este plăcerea noastră de a introduce această serie tematică privind chimia CO2 pentru Beilstein Journal of Organic Chemistry (Bjoc). Cererea crescândă de astăzi pentru energie, materiale și substanțe chimice a determinat un interes reînnoit pentru chimia CO2. Sunt puse în aplicare procese chimice mai eficiente din punct de vedere al resurselor, în timp ce ne confruntăm cu trecerea de la o societate bazată pe combustibili fosili la una care trebuie să se bazeze pe utilizarea durabilă a resurselor regenerabile. Deși există multe modalități de a valorifica resursele de energie regenerabilă, o mare parte din materialele și substanțele chimice necesare vor continua să fie pe bază de carbon.
una dintre cele mai abundente resurse regenerabile de carbon este dioxidul de carbon (Figura 1). Tehnologiile de captare a carbonului sunt implementate pentru a capta o parte din emisiile antropice anuale de CO2 de 36.600 de milioane de tone metrice de CO2 . Dacă numai o fracțiune din fluxul de CO2 capturat ar putea fi pus la dispoziție pentru producția chimică, ar putea fi furnizată o contribuție semnificativă la producția anuală de materiale și substanțe chimice pe bază de carbon. Aici, oferim cititorului să coreleze aceste cifre cu producția anuală de materiale polimerice de 280 de milioane de tone metrice . În mod remarcabil, 110 milioane de tone metrice de CO2 pe an pentru producerea ureei, metanolului și acidului salicilic sunt astăzi realitate industrială. Aceste aplicații ilustrează în mod clar calea de urmat. Datorită disponibilității abundente a fluxurilor de gaze CO2 pure, este logic să se promoveze o utilizare mai răspândită a dioxidului de carbon ca materie primă chimică. În special, utilizarea CO2 pentru fabricarea materialelor și substanțelor chimice este încă la început.
Figura 1: molecula de dioxid de carbon.
Figura 1: molecula de dioxid de carbon.
dioxidul de Carbon (CO2) a stârnit mult timp fascinația chimiștilor. O chimie bogată a evoluat folosind această moleculă în sinteza chimică . Până în prezent, reactivitatea scăzută a moleculei de CO2 reprezintă provocări semnificative pentru utilizarea dioxidului de carbon în aplicațiile industriale. Astfel, molecula de CO2 este percepută în mod obișnuit ca fiind foarte inertă. Această percepție provine în mod clar din Stabilitatea chimică ridicată a dioxidului de carbon. Cu toate acestea, reactivitatea moleculei de CO2 poate fi subestimată. Dioxidul de Carbon este izoelectronic la molecule foarte reactive, cum ar fi izocianații și cetenele (Figura 2). Aceasta implică faptul că reactivitatea și limitările cinetice pot fi întâlnite mult mai rar în conversia chimică a dioxidului de carbon decât se presupune în general.
Figura 2: Exemple de molecule foarte reactive care sunt izoelectronice la dioxidul de carbon.
Figura 2: Exemple de molecule foarte reactive care sunt izoelectronice la dioxidul de carbon.
pentru a depăși nivelul său scăzut termodinamic, este necesară o energie suplimentară pentru a activa molecula de CO2. Reactivitatea triplă (Figura 3) a CO2 cu un atom de oxigen nucleofil, un atom de carbon electrofil și un sistem centiflus oferă chimistului multe opțiuni. De asemenea, a fost raportată o chimie bogată de coordonare a centrelor metalice pentru CO2 . O cale viitoare este reacția CO2 pentru a forma intermediari bogați în energie care pot transfera ulterior molecula de CO2 către substraturile țintă . Utilizarea catalizatorilor eficienți este adesea o altă cerință pentru a direcționa căile de reacție cu selectivitate ridicată pentru a produce produsele țintă dorite și pentru a depăși limitările cinetice asociate cu anumite etape elementare lente.
Figura 3: reactivitatea triplă a dioxidului de carbon și exemple pentru diferite moduri de activare a CO2 care implică centre metalice în catalizatori omogeni și eterogeni .
Figura 3: reactivitatea triplă a dioxidului de carbon și exemple pentru diferite moduri de activare a implicării CO2…
această serie tematică privind chimia CO2 prezintă abordări interesante cu privire la diferite metodologii de activare a dioxidului de carbon. Un câmp emergent este fixarea electrochimică a CO2, care poate fi aplicat în sinteza acizilor carboxilici . De asemenea, este foarte interesantă combinația de abordări enzimatice și fotocatalitice pentru activarea CO2 . Sistemele catalizatoare bifuncționale sunt frecvent necesare și bine înțelese în sinteza carbonaților ciclici . Activarea dioxidului de carbon prin introducerea acestuia în legături metal-alcoxide permite Aplicații ulterioare în sinteza polimerilor, cum ar fi copolimerizarea dioxidului de carbon cu epoxizi și alți co-monomeri . Aici, cataliza cu complexe de cobalt prezintă încă efecte surprinzătoare . Sisteme mai eficiente pentru captarea CO2 sunt dezvoltate pe baza lichidelor ionice funcționalizate cu amină, unde formarea aductului zwitterionic este cheia unei eficiențe mai mari . Mai mult, multe proprietăți fizice ale dioxidului de carbon sunt remarcabile, făcând dioxidul de carbon supercritic un solvent ca niciun altul .
în total, articolele din această serie tematică prezintă o imagine de ansamblu remarcabilă a oportunităților din domeniul chimiei CO2 de la mulți dintre practicienii săi de top. Aceste oportunități sunt precursori ai numeroaselor reacții suplimentare, moduri de reactivitate și catalizatori care rămân de descoperit. Exploatarea dioxidului de carbon pentru a crea valoare economică va fi forța motrice pentru utilizarea mai răspândită a acestei molecule fascinante. Pe termen lung, ne imaginăm omenirea creând o buclă antropică de carbon în care CO2 eliberat la sfârșitul duratei de viață a bunurilor pe bază de carbon din viața de zi cu zi este din nou angajat în producția de noi materiale și substanțe chimice.
suntem foarte recunoscători autorilor pentru contribuțiile lor excelente la realizarea acestei serii tematice la fel de reușite ca edițiile anterioare.
Thomas E. M Okticller și Walter Leitner
Aachen, aprilie 2015