Opracowano skuteczny sposób uwodornienia związków aromatycznych zawierających azot

Skuteczne ograniczenie wpływu przemysłu chemicznego na środowisko zależy od znalezienia bardziej ekologicznego sposobu wytwarzania chemicznych elementów składowych powszechnie stosowanych i masowo zużywanych związków.

Nie jest tajemnicą, że procesy produkcyjne mają jedne z najbardziej wpływowych i intensywnych skutków na środowisko, a przemysł chemiczny zajmuje czołowe miejsca na listach zarówno pod względem zużycia energii, jak i emisji. Chociaż ma to sens ze względu na ogromną skalę, na jaką produkowane chemikalia są obecne w życiu codziennym, nadal pozostawia wiele do życzenia ze względu na zrównoważony rozwój.

Koncentrując się na odnawialnych źródłach energii i alternatywnych metodach tworzenia chemicznych elementów składowych niektórych z najczęściej stosowanych związków, badacze mają nadzieję zmniejszyć wpływ przemysłu chemicznego za pomocą ekologicznych innowacji.

Naukowcy opublikowali swoje wyniki w czasopiśmie „ Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego 7 października.

Głównym tematem tego badania są aminy cykliczne, ponieważ są to najważniejsze elementy składowe wysokowartościowych chemikaliów. Związki te są ułożone w pierścień i w tym przypadku posiadają atom azotu. Jedną z gwiazd widowiska jest pirydyna, która ustępuje miejsca piperydynie, aminie cyklicznej o kluczowym znaczeniu w przemyśle chemicznym.

Na przykład piperydyna stanowi podstawę dla wielu materiałów, takich jak leki zatwierdzone przez FDA, pestycydy i materiały codziennego użytku stosowane w życiu wielu ludzi.

Typowe metody dodawania wodoru do cyklicznej aminy zawierającej azot obejmują wykorzystanie gazowego wodoru jako źródła protonów i elektronów. Proces uwodornienia opiera się na wodorze otrzymywanym w wyniku reformingu parowego metanu, głównego gazu cieplarnianego.

Metoda ta jest nie tylko energochłonna, ale jest również odpowiedzialna za około 3% światowych emisji dwutlenku węgla. Proces ten jest również w dużym stopniu zależny od paliw kopalnych i wymaga dużej ilości energii. Na szczęście badacze znaleźli sposób na obejście tego problemu, opracowując elektrolizer z membraną anionowymienną (AEM).

Elektrolizer AEM pozwala na uwodornienie różnych rodzajów pirydyn w temperaturze i ciśnieniu otoczenia, bez konieczności stosowania dodatków kwasowych, jak w tradycyjnych metodach. Elektrolizer rozkłada wodę na składniki, wodór atomowy i tlen. Otrzymany wodór atomowy dodaje się następnie do związku cyklicznego.

Elektrolizer AEM wykazuje również dużą wszechstronność w przypadku innych związków aromatycznych zawierających azot, co czyni go obiecującą ścieżką do szerokiego zakresu zastosowań. Dodatkowo, dzięki opracowaniu metody, którą można stosować w temperaturze i ciśnieniu otoczenia, zużycie energii elektrycznej potrzebnej do procesu radykalnie się obniżyło.

„Ta metoda oferuje znaczny potencjał zastosowań na skalę przemysłową w farmaceutykach i wysokowartościowych chemikaliach, przyczyniając się do redukcji emisji dwutlenku węgla i rozwoju zrównoważonej chemii” – powiedział Naoki Shida, pierwszy autor badania i badacz na Uniwersytecie Narodowym w Jokohamie.

W procesie tym jako źródło energii wykorzystuje się wodę i odnawialną energię elektryczną, co kontrastuje z wykorzystaniem paliw kopalnych w przypadku metody konwencjonalnej. Ta metoda nie zmniejszyła wydajności, a procentowa wydajność na dużą skalę wynosi 78%, co dodatkowo potwierdza, że ​​technologia ta może być w miarę skalowalna.

Jednym z problemów, jaki można napotkać, jest wzrost napięcia ogniwa podczas procesu elektrolizy, ale można go złagodzić albo poprzez ulepszenie AEM, albo, najlepiej, zaprojektowanie AEM specjalnie z myślą o elektrosyntezie organicznej.

Aby technologia uwodornienia elektrokatalitycznego przyjęła się i przyniosła korzyści, musi być skalowalna do skali przemysłowej, aby mogły z niej korzystać firmy farmaceutyczne i chemikalia wysokowartościowe. Im częściej stosuje się tę technologię, tym łatwiej jest ją zastosować w przypadku innych związków aromatycznych zawierających azot, co dodatkowo wyraża praktyczność procesu uwodornienia elektrokatalitycznego.

W idealnym przypadku metoda ta stałaby się alternatywą dla tradycyjnych metod stosowanych w przemyśle chemicznym, a w przyszłości zmniejszyłaby ogólny ślad węglowy pozostawiany przez produkcję chemikaliów.

Badania te umożliwił Japoński Instytut Badań nad Promieniowaniem Synchrotronowym.