Grupa naukowców zdołała uprościć procesy produkcyjne w sposób bardziej zrównoważony, przy użyciu mniejszych nakładów i mniej materiałów
Dzięki pracy hiszpańskich naukowców możliwe jest już wytwarzanie produktów przemysłowych, takich jak tworzywa sztuczne, produkty farmaceutyczne i detergenty, bez użycia toksycznych rozpuszczalników i metali ciężkich.
Jest to osiągnięcie grupy badawczej z Instytutu Technologii Chemicznej (ITQ), wspólnego ośrodka Najwyższej Rady Badań Naukowych (CSIC) i Politechniki w Walencji (UPV), która opracowała nową metodę przeprowadzania reakcji fundamentalnej w przemyśle chemicznym, epoksydacji alkenów, przy użyciu wyłącznie tlenu lub powietrza, bez użycia katalizatorów i rozpuszczalników.
Nowa metoda została opatentowana, a jej wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Communications pod tytułem Epoxidación aeróbica no catalizada de alquil alquenos líquidos (Niekatalizowana epoksydacja ciekłych alkenów alkilowych).
Reakcja przemysłowa
Jak opisuje CSIC, „epoksydacja alkenów jest podstawową reakcją w przemyśle chemicznym, w której alken, cząsteczka organiczna złożona z węgla i wodoru, przekształca się w epoksyd, bardzo reaktywny związek, który jest bardzo przydatny w wielu reakcjach chemicznych i przemysłowych”.
Są one niezbędne między innymi w produkcji tworzyw sztucznych i żywic epoksydowych (polimerów o dużej wytrzymałości i wszechstronności, stosowanych w budownictwie, informatyce i motoryzacji), a także w produkcji farmaceutyków, detergentów, substancji zapachowych i aromatów.
Jak klocki Lego
„Jeśli chodzi o epoksydację alkenów, musimy wyobrazić sobie, że alkeny są jak klocki Lego zbudowane wyłącznie z węgla i wodoru, z podwójnym wiązaniem między dwoma atomami węgla. To podwójne wiązanie jest swego rodzaju słabym punktem, w którym cząsteczka jest najbardziej reaktywna” – wyjaśnia Antonio Leyva Pérez, naukowiec z CSIC w ITQ (UPV-CSIC) i współautor badania.
Epoksydacja to reakcja chemiczna, w której do tych klocków Lego, czyli alkenów, dodawany jest atom tlenu, tworząc strukturę złożoną z trzech atomów, dwóch węgla i jednego tlenu” – podkreśla naukowiec.
„W rezultacie powstaje nowy związek, epoksyd, znacznie bardziej reaktywny i wszechstronny, kluczowy element, który otwiera wiele możliwości w dziedzinie chemii” – dodaje Leyva Pérez.
Wanad i tytan
Do tej pory jedną z najpopularniejszych metod uzyskiwania epoksydów była epoksydacja katalityczna, proces chemiczny, w którym alkeny uzyskują atom tlenu z nadtlenku wodoru, powszechnie znanego jako woda utleniona.
Jednak aby nadtlenek oddał atom tlenu alkenom, konieczne jest użycie katalizatorów, w których wykorzystuje się metale takie jak wanad lub tytan, które działają jako „mediatory molekularne” przekształcające alkeny w epoksydy.
Jednak innowacyjna metoda opracowana przez ITQ pozwala uzyskać epoksydy bez użycia katalizatorów, co do tej pory uważano za niemożliwe. Ponadto wyniki pokazują wysoki poziom wydajności i selektywność sięgającą 90%, co odnosi się do preferencji reakcji chemicznej do tworzenia określonego związku, gdy istnieje możliwość wystąpienia kilku różnych wyników.
Nieprecedensowe osiągnięcie
Aby to osiągnąć, system wykorzystuje różne metody: reakcję można przeprowadzić przy użyciu powietrza pod umiarkowanym ciśnieniem (od 3 do 5 barów); poprzez bezpośredni kontakt z powietrzem, gdzie reakcja może zachodzić spontanicznie w temperaturze pokojowej, co również jest dotychczas niespotykane; oraz poprzez zastosowanie tlenu i ciepła w temperaturze od 100 do 200 °C.
Proces ten można przeprowadzić w zwykłej kolbie otwartej na powietrze przez kilka godzin, co pozwala znacznie zwiększyć aktualną produkcję. Reakcja zachodzi poprzez szereg interakcji między alkenami w stanie ciekłym a tlenem zawartym w powietrzu. W tych warunkach alkeny reagują, tworząc rodniki, które są wysoce reaktywnymi cząsteczkami zdolnymi do aktywacji tlenu zawartego w powietrzu.
Powoduje to powstanie nadtlenku, czyli wolnej rodówki lub cząsteczki z niesparowanym elektronem (bez innego elektronu w tym samym obszarze wokół jądra atomu), która reaguje z aktywowanymi alkenami, tworząc produkt pośredni, który z kolei wchodzi w interakcję z większą ilością tlenu, dając w rezultacie produkt końcowy: epoksyd.
Tylko z powietrzem
„Dzięki temu procesowi możliwe jest wyeliminowanie zarówno nadtlenku wodoru, jak i dodatków i rozpuszczalników stosowanych dotychczas w przemyśle, zastępując je po prostu powietrzem.
W ten sposób koszty produkcji zmniejszają się o ponad 50%”, zapewnia Judit Oliver, badaczka CSIC w ITQ (UPV-CSIC) i współautorka badania.
Zrównoważone i skalowalne przemysłowo
Oprócz zrównoważonego charakteru, metoda ta wyróżnia się prostotą, ponieważ do przeprowadzenia reakcji wymaga jedynie czystego alkenu i powietrza lub tlenu jako jedynych reagentów. Można ją również stosować do różnych rodzajów alkenów, w tym pochodnych biomasy.
Kolejną zaletą jest możliwość bezpośredniego włączenia tej metody do bardzo powszechnych procesów chemicznych, takich jak wytwarzanie polimerów, smarów i leków.
„Otwiera to nowe możliwości syntezy w jednym etapie lub one-pot, w której wszystkie reagenty są łączone w jednym naczyniu bez konieczności izolowania lub oczyszczania produktów pośrednich powstałych między poszczególnymi etapami”, wyjaśnia Susi Hervàs Arnandis, doktorantka w ITQ (UPV-CSIC), w ramach której powstaje niniejsza praca.
Bezpieczniejsze, bardziej zrównoważone i ekonomiczne
W ten sposób nowa metoda może być łączona z innymi procesami syntezy w jednym reaktorze i charakteryzuje się niskimi kosztami eksploatacji, ponieważ wymaga mniej etapów, mniej materiałów i prostszego sprzętu niż tradycyjne metody uzyskiwania tej samej reakcji. Oznacza to, że łatwiej jest ją skalować na potrzeby przemysłu.
„Dzięki skalowaniu do poziomu przemysłowego można zastąpić reaktory stosowane do nadtlenku wodoru innymi, prostszymi, ponieważ nadtlenek wodoru jest bardzo korozyjny i wybuchowy, uzyskując proces bezpieczniejszy, bardziej zrównoważony i ekonomiczny” – zapewnia badacz z CSIC Antonio Leyva.
Zespół badawczy
Globalny rynek epoksydów alkilowych został wyceniony na około 70 mld euro w 2024 r. i oczekuje się, że osiągnie około 90 mld w 2028 r., przy średnim rocznym tempie wzrostu (CAGR) między 3 a 6%, jak wyjaśniono w artykule opublikowanym w Nature.
Praca została przeprowadzona w Grupie Katalizy Zrównoważonych Reakcji Organicznych ITQ w ramach pracy doktorskiej Susi Hervàs Arnandis, kierowanej wspólnie przez Judit Oliver Meseguer i Antonio Leyva Pérez.
Ponadto w badaniu tym jako współautorzy uczestniczyli Francisco Garnes Portolés i Silvia Rodríguez Nuévalos, byli członkowie grupy badawczej. Uzyskane wyniki są chronione zastrzeżonym patentem.