Nachhaltige Chemie: Forscher entwickeln Methode zur Verringerung des CO2-Fußabdrucks der chemischen Industrie
Ein effizienter Weg zur Hydrierung von stickstoffhaltigen aromatischen Verbindungen
Die erfolgreiche Verringerung der Umweltauswirkungen der chemischen Industrie hängt davon ab, dass ein umweltfreundlicherer Weg zur Herstellung der chemischen Bausteine für gängige und stark nachgefragte Verbindungen gefunden wird.
Der Anionenaustauschmembranreaktor hydriert Pyridin zu Piperidin.
Yokohama National University
Es ist kein Geheimnis, dass Herstellungsprozesse mit die stärksten und intensivsten Auswirkungen auf die Umwelt haben, wobei die chemische Industrie sowohl beim Energieverbrauch als auch beim Emissionsausstoß an der Spitze der Rangliste steht. Dies ist zwar aufgrund des großen Umfangs, in dem chemische Erzeugnisse im täglichen Leben eingesetzt werden, sinnvoll, lässt aber im Sinne der Nachhaltigkeit noch viel zu wünschen übrig. Indem sie sich auf erneuerbare Energiequellen und alternative Methoden zur Herstellung der chemischen Bausteine einiger der am häufigsten verwendeten Verbindungen konzentrieren, hoffen die Forscher, den Fußabdruck der chemischen Industrie durch einige grüne Innovationen zu verringern.
Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse am 7. Oktober im Journal of the American Chemical Society.
Das Hauptaugenmerk der Studie liegt auf zyklischen Aminen, da diese die wichtigsten Bausteine für Feinchemikalien sind. Diese Verbindungen sind in einem Ring angeordnet und haben in diesem Fall ein Stickstoffatom. Einer der Stars ist das Pyridin, aus dem das Piperidin hervorgeht, ein cyclisches Amin, das in der Feinchemie von großer Bedeutung ist. Piperidin bildet beispielsweise das Grundgerüst für viele Stoffe wie FDA-zugelassene Medikamente, Pestizide und alltägliche Materialien, die im Leben vieler Menschen verwendet werden.
Typische Verfahren zur Anlagerung von Wasserstoff an ein stickstoffhaltiges cyclisches Amin verwenden Wasserstoffgas als Protonen- und Elektronenquelle. Der Hydrierungsprozess beruht auf Wasserstoff, der durch Dampfreformierung von Methan, einem wichtigen Treibhausgas, gewonnen wird. Dieses Verfahren ist nicht nur energieintensiv, sondern auch für etwa 3 % der weltweiten Kohlendioxidemissionen verantwortlich. Dieses Verfahren ist außerdem in hohem Maße von fossilen Brennstoffen abhängig und erfordert einen hohen Energieaufwand. Glücklicherweise haben Forscher einen Weg gefunden, dies zu umgehen, indem sie einen Anionenaustauschmembran-Elektrolyseur (AEM) entwickelt haben.
Ein AEM-Elektrolyseur ermöglicht die Hydrierung verschiedener Arten von Pyridinen bei Umgebungstemperatur und -druck, ohne dass säurehaltige Zusätze wie bei herkömmlichen Verfahren verwendet werden müssen. Der Elektrolyseur spaltet Wasser in seine Bestandteile, atomaren Wasserstoff und Sauerstoff, auf. Der gewonnene atomare Wasserstoff wird dann der zyklischen Verbindung zugesetzt. Der AEM-Elektrolyseur erweist sich auch bei anderen stickstoffhaltigen Aromaten als sehr vielseitig, was ihn zu einem vielversprechenden Weg für eine breite Palette von Anwendungen macht. Durch die Entwicklung einer Methode, die bei Umgebungstemperaturen und -drucken eingesetzt werden kann, wird zudem die für den Prozess benötigte elektrische Energie drastisch reduziert.
"Die Methode bietet ein erhebliches Potenzial für großtechnische Anwendungen in der Pharmazie und Feinchemie und trägt zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen und zur Förderung einer nachhaltigen Chemie bei", so Naoki Shida, Erstautor der Studie und Forscher an der Yokohama National University.
Bei diesem Verfahren werden Wasser und erneuerbare Elektrizität als Energiequelle genutzt, während die herkömmliche Methode auf fossile Brennstoffe angewiesen ist. Die Effizienz wurde bei dieser Methode nicht beeinträchtigt, und die prozentuale Ausbeute im großen Maßstab liegt bei 78 %, was ein weiterer Beweis dafür ist, dass diese Technologie in angemessenem Umfang skalierbar ist. Ein mögliches Problem ist der Anstieg der Zellenspannung während des Elektrolyseprozesses, aber dies kann entweder durch eine verbesserte AEM oder, vorzugsweise, durch die Entwicklung einer AEM speziell für die organische Elektrosynthese gemildert werden.
Damit sich die elektrokatalytische Hydrierungstechnologie durchsetzen und einen Unterschied machen kann, muss sie auf einen industriellen Maßstab skalierbar sein, damit Pharma- und Feinchemieunternehmen sie nutzen können. Je mehr diese Technologie genutzt wird, desto einfacher ist es, sie auf andere stickstoffhaltige aromatische Verbindungen zu übertragen, was die Praxistauglichkeit des elektrokatalytischen Hydrierungsprozesses weiter unterstreicht. Im Idealfall würde sich diese Methode als Alternative zu den herkömmlichen Methoden der chemischen Industrie etablieren und im Laufe der Zeit den gesamten Kohlenstoff-Fußabdruck, den die chemische Produktion hinterlässt, verringern.
Naoki Shida, Mahito Atobe, Yugo Shimizu, Akizumi Yonezawa, Juri Harada, Yuka Furutani und Yusuke Muto von der Abteilung für Chemie und Biowissenschaften der Yokohama National University mit Naoki Shida und Mahito Atobe vom Institute of Advanced Sciences der Yokohama National University und Naoki Shide von PRESTO der Japan Science and Technology Agency, Ryo Kurihara und Kazuhide Kamiya vom Forschungszentrum für Solarenergiechemie der Universität Osaka, Junko N. Kondo vom Institute of Innovative Research am Tokyo Institute of Technology, Eisuke Sato, Koichi Mitsudo und Seiji Suga von der Abteilung für Angewandte Chemie an der Okayama University, Shoji Iguchi von der Graduate School of Engineering an der Kyoto University und Kazuhide Kamiya von der Innovative Catalysis Science Division an der Osaka University trugen zu dieser Untersuchung bei.
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Originalveröffentlichung
Naoki Shida, Yugo Shimizu, Akizumi Yonezawa, Juri Harada, Yuka Furutani, Yusuke Muto, Ryo Kurihara, Junko N. Kondo, Eisuke Sato, Koichi Mitsudo, Seiji Suga, Shoji Iguchi, Kazuhide Kamiya, Mahito Atobe; "Electrocatalytic Hydrogenation of Pyridines and Other Nitrogen-Containing Aromatic Compounds"; Journal of the American Chemical Society, 2024-10-7
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