det är vårt nöje att introducera denna tematiska serie om CO2 kemi för Beilstein Journal of Organic Chemistry (BJOC). Dagens växande efterfrågan på energi, material och kemikalier har lett till förnyat intresse för CO2-Kemi. Mer resurseffektiva kemiska processer implementeras, samtidigt som vi står inför förändringen från ett fossilt bränslebaserat samhälle till ett som måste förlita sig på en hållbar användning av förnybara resurser. Även om det finns många sätt att utnyttja förnybara energiresurser, kommer mycket av de nödvändiga materialen och kemikalierna att fortsätta vara kolbaserade.
en av de mest rikliga förnybara resurserna av kol är koldioxid (Figur 1). Koldioxidfångstteknik implementeras för att fånga en del av det årliga antropogena CO2-utsläppet på 36 600 miljoner ton CO2 . Om bara en bråkdel av den fångade CO2-strömmen kunde göras tillgänglig för kemisk produktion, skulle ett betydande bidrag till den årliga produktionen av kolbaserade material och kemikalier kunna levereras. Här erbjuder vi läsaren att relatera dessa siffror med den årliga produktionen av polymermaterial på 280 miljoner ton . Anmärkningsvärt är 110 miljoner ton CO2 per år för att producera urea, metanol och salicylsyra industriell verklighet idag. Dessa applikationer illustrerar tydligt vägen framåt. På grund av den rikliga tillgången på rena CO2-gasflöden är det bara logiskt att främja en mer utbredd användning av koldioxid som kemisk råvara. I synnerhet är användningen av CO2 för tillverkning av material och kemikalier fortfarande i sin linda.
Figur 1: koldioxidmolekylen.
Figur 1: koldioxidmolekylen.
koldioxid (CO2) har länge rört fascinationen av kemister. En rik kemi har utvecklats med hjälp av denna molekyl i kemisk syntes . Hittills medför den låga reaktiviteten hos CO2-molekylen betydande utmaningar för användningen av koldioxid i industriella tillämpningar. Således uppfattas CO2-molekylen vanligen vara mycket inert. Denna uppfattning härrör tydligt från koldioxidens höga kemiska stabilitet. Emellertid kan reaktiviteten hos CO2-molekylen underskattas. Koldioxid är isoelektronisk till mycket reaktiva molekyler såsom isocyanater och ketener (Figur 2). Detta innebär att reaktivitet och kinetiska begränsningar kan uppstå mycket mindre ofta vid kemisk omvandling av koldioxid än vad som allmänt antas.
Figur 2: Exempel på mycket reaktiva molekyler som är isoelektroniska till koldioxid.
Figur 2: Exempel på mycket reaktiva molekyler som är isoelektroniska till koldioxid.
för att övervinna sin termodynamiskt låga nivå krävs ytterligare energi för att aktivera CO2-molekylen. Den trefaldiga reaktiviteten (Figur 3) av CO2 med en nukleofil syreatom, en elektrofil kolatom och ett azerbajdzjansystem ger kemisten många alternativ. På samma sätt har en rik koordinationskemi till metallcentra rapporterats för CO2 . En kommande väg är reaktionen av CO2 för att bilda energirika intermediärer som därefter kan överföra CO2-molekylen till målsubstrat . Användningen av effektiva katalysatorer är ofta en annan förutsättning för att rikta reaktionsvägarna med hög selektivitet för att ge de önskade målprodukterna och för att övervinna kinetiska begränsningar associerade med vissa långsamma elementära steg.
Figur 3: trefaldig reaktivitet av koldioxid och exempel för olika aktiveringslägen för CO2 som involverar metallcentra i homogena och heterogena katalysatorer .
Figur 3: trefaldig reaktivitet av koldioxid och exempel för olika aktiveringslägen för CO2 involvin…
denna tematiska serie om CO2-Kemi presenterar spännande tillvägagångssätt för olika metoder för att aktivera koldioxid. Ett framväxande fält är den elektrokemiska fixeringen av CO2, som kan appliceras vid syntes av karboxylsyror . Också mycket intressant är kombinationen av enzymatiska och fotokatalytiska metoder för aktivering av CO2 . Bifunktionella katalysatorsystem behövs ofta och är väl förstådda i syntesen av cykliska karbonater . Aktivering av koldioxid genom att införa den i metallalkoxidbindningar möjliggör efterföljande tillämpningar i polymersyntes, såsom sampolymerisation av koldioxid med epoxider och andra sammonomerer . Här presenterar katalys med koboltkomplex fortfarande överraskande effekter . Effektivare system för CO2-infångning utvecklas på grundval av aminfunktionaliserade Joniska vätskor där zwitterionisk adduktbildning är nyckeln till högre effektivitet . Dessutom är många fysikaliska egenskaper hos koldioxid enastående, vilket gör superkritisk koldioxid ett lösningsmedel som ingen annan .
sammantaget presenterar artiklarna i denna tematiska serie en anmärkningsvärd översikt över möjligheter inom CO2-kemi från många av dess främsta utövare. Dessa möjligheter är harbingers av de många ytterligare reaktionerna, reaktivitetslägen och katalysatorer som återstår att upptäckas. Att utnyttja koldioxid för att skapa ekonomiskt värde kommer att vara drivkraften för den mer utbredda användningen av denna fascinerande molekyl. På lång sikt föreställer vi oss att mänskligheten skapar en antropogen kolslinga där CO2 som släpps ut i slutet av livslängden för kolbaserade varor i vardagen återigen används vid produktion av nya material och kemikalier.
vi är mycket tacksamma för författarna för deras utmärkta bidrag till att göra denna tematiska serie lika framgångsrik som tidigare utgåvor.
Thomas E. M. Obbller och Walter Leitner
Aachen, April 2015