Nowe reakcje katalityczne, które uczynią świat czystszym miejscem
Finansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN) projekt SUSCAT (New Directions in Sustainable Catalysis by Metal Complexes) bazuje na kilku dziedzinach, w tym na podstawowej chemii metaloorganicznej, chemii koordynacyjnej, syntezie organicznej, kinetyce, spektroskopii, katalizie i obliczeniach teorii funkcjonału gęstości, które opierają się na obliczeniach kwantowo-mechanicznych. „Ogólnie rzecz biorąc, głównym celem projektu SUSCAT było odkrycie, a następnie opracowanie nowych, zrównoważonych i przyjaznych dla środowiska reakcji katalitycznych”, mówi David Milstein, główny badacz projektu, profesor w katedrze chemii organicznej Israel Matz w Instytucie Naukowym Weizmanna w Izraelu. „Takie reakcje są przydatne w metodologii «zielonej» syntezy organicznej, która nie generuje odpadów i wykorzystuje zrównoważone podłoża, jak również w opracowywaniu systemów ciekłych organicznych nośników wodoru (ang. liquid organic hydrogen carrier, LOHC)”.
Szereg osiągnięć w zakresie katalizatorów
Metoda opracowywania katalizatorów stosowana w ramach projektu SUSCAT oparta jest na podejściu mechanistycznym, wykorzystującym zarówno metody eksperymentalne, jak i obliczeniowe. Szczególne znaczenie w kontekście prac zespołu projektu miało zastosowanie jako katalizatorów tzw. kompleksów pincerowych. W skrócie, kompleksy te to rodzina związków, które dzięki swojej stabilności i możliwości stosowania różnych trybów reaktywności wywarły w ostatnim czasie znaczący wpływ na rozwój katalitycznych metod syntezy organicznej. Zespół projektu SUSCAT wykorzystał te kompleksy do odkrycia kilku pierwszych ekologicznych i zrównoważonych reakcji katalitycznych przydatnych do syntezy organicznej, które mogą zastąpić obecnie stosowane procesy, które zanieczyszczają środowisko. „Jedna z niedawno opracowanych przez nas, pierwszych w swoim rodzaju reakcji jest na przykład katalizowana przez nowy kompleks pincerowy manganu i prowadzi do powstania rodziny związków (pochodnych akrylonitrylu), które są cennymi półproduktami w syntezie organicznej wielu produktów, takich jak barwniki, herbicydy, substancje zapachowe, środki farmaceutyczne i produkty naturalne”, mówi Milstein. „Tradycyjne metody wytwarzania tych produktów skutkują powstaniem szkodliwych odpadów, dlatego nasza nowa metoda jest naprawdę bardziej ekologiczna i korzystniejsza dla środowiska”. Innym przykładem osiągnięć w dziedzinie zielonych reakcji katalitycznych dokonanych w ramach projektu SUSCAT jest bezodpadowa, jednoetapowa bezpośrednia synteza amidów (pomimo swego kluczowego znaczenia dla przemysłu farmaceutycznego tradycyjna metoda syntezy amidów generuje dużą ilość odpadów), a także produkcja cennego wodoru, który jest wartościowym skutkiem ubocznym tego procesu. Trzecim i bardzo istotnym dla środowiska przykładem reakcji uzyskanej w ramach projektu SUSCAT jest bezprecedensowa, uwodorniona depolimeryzacja szeroko stosowanych, wytrzymałych nylonów do postaci aminoalkoholi, skutecznie katalizowana przez kompleks pincerowy rutenu. „Nylony są powszechnie wykorzystywanymi związkami, które nie ulegają biodegradacji, co zwiększyło zanieczyszczenie zarówno lądu, jak i oceanów, stanowiąc poważne zagrożenie dla ekosystemu”, komentuje Milstein. „Dlatego właśnie nasze osiągnięcie ma tak duże znaczenie – ponieważ aminoalkohole mogą być poddawane polimeryzacji w celu przywrócenia ich do postaci nylonów o podobnej masie cząsteczkowej, zapewniając w ten sposób ekologiczny i zrównoważony cykl zamkniętego obiegu na potrzeby recyklingu odpadów nylonowych”.
Związek z wodorem
W ramach projektu SUSCAT udało się również po raz pierwszy opracować nowy system LOHC do bezpiecznego i zrównoważonego magazynowania wodoru, który można wykorzystać w roli ekologicznego nośnika energii. „Wodór uważany jest za atrakcyjny nośnik energii ze względu na jego wysoką grawimetryczną pojemność energetyczną oraz fakt, że podczas jego spalania powstaje jedynie woda”, wyjaśnia Milstein. „Jednakże jego niska objętościowa pojemność energetyczna wymaga magazynowania go (np. w samochodach) pod bardzo wysokim ciśnieniem, jeśli znajduje się w stanie gazowym, lub w bardzo niskiej temperaturze (-253 °C), jeśli jest cieczą – oba te sposoby wiążą się ze znaczną inwestycją energetyczną i mogą być potencjalnie niebezpieczne. Wykorzystanie systemów LOHC pozwala uniknąć tych problemów”. Stworzone przez zespół rozwiązanie opiera się na fakcie, że w ramach wielu reakcji opracowanych podczas projektu SUSCAT generowany lub zużywany jest wodór. Naturalnym następstwem było więc opracowanie systemu LOHC do magazynowania wodoru. „Teoretyczna pojemność wodoru w tym systemie wynosi 6,5 % wagowo, co jest wartością wyższą niż docelowa zawartość wodoru w pokładowych nośnikach wodoru w pojazdach lekkich, określona przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, która wynosi 5,5 % wagowo”, kontynuuje Milstein. „Chociaż nasz system LOHC wymaga dalszego rozwoju, uważamy, że ma potencjał, aby stać się najpopularniejszym systemem w swoim rodzaju, biorąc pod uwagę, że jest tanim, pojemnym i zrównoważonym nośnikiem wodoru, wykorzystuje pojedynczy katalizator oraz wyróżnia się łagodnymi warunkami eksploatacji i zgodnością z istniejącą infrastrukturą na stacjach paliw”. W przyszłości Milstein i jego zespół planują kontynuować prace nad nowymi reakcjami katalitycznymi na potrzeby zielonej syntezy i produkcji wodoru, być może we współpracy z partnerami przemysłowymi. „Największą dumą w związku z projektem SUSCAT napawa mnie to, że mogliśmy wnieść swój wkład w rozwój prawdziwie ekologicznego świata”, podsumowuje Milstein.
Słowa kluczowe
SUSCAT, katalizatory, synteza organiczna, kompleks pincerowy, wodór, magazynowanie wodoru, LOHC, ERBN
