Skupina raziskovalcev je uspela poenostaviti proizvodne procese na bolj trajnosten način, z manj sredstvi in manj materiali
Proizvodnja industrijskih izdelkov, kot so plastika, farmacevtski izdelki in detergenti, brez uporabe strupenih topil in težkih kovin je zdaj mogoča zahvaljujoč delu španskih raziskovalcev.
To je dosežek raziskovalne skupine Inštituta za kemijsko tehnologijo (ITQ), skupnega centra Visokega sveta za znanstvene raziskave (CSIC) in Politehnične univerze v Valenciji (UPV), ki je razvila novo metodo za izvedbo temeljne reakcije v kemični industriji, epoksidacijo alkenov, pri čemer uporablja samo kisik ali zrak, brez uporabe katalizatorjev ali topil.
Nova metoda je patentirana, rezultati pa so objavljeni v reviji Nature Communications pod naslovom Epoxidación aeróbica no catalizada de alquil alquenos líquidos (Nekatalizirana aerobna epoksidacija tekočih alkil alkenov).
Industrijska reakcija
Kot opisuje CSIC, »je epoksidacija alkenov temeljna reakcija v kemični industriji, pri kateri se alken, organska molekula, sestavljena iz ogljika in vodika, pretvori v epoksid, zelo reaktivno spojino, ki je zelo uporabna v številnih kemičnih in industrijskih reakcijah«.
So bistveni med drugim v proizvodnji plastičnih mas in epoksi smol (polimerov z visoko odpornostjo in vsestransko uporabnostjo, ki se uporabljajo v gradbeništvu, informatiki ali avtomobilski industriji) ter v proizvodnji farmacevtskih izdelkov, detergentov, dišav in arom.
Kot kockice Lego
„Kar zadeva epoksidacijo alkenov, si moramo predstavljati, da so alkeni kot kocke Lego, sestavljene iz ogljika in vodika, z dvojno vezjo med dvema ogljikovima atomoma. Ta dvojna vez je nekakšna šibka točka, kjer je molekula najbolj reaktivna,“ pojasnjuje Antonio Leyva Pérez, znanstveni raziskovalec CSIC na ITQ (UPV-CSIC) in soavtor raziskave.
Epoksidiranje je kemična reakcija, ki tem Lego kockam, alkenom, doda atom kisika inoblikuje strukturo treh atomov, dveh ogljikovih in enega kisikovega,« poudarja raziskovalec.
„Rezultat je nova spojina, epoksid, ki je veliko bolj reaktivna in vsestranska, ključni element, ki dejansko odpira številne možnosti na področju kemije,“ dodaja Leyva Pérez.
Vanadij in titan
Do sedaj je bila ena najpogostejših metod za pridobivanje epoksidov katalitična epoksidacija, kemični proces, v katerem alkeni pridobijo kisikov atom iz vodikovega peroksida, splošno znanega kot vodikov peroksid.
Vendar pa je za to, da peroksid odda kisikov atom alkenom, potrebna uporaba katalizatorjev, kjer se uporabljajo kovine, kot sta vanadij ali titan, ki delujejo kot »molekularni posredniki« za pretvorbo alkenov v epokside.
Vendar pa inovativna metoda, ki jo je razvil ITQ, omogoča pridobivanje epoksidov brez uporabe katalizatorjev, kar je bilo do sedaj nemogoče. Poleg tega rezultati kažejo visoko stopnjo učinkovitosti in selektivnost do 90 %, kar se nanaša na prednost kemijske reakcije pri tvorjenju določene spojine, kadar obstaja možnost več različnih rezultatov.
Nenavaden dosežek
Da bi to dosegli, sistem uporablja različne oblike: reakcijo je mogoče izvesti z uporabo zraka pri zmernih tlakih (med 3 in 5 bari); z neposrednim stikom z zrakom, kjer lahko reakcija poteka spontano pri sobni temperaturi, kar je prav tako doslej bilo nemogoče; in z uporabo kisika in toplote pri temperaturah med 100 in 200 °C.
Ta proces se lahko izvede v navadni steklenici, odprti na zrak, v nekaj urah, kar omogoča znatno povečanje trenutne proizvodnje. Reakcija poteka prek vrste interakcij med alkeni v tekočem stanju in kisikom iz zraka. V teh pogojih alkeni reagirajo in tvorijo radikale, ki so visoko reaktivne delce, sposobne aktivirati kisik iz zraka.
To ustvari superoksid, tj. prosti radikal ali molekulo z neparnim elektronom (brez drugega elektrona v isti regiji okoli jedra atoma), ki reagira z aktiviranimi alkeni in tvori vmesni produkt, ki nato reagira z več kisikom in tvori končni produkt: epoksid.
Samo z zrakom
„Zahvaljujoč temu procesu je mogoče odstraniti tako vodikov peroksid kot tudi dodatke in topila, ki so se doslej uporabljali v industriji, in vse to nadomestiti preprosto z zrakom.
Tako se proizvodni stroški zmanjšajo za več kot 50 %«, zagotavlja Judit Oliver, raziskovalka CSIC na ITQ (UPV-CSIC) in soavtorica raziskave.
Trajnostno in industrijsko prilagodljivo
Poleg trajnosti se ta metoda odlikuje po enostavnosti, saj za izvedbo reakcije potrebuje le čisti alken in zrak ali kisik kot edina reagenta. Uporabna je tudi za različne vrste alkenov, vključno z derivati biomase.
Druga prednost je, da se lahko neposredno vključi v zelo pogoste kemijske procese, kot so na primer priprava polimerov, maziv in zdravil.
„To odpira nove možnosti za sintezo v enem koraku ali one-pot, pri kateri se vsi reagenti združijo v enem posodu, brez da bi bilo treba izolirati ali prečistiti vmesne produkte, ki nastanejo med posameznimi koraki,“ pojasnjuje Susi Hervàs Arnandis, preddoktorska raziskovalka na ITQ (UPV-CSIC), v okviru katerega je nastala ta delo.
Varnejše, trajnejše in cenejše
Nova metoda se tako lahko kombinira z drugimi sinteznimi postopki v enem samem reaktorju in ima nizke obratovalne stroške, ker zahteva manj korakov, manj materialov in preprostejšo opremo kot tradicionalni postopki za doseganje iste reakcije. To pomeni, da je lažje prilagoditi industrijski proizvodnji.
„S prenosom v industrijsko proizvodnjo je mogoče reaktorje, ki se uporabljajo za vodikov peroksid, nadomestiti z enostavnejšimi, saj je vodikov peroksid zelo koroziven in eksploziven, kar omogoča varnejši, trajnejši in cenejši proces“, zagotavlja raziskovalec CSIC Antonio Leyva.
Raziskovalna skupina
Svetovni trg alkil epoksidov je bil leta 2024 ocenjen na približno 70 milijard evrov, do leta 2028 pa naj bi dosegel okoli 90 milijard evrov, s povprečno letno stopnjo rasti (CAGR) med 3 in 6 %, kot pojasnjujejo v članku v reviji Nature.
Delo je bilo opravljeno v skupini za katalizo trajnostnih organskih reakcij ITQ v okviru doktorske disertacije Susi Hervàs Arnandis, ki jo skupaj vodita Judit Oliver Meseguer in Antonio Leyva Pérez.
Poleg tega so v tej študiji kot soavtorji sodelovali tudi Francisco Garnes Portolés in Silvia Rodríguez Nuévalos, nekdanja člana raziskovalne skupine. Rezultati so zaščiteni z registriranim patentom.
