It is our pleasure to introduce this Thematic Series on CO2 chemistry for the Beilstein Journal of Organic Chemistry (BJOC). A crescente procura actual de energia, materiais e produtos químicos despertou um interesse renovado na química do CO2. Estão a ser implementados processos químicos mais eficientes em termos de recursos, enquanto enfrentamos a mudança de uma sociedade baseada em combustíveis fósseis para uma sociedade que tem de contar com o uso sustentável de recursos renováveis. Embora existam muitas maneiras de aproveitar recursos de energia renovável, grande parte dos materiais e produtos químicos necessários continuará a ser baseada em carbono.Um dos recursos renováveis mais abundantes de carbono é o dióxido de carbono (Figura 1). Tecnologias de captura de carbono estão sendo implementadas para capturar uma parte da emissão anual antropogênica de CO2 de 36.600 milhões de toneladas métricas de CO2 . Se apenas uma fracção do fluxo de CO2 capturado pudesse ser disponibilizada para a produção química, poderia ser fornecida uma contribuição significativa para a produção anual de materiais e produtos químicos à base de carbono. Aqui, oferecemos ao leitor para relacionar estes números com a produção anual de materiais poliméricos de 280 milhões de toneladas métricas . Notavelmente, 110 milhões de toneladas métricas de CO2 por ano para a produção de ureia, metanol e ácido salicílico são realidade industrial hoje. Estas aplicações ilustram claramente o caminho a seguir. Devido à abundância de fluxos de gás de CO2 puro , é lógico promover uma utilização mais generalizada do dióxido de carbono como matéria-prima química. Nomeadamente, a utilização de CO2 para o fabrico de materiais e produtos químicos está ainda na sua infância.
Figura 1: molécula de dióxido de carbono.
Figura 1: molécula de dióxido de carbono.
o dióxido de carbono (CO2) há muito tempo agitou o fascínio dos químicos. Uma rica química evoluiu utilizando esta molécula em síntese química . Até agora, a baixa reactividade da molécula de CO2 coloca desafios significativos à utilização do dióxido de carbono em aplicações industriais. Assim, a molécula de CO2 é comumente percebida como altamente inerte. Esta percepção deriva claramente da alta estabilidade química do dióxido de carbono. No entanto, a reactividade da molécula de CO2 pode ser subestimada. O dióxido de carbono é isoeletrônico a moléculas altamente reativas, como isocianatos e cetenos (Figura 2). Isto implica que a reatividade e as limitações cinéticas podem ser encontradas muito menos frequentemente na conversão química do dióxido de carbono do que geralmente se supõe.
Figura 2: Exemplos de moléculas altamente reativas que são isoeletrônicas ao dióxido de carbono.
Figura 2: Exemplos de moléculas altamente reativas que são isoeletrônicas ao dióxido de carbono.
para superar seu nível termodinamicamente baixo, é necessária energia adicional para ativar a molécula de CO2. A reatividade tripla (Figura 3) do CO2 com um átomo de oxigênio nucleofílico, um átomo de carbono eletrofílico e um sistema π fornece ao químico muitas opções. Do mesmo modo, foi relatada uma rica química de coordenação para os centros de metalurgia para o CO2 . Um caminho a seguir é a reação de CO2 para formar intermediários ricos em energia que podem posteriormente transferir a molécula de CO2 para substratos alvo . O uso de catalisadores eficientes é muitas vezes outro requisito para direcionar as vias de reação com alta seletividade para produzir os produtos-alvo desejados e para superar as limitações cinéticas associadas a certos passos elementares lentos.
Figura 3: reatividade tripla do dióxido de carbono e exemplos de diferentes modos de ativação do CO2 envolvendo centros metálicos em catalisadores homogêneos e heterogêneos .
Figura 3: reatividade tripla do dióxido de carbono e exemplos de diferentes modos de ativação da envolvente de CO2…
Esta série temática sobre a química do CO2 apresenta abordagens intrigantes em relação a diferentes metodologias para ativar o dióxido de carbono. Um campo emergente é a fixação eletroquímica do CO2, que pode ser aplicada na síntese de ácidos carboxílicos . Também é altamente interessante a combinação de abordagens enzimáticas e fotocatalíticas para ativar o CO2 . Sistemas catalisadores bifuncionais são frequentemente necessários e bem compreendidos na síntese de carbonatos cíclicos . A activação do dióxido de carbono através da sua inserção em ligações metal-alcóxido permite aplicações subsequentes na síntese de polímeros, tais como a copolimerização do dióxido de carbono com epóxidos e outros Co-monómeros . Aqui, a catálise com complexos de cobalto ainda apresenta efeitos surpreendentes . Estão a ser desenvolvidos sistemas mais eficientes de captura de CO2 com base em líquidos iónicos funcionalizados com aminas, onde a formação de adutos zwitteriónicos é a chave para uma maior eficiência . Além disso, muitas propriedades físicas do dióxido de carbono são excelentes, tornando o dióxido de carbono supercrítico um solvente como nenhum outro .Ao todo, os artigos desta série temática apresentam uma notável visão geral das oportunidades no campo da química de CO2 de muitos dos seus principais praticantes. Estas oportunidades são prenúncios de muitas reações adicionais, modos de reatividade e catalisadores que permanecem por descobrir. Explorar o dióxido de carbono para criar valor económico será a força motriz para o uso mais generalizado desta molécula fascinante. A longo prazo, visualizamos a humanidade criando um ciclo de carbono antropogênico onde o CO2 liberado no final da vida útil dos bens baseados em carbono da vida cotidiana é novamente empregado na produção de novos materiais e produtos químicos.
estamos muito gratos aos autores pelas suas excelentes contribuições para tornar esta série temática tão bem sucedida como as edições anteriores.
Thomas E. Müller e Walter Leitner
Aachen, abril de 2015