Una nuova strada verso una chimica sintetica sicura e sostenibile
La CO₂ come fonte di ossigeno: l'Università di Bayreuth rivoluziona la chimica dell'ossidazione
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Le reazioni di ossidazione sono indispensabili per l'industria chimica, ma dal punto di vista della sicurezza dei processi rappresentano tra le trasformazioni più complesse. Un gruppo di ricerca dell'Università di Bayreuth, in collaborazione con partner internazionali, ha ora introdotto un approccio fondamentalmente nuovo alle reazioni di ossidazione, in cui l'anidride carbonica viene utilizzata come fonte di ossigeno per la sintesi chimica. Ciò rende la reazione più sicura e più sostenibile. I ricercatori descrivono questo nuovo approccio sullarivista Science.
I processi di ossidazione si osservano non solo nella vita quotidiana – ad esempio quando il ferro arrugginisce o i combustibili bruciano – ma sono anche indispensabili nell’industria: la trasformazione delle molecole attraverso l’ossidazione produce principi attivi farmaceutici e precursori per la plastica. Alcuni materiali di uso quotidiano, come vernici e rivestimenti, si induriscono solo attraverso l’ossidazione. Su scala industriale, tuttavia, dove la sicurezza e la controllabilità sono di fondamentale importanza, le reazioni di ossidazione vengono evitate il più possibile perché comportano rischi per la sicurezza. Molte ossidazioni generano calore, il che può portare al cosiddetto "runaway termico", in cui la reazione accelera in modo incontrollabile e può provocare incendi o esplosioni. In particolare, l'uso dell'ossigeno come agente ossidante presenta un rischio di esplosione. Anche altri agenti ossidanti sono difficili da controllare a causa delle loro proprietà chimicamente aggressive.
“In questo contesto, abbiamo sviluppato un nuovo approccio in cui l’anidride carbonica funge da fonte di ossigeno per le reazioni di ossidazione. Questa scoperta trasforma la CO₂ da un gas serra puramente inerte in un prezioso reagente sintetico”, afferma il Prof. Dr. Shoubhik Das, titolare della cattedra di Chimica Organica I all’Università di Bayreuth e autore senior dello studio. Nel loro lavoro, i ricercatori dimostrano per la prima volta un sistema di trasferimento di ossigeno guidato dalla luce che utilizza direttamente la CO₂ per la scissione ossidativa degli alcheni in condizioni ambientali. Molte materie plastiche derivano dagli alcheni, rendendo queste sostanze estremamente importanti per l’industria. “Grazie a un robusto fotocatalizzatore eterogeneo a base di ferro, la reazione procede a temperatura ambiente e a pressione normale senza l’uso di agenti ossidanti pericolosi o di ossigeno pressurizzato. Ciò rende la reazione più sicura rispetto alle ossidazioni convenzionali”, spiega Das. La natura fotoindotta della reazione rende inoltre l’approccio efficiente dal punto di vista energetico.
«Oltre a stabilire una nuova reazione, il nostro approccio apre la strada a processi di ossidazione che soddisfano le crescenti esigenze di sicurezza industriale, sostenibilità e produzione verde. In definitiva, la nostra ricerca contribuisce a un futuro in cui le trasformazioni chimiche fondamentali vengono sviluppate tenendo conto della sicurezza, della sostenibilità e della responsabilità ambientale», afferma Das.
Lo studio è nato da una collaborazione internazionale tra l’Università di Bayreuth, l’Istituto Leibniz per la Catalisi, l’Istituto CNR di Chimica dei Composti Organometallici, l’Istituto CNR per i Processi Chimici e Fisici, l’Università di Stoccolma, l’Università Jagellonica, il Laboratorio Statale Chiave di Catalisi a Basse Emissioni di Carbonio e Utilizzo dell’Anidride Carbonica e il Politecnico di Milano. Il lavoro è stato finanziato da una sovvenzione del DTU (2035-00147B) e da un finanziamento iniziale dell’Università di Bayreuth.
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Pubblicazione originale
Yuman Qin, Peng Ren, Jun Hu, Suman Pradhan, Thanh Huyen Vuong, Xiufang He, Lulu Alluhaibi, Nils Rockstroh, Susanna Monti, Giovanni Barcaro, Aleksander Jaworski, Piotr Kuśtrowski, Jabor Rabeah, Daniel Hohenberger, Sergey Bagnich, Anna Köhler, Josef Breu, Gianvito Vilé, Matthias Beller, Shoubhik Das; "Photocatalyzed oxidative cleavage of alkenes using CO2 as an oxygen donor"; Science, Volume 392
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