• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Artikler fra Dansk KemiOrganisk kemi20. 08. 2024 | Heidi Thode

Organisk kemi af kuldioxid

Artikler fra Dansk KemiOrganisk kemi20. 08. 2024 | Heidi Thode

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2024 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Læs originalartiklen her

Forståelsen af CO2‘s reaktivitet kan være banebrydende for den grønne omstilling.

Af Jerik Lauridsen og Ji-Woong Lee*, Kemisk Institut, Københavns Universitet, Novo Nordisk Foundation CO2 Research Center (CORC)

Kuldioxid (CO2) er et essentielt molekyle for levende systemer, fordi den er et biprodukt af respirationen og karbon råmateriale for fotosyntesen. Udviklingen af ​​organisk liv, der formentlig fandt sted for 2-3 milliarder år siden, må have været forbundet med kemi, der involverer CO2 i form af omdannelse til bikarbonat/karbonat eller en reduceret form for kulstof via kulstoffiksering og reduktionsreaktioner. I vore dage giver CO2 anledning til stor opmærksomhed på grund af den konstant stigende koncentration af CO2 i atmosfæren og den viden, at CO2 er en alvorlig drivhusgas. Der er derfor stor interesse for kemisk og biologisk opsamling og omdannelse af CO2.
Alligevel har forskningen i kemien af CO2 været ubetydelig og begrænset, fordi CO2 betragtes som havende ”ikke-reaktiv” og ”stabile” egenskaber. I denne artikel vil vi introducere noget af den nyeste viden, der udfordrer den antagelse, at CO2 er kinetisk sagesløs og termodynamisk inert. Vi vil komme ind på, hvorfor det er vigtigt at bemærke den kemiske reaktivitet af CO2 i forskellige organiske reaktioner og fysiske processer, for eksempel i selektiv organisk syntese, CO2-medieret afsaltning af havvand, CO2-katalyseret karbonyl aktivering og depolymeriseringsreaktioner. I alle disse tilfælde har CO2 været brugt som en midlertidig beskyttelsesgruppe, en katalysator og en mediator, hvor CO2 ikke bliver forbrugt, men gendannet. Dette indikerer nemlig, at man kan bruge samme viden til at fange og genbruge CO2.

Den kemiske reaktivitet af CO2
Det er usædvanligt at tale om den kemiske reaktivitet af CO2, da CO2 normalt beskrives som et meget stabilt molekyle, hvor det centrale sp-hybridiserede kulstof-atom er den mest oxiderede form af karbon med en meget høj negativ forbrændingsvarme (-394 kJ/mol). Et højt reduktionspotentiale for enkel-elektron overførelsen for CO2 (CO2 til CO2.- -1.9 V ved pH 7 vs. standard hydrogenelektrode) bliver ofte brugt som begrundelse for, hvorfor det er svært at få CO2 til at reagere med alt andet end de mest reaktive nukleofiler.
Dog bliver disse argumenter aldrig sammenholdt med følgende fakta:
1. Energiomkostningen for en en-elektron overførsel af lignende karbonylforbindelser som anses for reaktive, er næsten identisk.
2. Den kinetiske stabilitet/reaktivitet af CO2 er ifølge den kinetiske elektrophilicitet skala (Mayr’s skala [1], figur 1) sammenlignelig med isocyanat eller aldehyd, som er reaktive grupper.
3. CO2 reagerer med nucleofiler og semi-stabile intermediater. For eksempel oxygen og nitrogen nucleofiler giver henholdsvis carbonater og carbamater.
Det er også velkendt, at CO2 diffunderer ned i vand og danner kulsyre og uorganisk kulstof. Disse processer ligger til grund for overførelsen af kulstof fra luft til vand.
Ikke desto mindre viser Mayr’s skala (figur 1), at CO2 nemt kan reagere ved stuetemperatur og tryk (figur 1). Flere studier viser, at CO2 kan bruges som en mild Lewis syrekatalysator, som i princippet kan erstatte stærke Brønsted-syrer og endda overgangsmetalkatalysatorer. Dette nye koncept i organisk syntese og metodeudvikling giver nye spændende muligheder.

CO2-medieret mono-acylering af diaminer
Kuldioxid kan reagere reversibelt med primære og sekundære aminer i organiske opløsningsmidler under dannelse af carbaminsyrer eller deres salte. Denne reaktion er i princippet baseret på, at CO2 fanges grundet den høje negative absorptionsvarme. Derfor kan man også udnytte den spontane dannelse af carbamat og carbaminsyre i forbindelse med selektiv acylering af aminer. Monoacylerede diaminer er en speciel vigtig gruppe af molekyler på grund af deres ikke-symmetriske natur, som muliggør en efterfølgende anvendelse i organisk syntese og konjugerede reaktioner.
Oftest giver acylering af diaminer en langt højere andel af diamider end monoamider, for eksempel når man anvender de meget reaktive syreklorider. Flere metoder bruger svagere acyldonorer til at opnå monoacylering.
Vores forsøg på at anvende CO2 i syntese af monofunktionaliserede aminer var inspireret af den selektive S-modifikation af proteiner i nærvær af lysin [2]. Ved stuetemperatur og i en CO2-atmosfære (1 atm) blev selektive svovl-Michael-additionsreaktioner opnået uden dannelsen af nitrogen-Michael-additionsprodukter. Derfor forventede vi, at reaktiviteten af en simpel diamin også kunne moduleres under CO2.
Til vores glæde fandt vi anvendelige reaktionsbetingelser for selektiv monoacylering af en række diaminer. Uanset kædelængde og polaritet af diaminerne, opnåede vi høj selektivitet og kunne isolere monoacetylerede produkter (figur 2) [3]. Lægemiddelrelaterede strukturer og biologisk relevante molekyler blev nu tilgængelige under simple betingelser ved brug af syreklorider. Til sammenligning ville en monoacylering af diaminer med tidligere teknologi kræve beskyttelsesgruppekemi, og derved mange ekstra trin og lavere bæredygtighed. Ved hjælp af vores metode kan man danne det monoacylerede produkt i ét trin. CO2 kan simpelthen fordampe efter transformationen og man opnå en høj E-faktor og atomeffektivitet (E-faktor <1, op til 99% atomeffektivitet). Denne metode illustrerer kraften af CO2 som en midlertidig beskyttelsesgruppe i organisk syntese.

CO2 som katalysator for PET-depolymerisering
De katalytiske anvendelser af CO2 kompliceres af CO2‘s tvetydige natur i opløsning. Vi har opdaget, at tilstedeværelsen af CO2 i katalytiske mængder kan fremme visse organiske reaktioner, for eksempel additions-/eliminationsreaktioner på karbonyl. Eksempelvis har vi opdaget, at CO2 katalyserer glykolyse af polyestere i tekstiler. Denne reaktion fører til selektiv depolymerisering af PET-plast og efterlader bomulden i tekstilmaterialer fra polyester/ bomuldskompositter, hvilket kan udgøre et betydeligt fremskridt i kemisk genanvendelse af plastaffald.
Vi har foretaget en storskala PET-glykolyse ved brug af ammoniumbikarbonat, også bedre kendt som hjortetaksalt, som katalysator (figur 3) [4]. Under termiske reaktionsbetingelser nedbrydes ammoniumbikarbonat til ammoniak, CO2 og vand. I modsætning til metalkatalyserede reaktioner, der giver metalliske urenheder og derfor kræver omfattende oprensningsprocesser, er den CO2-katalyserede reaktion ren, fordi der kun anvendes gasser som ammoniak og CO2.
Efter en simpel isolering af produktet kan både opløsningsmidlet og katalysatoren genanvendes. Selvom CO2 og ammoniak bør udvise svagere katalytiske aktiviteter sammenlignet med almindelige metalliske Lewis-syrer og Brønsted-syrekatalysatorer, blev den succesfulde katalytiske glykolyse af polyestere tilskrevet generel syre-/basekatalyse af ammoniak og CO2. Baseret på foreløbige DFT-beregninger kan CO2 aktivere carbonylgrupper som en Lewis-syre via kovalent bindingsdannelse og ammoniak som en Brønsted-base til glykolaktivering via hydrogenbindingsinteraktioner. Kinetik-studier viste positiv entropi af aktivering, mens kontrolforsøg afslørede, at tilstedeværelsen af CO2 mindskede potentielle sidereaktioner; aminolyse og hydrolyse, hvilket øgede selektiviteten mod BHET. Videreudvikling af denne metode kan derfor give en effektiv lukket kredsløbsproduktion af PET og kemisk genanvendelse af polyestere, hvilket betyder bæredygtige processer for plast- og tekstilindustrien.

CO2-medieret afsaltning
Havets overfladevand er den største kontaktoverflade, hvor CO2 kan blive absorberet til en flydende tilstand via diffusion og efterfølgende omdannelse til kulsyre. Kulsyre danner en ligevægt med bikarbonat og karbonat, afhængigt af opløsningens pH (Bjerrum-plot). Solvay-processen, udviklet i 1860’erne af Ernest Solvay og som er en industriel produktion af soda, anvender CO2 og havvand til produktion af soda i stor skala. Her bruger man ammoniak til at danne ammoniumbikarbonat, som er det centrale trin: CO2-fangst og udnyttelse til en ionbytningsreaktion med natriumklorid fra saltlage, hvilket giver ammoniumklorid og natriumbikarbonat. Ammoniak kan frigøres fra ammoniumklorid ved at behandle det med CaO, mens natriumbikarbonat kan nedbrydes termisk til natriumkarbonat også kaldet soda.
Ved at udnytte den reversible interaktion mellem aminer og CO2 i vandige opløsninger antog vi, at anvendelsen af uopløselige aminer, der kan interagere med CO2 i saltlage (netop som i havvand) kan give afsaltning ved at binde kloride (figur 4) [5]. Selvom små organiske aminer i vandige opløsninger kan være fordelagtige grundet høje reaktionshastigheder med CO2, blev polymeriske aminer anvendt for at lette adskillelsen af ammoniumklorid og dermed regenerering af materialet. Efter omhyggelige undersøgelser af mindre molekyler indså vi, at hydrofobicitet af aminer kan spille en betydelig rolle i processen med CO2-medieret afsaltning. For eksempel kan aggregering af alkylkædemodificerede aminer give kloridsekvestrering via CO2-medieret selvaggregering. Yderligere anvendelser af denne CO2-medierede afsaltning blev realiseret ved at anvende amin-modificerede harpikser, som blev pakket i et kontinuerligt flowbatch. Afgørende eksperimenter og regenerationstests viste entydig reaktivitet af aminer for CO2-fangst, bikarbonatdannelse og ionbytning for at opnå udløbsvand med reduceret klorid koncentration. Vi mener, at denne metode kan ekspanderes yderligere til CO2-fangst, udnyttelse og sekvestrering ved at bruge forbedrede amin-baserede materialer baseret på optimeret overfladeareal og et højt indhold af stærkt basiske amin-funktionelle grupper.

Konklusion
Fra eksemplerne præsenteret her, er det svært at konkludere, at CO2 ikke er reaktiv, og at molekylet er så stabilt, som det ofte postuleres. Selvom der er flere tilfælde, hvor CO2 forbliver ikke-reaktiv, bliver det til et spørgsmål om at udnytte reaktiviteten under de rigtige omstændigheder. Under en spontan reaktion mellem CO2 og primære og sekundære aminer, kan aminerne ændre deres reaktivitet gevaldigt. Vi ville derfor gå så langt at foreslå, at vi ændrer vores lingo omkring CO2 og stopper med at kalde det inert og stabil. Det hindrer nemlig udforskningen af den fundamentale kemi omkring CO2, der potentielt kan være banebrydende i den grønne omstilling.

E-mail:
Ji-Woong Lee: jiwoong.lee@chem.ku.dk

Referencer
1. Li, Z.; Mayer, R.J.; Ofial, A.R.; Mayr, H. From Carbodiimides to Carbon Dioxide: Quantification of the Electrophilic Reactivities of Heteroallenes. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142 (18), 8383-8402.
2. Yang, Y.; Fischer, N.H.; Oliveira, M.T.; Hadaf, G.B.; Liu, J.; Brock-Nannestad, T.; Diness, F.; Lee, J.-W. Carbon dioxide enhances sulphur-selective conjugate addition reactions. Org. Biomol. Chem. 2022, 20 (22), 4526-4533.
3. Lauridsen, J.M.V.; Poderyte, M.; Lee, J.-W. Taming diamines and acyl chlorides by carbon dioxide in selective mono-acylation reactions. Green. Chem. 2023, 25 (4), 1332-1338.
4. Yang, Y.; Sharma, S.; Di Bernardo, C.; Rossi, E.; Lima, R.; Kamounah, F.S.; Poderyte, M.; Enemark-Rasmussen, K.; Ciancaleoni, G.; Lee, J.-W. Catalytic Fabric Recycling: Glycolysis of Blended PET with Carbon Dioxide and Ammonia. ACS Sustain. Chem. Eng. 2023, 11 (30), 11294-11304.
5. Ayyar, A.S.-R.; Aregawi, D.T.; Petersen, A.R.; Pedersen, J.M.I.; Kragh, R.R.; Desoky, M.M.H.; Sundberg, J.; Vinum, L.; Lee, J.-W. Carbon Dioxide-Mediated Desalination. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145 (6), 3499-3506.

Skrevet i: Artikler fra Dansk Kemi, Organisk kemi

Seneste nyt fra redaktionen

Udnyttelse af biernes bakterier til udvikling af innovative plantebaserede fødevarer

Artikler fra Dansk KemiBioteknologiTop19. 10. 2026

Forskere undersøger, hvordan mælkesyrebakterier fra honningbier kan bruges til at udvikle næste generation af plantebaserede fødevarer. Ved hjælp af avanceret droplet microfluidics kan tusindvis af bakteriestammer hurtigt screenes for deres evne til at fermentere plantebaserede råvarer og producere

Ny metode kan reparere fejl i gener

AktueltBioteknologiMedicinalkemi19. 10. 2026

Forskere fra Aarhus Universitet har vist, at en ny form for genbehandling kan rette fejl i patienters stamceller. På sigt kan metoden måske bruges til behandling af sjældne, arvelige sygdomme, som påvirker vores immunforsvar. Nogle mennesker bliver født med en fejl i deres genetiske

Nobelprisen i Kemi belønner forskning i molekylernes spejlbilleder

AktueltBranchenytMedicinalkemiOrganisk kemi12. 10. 2026

Nogle molekyler, såsom aminosyrer, findes i to varianter, der er hinandens spejlbilleder. Levende organismer indeholder imidlertid kun det ene af disse spejlbilleder. Hvordan en sådan kemisk asymmetri kunne være opstået, har længe været et mysterium for kemikere. Henri B. Kagan og Kenso Soai blev i

Astronauters maver går i stå i rummet – blodprøver giver nyt svar

AktueltBiologi12. 10. 2026

Alt er anderledes i rummet – også hvordan tarmene fungerer. Forstoppelse er en kendt bivirkning ved rumfart, men indtil nu har man vidst utroligt lidt om, hvorfor det sker. Nu har forskere fra Københavns Universitet i et samarbejde med NASA undersøgt blod fra astronauter og har et bud på, hvorfor

Grundstoffer med kant

Artikler fra Dansk KemiBranchenyt07. 10. 2026

Thomas Just Sørensen: Universets byggeklodser. 283 sider. Boganmeldelsen er bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Anmeldt af Søren Kiil, professor, DTU Kemiteknik Det periodiske system er kemiens

Evaluering af rustbeskyttende maling under barske maritime forhold

Artikler fra Dansk KemiKemiteknik07. 10. 2026

Ny viden og avanceret testning skal sikre mere holdbare og bæredygtige beskyttelsessystemer til fremtidens infrastruktur. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Ziyou Li, Joshua

Hvordan får vi saftige plantebøffer? Rehydrering af tekstureret vegetabilsk protein

Artikler fra Dansk KemiFødevarekemi07. 10. 2026

Tekstureret vegetabilsk protein bruges til at fremstille plantebaserede kødanaloger. pH og ionstyrke påvirker proteiners konformation og interaktion med vandmolekyler, så vi satte os for at undersøge, hvordan pH og ionstyrke påvirker rehydrering af tekstureret vegetabilsk protein. Artiklen har

Hvad skal kalken bruges til?

Artikler fra Dansk Kemi07. 10. 2026

Fra en brønd på en jysk mark til borekerner i kælderen under Aarhus Universitet: 55 millioner år gammel vulkansk aske kan måske hjælpe med at gøre CO₂ til sten. Samtidig forsøger dansk industri at vende kalkens gamle kulstofkredsløb på hovedet. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og

Biotin[6]uril – en makrocyklisk forbindelse, der vekselvirker med anioner

Artikler fra Dansk KemiOrganisk kemi07. 10. 2026

Ved at udnytte at reaktionen mellem formaldehyd og d-Biotin (et vitamin, og et naturligt forekommende N,N'-dialkylurinstof) er reversibel, kan oligomeriseringsreaktionen guides ved at tilsætte en templat. I dette bidrag forklarer jeg, hvordan dette er blevet udnyttet til at syntetisere makrocykler,

“I dybden med kemi” og “Klædt på til skriftlig kemi”

Artikler fra Dansk KemiBranchenyt07. 10. 2026

I dybden med kemi af Lone Brun Jakobsen og Klædt på til skriftlig kemi af Lone Brun Jakobsen m.fl. Begge udgivelser på Nucleus Forlag ApS, 2026, 1. udgave, 1. oplag. Boganmeldelsen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder (læs

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    Effektiv laboratorieopvask starter med den rigtige løsning

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Vakuum reducerer vedligeholdelsesarbejdet og energiforbruget i osteproduktion

  • Holm & Halby

    Autoklave Kørekort i Aarhus – sikker sterilisering i praksis

  • Holm & Halby

    Holm & Halby på Cleanroom EXPO 2026

  • Holm & Halby

    Frysetørringsseminar – få styr på teorien bag den gode proces

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Besøg Busch Vakuumteknik på FoodTech 2026

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    Mikrolab – Frisenette overtager aktiviteterne i MD Scientific

  • DENIOS ApS

    Vil du opvarme dine materialer effektivt?

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Reduktion af energiomkostninger og forlængelse af vakuumpumpens levetid i fødevarepakning

  • Holm & Halby

    VidensDag’26 hos Holm & Halby

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Udnyttelse af biernes bakterier til udvikling af innovative plantebaserede fødevarer

    19.10.2026

  • Ny metode kan reparere fejl i gener

    19.10.2026

  • Nobelprisen i Kemi belønner forskning i molekylernes spejlbilleder

    12.10.2026

  • Astronauters maver går i stå i rummet – blodprøver giver nyt svar

    12.10.2026

  • Grundstoffer med kant

    07.10.2026

  • Evaluering af rustbeskyttende maling under barske maritime forhold

    07.10.2026

  • Hvordan får vi saftige plantebøffer? Rehydrering af tekstureret vegetabilsk protein

    07.10.2026

  • Hvad skal kalken bruges til?

    07.10.2026

  • Biotin[6]uril – en makrocyklisk forbindelse, der vekselvirker med anioner

    07.10.2026

  • “I dybden med kemi” og “Klædt på til skriftlig kemi”

    07.10.2026

  • Fra sjældne ædelmetaller til jern og mangan: Jagten på bæredygtige fotoaktive materialer

    07.10.2026

  • Fra kvantekemi til AI: Nye værktøjer til overfladekemi

    07.10.2026

  • Fra elastik til batteri

    07.10.2026

  • Ny erfaren institutdirektør på DTU Kemi

    06.10.2026

  • 30 års overvågning viser, at antibiotikaresistens kan presses tilbage

    05.10.2026

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia ApS
Gammel Strandvej 20, 1th
DK - 2990 Nivå
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk

Privatlivspolitik
Cookiepolitik
Administrer samtykke
For at give dig de bedste oplevelser bruger vi teknologier som cookies til at gemme og/eller få adgang til enhedsoplysninger. Hvis du giver dit samtykke til disse teknologier, kan vi behandle data som f.eks. browsingadfærd eller unikke ID'er på dette websted. Hvis du ikke giver dit samtykke eller trækker dit samtykke tilbage, kan det have en negativ indvirkning på visse funktioner og egenskaber.
Funktionsdygtig Altid aktiv
Den tekniske lagring eller adgang er strengt nødvendig med det legitime formål at muliggøre brugen af en specifik tjeneste, som abonnenten eller brugeren udtrykkeligt har anmodet om, eller udelukkende med det formål at overføre en kommunikation via et elektronisk kommunikationsnet.
Præferencer
Den tekniske lagring eller adgang er nødvendig for det legitime formål at lagre præferencer, som abonnenten eller brugeren ikke har anmodet om.
Statistikker
Den tekniske lagring eller adgang, der udelukkende anvendes til statistiske formål. Den tekniske lagring eller adgang, der udelukkende anvendes til anonyme statistiske formål. Uden en stævning, frivillig overholdelse fra din internetudbyders side eller yderligere optegnelser fra en tredjepart kan oplysninger, der er gemt eller hentet til dette formål alene, normalt ikke bruges til at identificere dig.
Marketing
Den tekniske lagring eller adgang er nødvendig for at oprette brugerprofiler med henblik på at sende reklamer eller for at spore brugeren på et websted eller på tværs af flere websteder med henblik på lignende markedsføringsformål.
  • Vælg muligheder
  • Administrer tjenester
  • Administrer {vendor_count} leverandører
  • Læs mere om disse formål
Vælg fra liste
  • {title}
  • {title}
  • {title}