Entwicklung einer effizienten Methode zur Hydrierung stickstoffhaltiger aromatischer Verbindungen

Um die Umweltauswirkungen der chemischen Industrie erfolgreich zu reduzieren, müssen wir einen umweltfreundlicheren Weg finden, die chemischen Grundelemente gängiger und in großen Mengen verbrauchter Verbindungen herzustellen.

Es ist kein Geheimnis, dass Herstellungsprozesse zu den größten und intensivsten Auswirkungen auf die Umwelt gehören, wobei die chemische Industrie hinsichtlich des Energieverbrauchs und der Entstehung von Emissionen führend ist. Dies ist zwar sinnvoll, da industriell hergestellte Chemikalien im täglichen Leben weit verbreitet sind, lässt jedoch im Hinblick auf die Nachhaltigkeit noch einiges zu wünschen übrig.

Durch die Konzentration auf erneuerbare Energiequellen und alternative Methoden zur Herstellung der grundlegenden chemischen Bausteine ​​für einige der am häufigsten verwendeten Verbindungen hoffen die Forscher, den Fußabdruck der chemischen Industrie durch grüne Innovationen zu verringern.

Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse im Zeitschrift der American Chemical Society am 7. Oktober.

Diese Studie konzentriert sich hauptsächlich auf zyklische Amine, da sie die wichtigsten Bausteine ​​in 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 unverzichtbar 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 Dampfreformierung von Methan, einem wichtigen Treibhausgas, gewonnen wird.

Diese Methode ist nicht nur energieintensiv, sondern auch für rund 3 % der weltweiten Kohlendioxidemissionen 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 Säurezusätze wie bei herkömmlichen Methoden verwendet werden müssen. Die Funktion des Elektrolyseurs besteht darin, Wasser in seine Bestandteile atomaren Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Der erhaltene atomare Wasserstoff wird dann der zyklischen Verbindung hinzugefügt.

Der AEM-Elektrolyseur zeigt auch bei anderen stickstoffhaltigen Aromaten große Vielseitigkeit, was ihn zu einem vielversprechenden Weg für ein breites Anwendungsspektrum macht. Darüber hinaus wird durch die Entwicklung einer Methode, die bei Umgebungstemperaturen und -drücken eingesetzt werden kann, die für den Prozess erforderliche elektrische Energie erheblich reduziert.

„Die Methode bietet ein erhebliches Potenzial für Anwendungen im industriellen Maßstab in Pharmazeutika und Feinchemikalien und trägt zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen und zur Weiterentwicklung einer nachhaltigen Chemie bei“, sagte der Erstautor der Studie und Forscher an der Yokohama National University.

Dieses Verfahren nutzt Wasser und erneuerbaren Strom als Energiequelle, was im Gegensatz zur Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen bei der herkömmlichen Methode steht. Die Effizienz wurde durch diese Methode nicht beeinträchtigt und die 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 ein verbessertes AEM oder vorzugsweise durch die Entwicklung eines AEM, das speziell für die organische Elektrosynthese entwickelt wurde, gemildert werden.

Damit sich die elektrokatalytische Hydrierungstechnologie verbreiten und einen Unterschied machen kann, muss sie im industriellen Maßstab skalierbar sein, damit Pharma- und Feinchemieunternehmen sie nutzen können. Je häufiger diese Technologie eingesetzt wird, desto einfacher ist der Übergang zu anderen stickstoffhaltigen aromatischen Verbindungen, was die Praktikabilität des elektrokatalytischen Hydrierungsprozesses zum Ausdruck bringt.

Im Idealfall würde sich diese Methode als Alternative zu herkömmlichen Methoden in der chemischen Industrie herausstellen und letztendlich den gesamten CO2-Fußabdruck reduzieren, der bei der chemischen Herstellung entsteht.

Das Japan Synchrotron Radiation Research Institute ermöglichte diese Forschung.