO2 z nukleofilowym atomem tlenu, elektrofilowym atomem węgla i układem π daje chemikowi wiele możliwości. Podobnie, bogata Chemia koordynacyjna do centrów metalowych została zgłoszona dla CO2 . Nadchodząca ścieżka jest reakcja CO2 do tworzenia bogatych w energię półproduktów, które mogą następnie przenieść cząsteczkę CO2 do docelowych substratów . Zastosowanie wydajnych katalizatorów jest często kolejnym warunkiem skierowania szlaków reakcji o wysokiej selektywności w celu uzyskania pożądanych produktów docelowych i przezwyciężenia ograniczeń kinetycznych związanych z pewnymi powolnymi etapami elementarnymi.
Rysunek 3: trzykrotna reaktywność dwutlenku węgla i przykłady różnych trybów aktywacji CO2 z udziałem ośrodków metalowych w katalizatorach jednorodnych i heterogenicznych .
Rysunek 3: trzykrotna reaktywność dwutlenku węgla i przykłady różnych trybów aktywacji dla CO2 involvin…
ta seria tematyczna na temat chemii CO2 przedstawia intrygujące podejścia dotyczące różnych metod aktywacji dwutlenku węgla. Jedną z pojawiających się dziedzin jest elektrochemiczne utrwalanie CO2, które może być stosowane w syntezie kwasów karboksylowych . Bardzo interesująca jest również kombinacja enzymatycznych i fotokatalitycznych podejść do aktywacji CO2 . Dwufunkcyjne układy katalizatorów są często potrzebne i dobrze poznane w syntezie cyklicznych węglanów . Aktywacja dwutlenku węgla poprzez wprowadzenie go do wiązań metal-alkoksyd pozwala na późniejsze zastosowania w syntezie polimerów, takie jak kopolimeryzacja dwutlenku węgla z epoksydami i innymi Ko-monomerami . Tutaj kataliza z kompleksami kobaltu nadal daje zaskakujące efekty . Bardziej wydajne systemy wychwytywania CO2 są opracowywane w oparciu o funkcjonalizowane aminowo ciecze jonowe, w których zwitterionowe tworzenie adduktu jest kluczem do wyższej wydajności . Ponadto wiele właściwości fizycznych dwutlenku węgla jest wybitnych, dzięki czemu nadkrytyczny dwutlenek węgla jest rozpuszczalnikiem jak żaden inny .
Ogólnie Rzecz Biorąc, artykuły w tej serii tematycznej przedstawiają niezwykły przegląd możliwości w dziedzinie chemii CO2 od wielu najlepszych praktyków. Możliwości te są zwiastunami wielu dodatkowych reakcji, trybów reaktywności i katalizatorów, które pozostają do odkrycia. Wykorzystanie dwutlenku węgla do tworzenia wartości ekonomicznej będzie siłą napędową dla szerszego stosowania tej fascynującej cząsteczki. W dłuższej perspektywie wyobrażamy sobie, że ludzkość tworzy antropogeniczną pętlę węglową, w której CO2 uwalniany pod koniec życia produktów opartych na węglu codziennego życia jest ponownie wykorzystywany do produkcji nowych materiałów i chemikaliów.
jesteśmy bardzo wdzięczni autorom za ich wspaniały wkład w uczynienie tej serii tematycznej równie udaną jak poprzednie edycje.
Thomas E. Müller i Walter Leitner
Akwizgran, Kwiecień 2015