Ungefähr 5 % der weltweiten Kohlenstoffemissionen sind auf die Produktion von Chemikalien zurückzuführen, die für das moderne Leben lebenswichtig sind. Die Entwicklung einer nachhaltigen Lösung insbesondere für eine chemische Reaktion – die Autoxidation von Aldehyden – stellt Forscher seit Jahrzehnten vor Herausforderungen.
Nun, in einer Studie veröffentlicht In Grüne ChemieForscher der Universität Osaka, des Shizuoka Institute of Science & Technology und Kooperationspartner haben dieses Problem gelöst. Mithilfe von Reaktionskinetik und mathematischer Modellierung untersuchten sie die wichtigsten Details der Autoxidation von Aldehyden in verschiedenen Lösungsmitteln, atmosphärischen Bedingungen und Lichtquellen. Die identifizierten umweltfreundlichen Reaktionsbedingungen könnten als Inspiration für die Verbesserung anderer industriell üblicher chemischer Synthesen dienen.
Unter Autoxidation versteht man einfach die Oxidation an der Luft bei typischen Temperaturen ohne Flammen- oder Funkeneinwirkung. Beispielsweise entsteht durch Autoxidation eines gewöhnlichen Moleküls, das als Aldehyd bekannt ist, ein Molekül, das als Persäure bekannt ist.
Persäuren sind unglaublich nützlich, da sie die Umwandlung einer Vielzahl von Molekülen durch etablierte Chemie katalysieren können. Leider sind die Reaktionsbedingungen, die üblicherweise zur Herstellung von Persäuren verwendet werden, verschwenderisch, erfordern gefährliche Zusatzstoffe oder bringen andere grundlegende Komplikationen mit sich. Ziel der Studie des Forschungsteams war es, die Nachhaltigkeit der Autoxidation von Aldehyden zu optimieren.
„In unserer Arbeit untersuchen wir umfassend die Reaktionschemie, die der Autoxidation von Aldehyden zu Persäuren oder Carbonsäuren zugrunde liegt“, erklärt Mohamed Salem, Hauptautor der Studie. „Der Versuchsaufbau ist einfach und für Synthesen im Gramm-Maßstab geeignet.“
Die Forscher berichten über 18 Beispiele für schnelle Reaktionen verschiedener Aldehyde zu Persäuren in einer reinen Sauerstoffatmosphäre. Diese Bedingungen unterdrückten die weitere Reaktion zu Carbonsäuren.
Darüber hinaus berichten sie über 32 Beispiele langsamer Reaktionen verschiedener Aldehyde zu Carbonsäuren über Persäure-Zwischenprodukte in einer normalen Atmosphäre. Einige dieser 50 Reaktionen verliefen am besten unter Sonnenlicht oder alternativ unter LED-Licht.
Alle Reaktionen fanden ungefähr bei Raumtemperatur und in sicheren Lösungsmitteln statt. Diese Arbeit ist das erste Mal, dass Persäuren aus Aldehyden nur unter Verwendung von Sonnenlicht und Sauerstoff synthetisiert wurden.
„Wir freuen uns, weil unsere Forschung ein seit langem bestehendes Problem der Persäuresynthese in der grünen Chemie löst“, sagen Shinobu Takizawa und Masayuki Kirihara, leitende Autoren. „Unsere umfassenden Studien werden den Forschern helfen, die einzigartige Chemie zu verstehen, die durch verschiedene funktionelle Gruppen im Ausgangsmaterial vermittelt wird.“
Diese Arbeit ist ein wichtiger Fortschritt bei der Lösung eines bisher problematischen Problems bei der Persäuresynthese, das die Umweltverträglichkeit der Herstellung solcher Moleküle eingeschränkt hat.
Die in dieser Studie identifizierten optimierten Autoxidationsreaktionsbedingungen sind auf eine Vielzahl gängiger chemischer Ausgangsmaterialien anwendbar. Da die Verfahren sicher und kostengünstig sind, sollten praktische Anwendungen in verschiedenen Synthesen unkompliziert sein.
Das Forschungsteam verstärkt derzeit seine Zusammenarbeit mit MANAC Chemical Partners Co., Ltd., um diese Forschungsergebnisse zu kommerzialisieren.
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Mohamed SH Salem et al, Lichtinduzierte Autoxidation von Aldehyden zu Persäuren und Carbonsäuren, Grüne Chemie (2023). DOI: 10.1039/D3GC02951D