Новости химической науки > Свет помогает фиксировать диоксид углерода

Наиболее важными задачами современных химических производств являются увеличение доли использования возобновляемых источников энергии, например солнечного света, а также разработка методов фиксации диоксида углерода и создания технологий, не допускающих увеличения содержания CO₂ в атмосфере.

Решение обеих этих задач можно совместить за счет создания процесса, исходным веществом в котором будет являться CO₂, а для энергетической подпитки такого процесса будет использоваться солнечный свет. Исследователи из Японии разработали такой процесс, использованная ими методология опирается примерно на те же принципы, которые давно использует природа в процессе фотосинтеза.

Рисунок из Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 47, 11750; DOI: 10.1002/anie.201206166

Применение CO₂ в качестве источника углерода для промышленных процессов может быть весьма привлекательной перспективой, которая одновременно позволяет, и снизить потребление ископаемого топлива, и сократить выбросы углекислого газа в атмосферу. Основным препятствием на пути создания такой системы является исключительная стабильность молекулы CO₂, а преодолеть этот препятствие можно за счет реакции CO₂ с молекулами, обладающими высокой энергии.

Примером фиксации диоксида углерода подобного типа является процесс фотосинтеза, протекающий в клетках зеленых растений. Фотосинтез можно разбить на две стадии – световую и темновую. В ходе световой стадии фотосинтетическая система поглощает фотоны и преобразует энергию электромагнитного излучения в частицы, обладающие высокой энергией. На следующей – темновой стадии эти высокоэнергетические частицы участвуют в процессах, в ходе которых молекула CO₂ используется как источник углерода для синтеза углеводов.

Исследователи из группы Масахро Мураками (Masahiro Murakami) из Университета Киото решили эксплуатировать тот же принцип и в разработке их реакционной системы – первый этап работы которой также активируется за счет света. Облучение ультрафиолетом исходного вещества – α-метилкетона приводит к его изомеризации в нестабильный и обладающий высокой энергией продукт. Как обнаружили исследователи, такое превращение может быть инициировано и обычным солнечным светом. Инициированная светом внутримолекулярная перегруппировка с замыканием цикла приводит к образованию четырехчленного цикла, содержащего атом азота. Такие циклы испытывают значительное напряжение и по этой причине отличаются высокой реакционной способностью.

Световая стадия дополняется темновой, для которой не требуется облучение – на этом этапе реакции активный четырехчленный цикл взаимодействует с CO₂ в присутствии основания. Продуктом реакции является циклический эфир аминозамещенной карбоновой кислоты, который может оказаться полезным в качестве интермедиата для химического синтеза.

Несомненным достоинством предложенного протокола является его простота. Эксперименты показали, что процесс может активироваться и рассеянным солнечным светом, то есть, для запуска реакции нет необходимости в исключительно безоблачной погоде. Второй, темновой, этап можно осуществить непосредственно в том же реакционном сосуде, что и первый – необходимо просто добавить основание и нагреть реакционную смесь до 60°C. Общий выход конечного продукта составляет 83 %, ну а поскольку в качестве исходных материалов может выступать широкий круг α-метиламинокетонов, появляется возможность получения соединений самой различной структуры.

Источник: Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 47, 11750; DOI: 10.1002/anie.201206166

метки статьи: #органическая химия, #химическая технология