У ученых есть серьезный повод завидовать растениям: при всех стараниях химикам еще не удалось создать простой метод массового производства разнообразных органических веществ из возобновляемых ресурсов: воздуха, воды и света. Растения в процессе фотосинтеза преобразуют эти компоненты в биомассу. Идея использования возобновляемого природного ресурса – углекислого газа в качестве источника углерода нашла продуктивное развитие в работе Института Биоинженерии и Нанотехнологии (Institute of Bioengineering and Nanotechnology, IBN) в Сингапуре.

Углекислый газ, также известный как парниковый газ, является природным, экологичным и возобновляемым источником углерода, по сравнению с другими используемыми человеком органическими ресурсами, такими как природный газ или ископаемое топливо. Уменьшение запасов этих топливных ресурсов и возможность с пользой перерабатывать вещество, избыток которого в сегодняшней экологической ситуации может негативно отразиться на состоянии природы, привлекает внимание ученых. Многочисленные научные группы пытаются найти способ превращения углекислого газа в более полезные вещества, однако химические связи между углеродом и кислородом в его молекулах слишком прочны для того, чтобы легко и с энергетической выгодой можно было их разрушить. Предыдущие попытки восстановить двуокись углерода упирались в высокие энергетические и временные затраты при проведении реакции. Ее катализаторами выступали переходные металлы, но их нестабильность в присутствии кислорода и дороговизна ограничивали масштабирование процесса.

И вот, в недавнем выпуске журнала Angewandte Chemie сингапурские ученые сообщили о том, что они нашли способ «мягкого», говоря химическим языком, превращения углекислого газа в метанол – были подобраны катализатор и восстанавливающий агент, цепь химические превращений с участием которых дает возможность в обычных условиях получать метанол.

Реакция основана на использовании в качестве катализатора N-гетероциклического карбена, и гидросилана как восстановителя.

Химики весьма заинтересованы в изобретении простого способа получения органических веществ из углекислого газа, содержащегося в воздухе.

Изюминкой и главной находкой ученых стал катализатор класса N-гетероциклических карбенов (N-heterocyclic carbenes, NHCs), то есть органокатализатор – активность которого создается исключительно органическими химическими группами, без участия атома металла. Основной структурной и химической особенностью NHCs является пятичленный цикл, состоящий из двух атомов азота и трех атомов углерода. При этом один из атомов углерода имеет не 4 ковалентные связи, а только 2, и содержит высоко активную неподеленную пару электронов. Именно такие частицы оказались достаточно активными для того, чтобы взаимодействовать с молекулами СО2.

Этот органокатализатор (в данном случае – 1,3.бис-(2,4,6-триметилфенил)имидазолиден) не содержит токсичных металлических включений, хорошо хранится, стабилен даже в присутствии кислорода и дешевле металлорганических катализаторов.

Катализатор ресинтезируется прямо в течение реакции превращения СО2: карбен активирует молекулу СО2, затем отделяется от нее, но к концу реакции снова возвращается в исходное состояние: формальным реакционным партнером СО2 является гидросилан (гидрированное кремнийорганическое соединение), который выступает как восстанавливающий агент – отдает свои атомы водорода молекуле СО2. Легче всего в такой цепи каталитических превращений получать метанол.

Стоит упомянуть, что метанол – это прекрасный исходный материал для очень многих химических синтезов, а так же замечательное горючее: метанольные топливные элементы широко применяются в промышленности, а сжигание метанола не приводит к образованию каких-либо других веществ кроме углекислого газа и воды.

Описанный каталитический процесс происходит самопроизвольно при комнатной температуре. Вообще, потенциал использования катализаторов класса NHCs распространяется гораздо шире: с помощью этих веществ можно катализировать преобразование сахаров в вещества, пригодные для использования в качестве топлива; NHCs проявляют также свойства антиоксидантов и замедляют дегенеративные процессы в организме. Теперь, по мнению ученых, с появлением возможности превращать обычный углекислый газ в спирт, значимость веществ этого класса стремительно возрастет.

Ученые продемонстрировали также, что для реакции СО2-метанол необходимо совсем небольшое количество катализатора, а углекислый газ хорошо улавливается катализатором из воздуха.

Главные преимущества нового изобретения – это возможность использовать углекислый газ прямо из осушенного воздуха (поскольку катализатор не чувствителен к кислороду), высокая эффективность катализа по сравнению в аналогичными металл-катализируемыми процессами, мягкие условия реакции и отсутствие токсичных реагентов.

Ученые видят в новом методе выполнение необходимых для внедрения в промышленность и коммерческого успеха условий.