Eine erfolgreiche Reduzierung der Umweltauswirkungen der chemischen Industrie hängt von der Suche nach einer umweltfreundlicheren Methode zur Herstellung chemischer Bausteine für häufig verwendete und in großen Mengen verbrauchte Verbindungen ab.
Es ist kein Geheimnis, dass Herstellungsprozesse einige der einflussreichsten und intensivsten Auswirkungen auf die Umwelt haben, wobei die chemische Industrie sowohl beim Energieverbrauch als auch bei den Emissionen an der Spitze steht. Obwohl dies angesichts des großen Umfangs, in dem industriell hergestellte Chemikalien im täglichen Leben zum Einsatz kommen, sinnvoll ist, lässt es im Hinblick auf die Nachhaltigkeit noch viel zu wünschen übrig.
Durch die Konzentration auf erneuerbare Energiequellen und alternative Methoden zur Herstellung der chemischen Bausteine einiger der am häufigsten verwendeten Verbindungen hoffen die Forscher, den Fußabdruck der chemischen Industrie durch einige grüne Innovationen zu verringern.
Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse im Zeitschrift der American Chemical Society am 7. Oktober.
Der Schwerpunkt dieser Studie liegt auf zyklischen Aminen, da diese die wichtigsten Bausteine für Feinchemikalien sind. Diese Verbindungen sind ringförmig angeordnet und besitzen in diesem Fall ein Stickstoffatom. Einer der Stars der Show ist Pyridin, das zu Piperidin führt, einem zyklischen Amin, das in der Feinchemieindustrie von zentraler Bedeutung ist.
Piperidin beispielsweise bildet den Rahmen für viele Materialien wie von der FDA zugelassene Medikamente, Pestizide und Alltagsmaterialien, die im Leben vieler Menschen verwendet werden.
Typische Methoden zur Zugabe von Wasserstoff zu einem stickstoffhaltigen zyklischen Amin umfassen die Verwendung von Wasserstoffgas als Protonen- und Elektronenquelle. Der Hydrierungsprozess basiert auf Wasserstoff, der durch die Dampfreformierung von Methan, einem wichtigen Treibhausgas, gewonnen wird.
Diese Methode ist nicht nur energieintensiv, sondern auch für rund 3 % des weltweiten Kohlendioxidausstoßes verantwortlich. Auch dieser Prozess ist stark von fossilen Brennstoffen abhängig und verbraucht viel Energie. Glücklicherweise haben Forscher einen Weg gefunden, dieses Problem 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 saure Zusätze wie bei herkömmlichen Methoden verwendet werden müssen. Der Elektrolyseur spaltet Wasser in seine Bestandteile atomaren Wasserstoff und Sauerstoff auf. Der erhaltene atomare Wasserstoff wird dann der zyklischen Verbindung hinzugefügt.
Der AEM-Elektrolyseur zeigt auch große Vielseitigkeit bei anderen stickstoffhaltigen Aromaten, was ihn zu einem vielversprechenden Weg für eine Vielzahl von Anwendungen macht. Darüber hinaus wird durch die Entwicklung einer Methode, die bei Umgebungstemperaturen und -drücken eingesetzt werden kann, die für den Prozess benötigte elektrische Energie drastisch gesenkt.
„Die Methode bietet erhebliches Potenzial für Anwendungen im industriellen Maßstab in Pharmazeutika und Feinchemikalien und trägt zur Reduzierung von Kohlenstoffemissionen und zur Förderung einer nachhaltigen Chemie bei“, sagte Naoki Shida, Erstautor der Studie und Forscher an der Yokohama National University.
Dieser Prozess nutzt Wasser und erneuerbaren Strom als Energiequelle, im Gegensatz zur Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen bei der herkömmlichen Methode. Die Effizienz wurde durch diese Methode nicht beeinträchtigt und die prozentuale Ausbeute im großen Maßstab beträgt 78 %, was ein weiterer Beweis dafür ist, dass diese Technologie einigermaßen skalierbar ist.
Ein Problem, das auftreten könnte, ist ein Anstieg der Zellspannung während des Elektrolyseprozesses. Dies kann jedoch entweder durch eine verbesserte AEM oder, vorzugsweise, durch die Entwicklung eines 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 häufiger diese Technologie eingesetzt wird, desto einfacher ist es, sie auf andere stickstoffhaltige aromatische Verbindungen umzustellen, was die Praktikabilität des elektrokatalytischen Hydrierungsprozesses weiter unterstreicht.
Im Idealfall würde sich diese Methode als Alternative zu herkömmlichen Methoden in der chemischen Industrie etablieren und auf lange Sicht den gesamten CO2-Fußabdruck reduzieren, den die chemische Produktion hinterlässt.
Das Japan Synchrotron Radiation Research Institute ermöglichte diese Forschung.
Weitere Informationen:
Elektrokatalytische Hydrierung von Pyridinen und anderen stickstoffhaltigen aromatischen Verbindungen, Zeitschrift der American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c09107