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New Directions in Sustainable Catalysis by Metal Complexes

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Nuove reazioni catalitiche per rendere il mondo un luogo più verde e più pulito

La ricerca sullo sviluppo di catalizzatori verdi sarà di grande aiuto per rendere molte industrie rilevanti più rispettose dell’ambiente. Il progetto SUSCAT, finanziato dall’UE, ha dato un contributo impressionante a questa ricerca, compreso lo sviluppo di nuove reazioni catalitiche sostenibili per la sintesi chimica verde, e verso lo sviluppo dello stoccaggio e dell’uso efficienti e sicuri dell’idrogeno come vettore di energia verde.

Cambiamento climatico e Ambiente
Energia
Ricerca di base

Il progetto SUSCAT (New Directions in Sustainable Catalysis by Metal Complexes), finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (CER), ha le sue basi in diversi campi, tra cui chimica organometallica fondamentale, chimica di coordinazione, sintesi organica, cinetica, spettroscopia, catalisi e calcoli di teoria del funzionale della densità (DFT, Density Functional Theory) che si basano sul calcolo meccanico quantistico. «Nel complesso, i nostri obiettivi principali in SUSCAT erano scoprire e quindi sviluppare reazioni catalitiche innovative, sostenibili e rispettose dell’ambiente», esordisce David Milstein, ricercatore principale del progetto, professore e presidente della Cattedra di chimica organica Israel Matz presso l’Istituto scientifico Weizmann. «Tali reazioni sono utili per la metodologia di sintesi organica “verde” che non genera rifiuti e utilizza substrati sostenibili, nonché per lo sviluppo di sistemi di trasporto di idrogeno organico liquido (LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carrier)».

Una raffica di successi di catalizzatori

Il metodo di sviluppo di catalizzatori utilizzato da SUSCAT si basa su un approccio meccanicistico, impiegando metodi sia sperimentali che computazionali. Particolarmente significativo per il suo lavoro è stato l’uso di complessi a tenaglia come catalizzatori. In breve, i complessi a tenaglia sono una famiglia di composti che hanno avuto un impatto importante sul recente sviluppo catalitico di metodi sintetici organici, grazie alla loro stabilità e capacità di offrire modalità di reattività versatili. SUSCAT ha utilizzato questi complessi a tenaglia per aprire la strada a diverse reazioni catalitiche verdi e sostenibili utili per la sintesi organica, che possono sostituire adeguatamente i processi inquinanti attualmente utilizzati. «Ad esempio, una delle nostre reazioni senza precedenti sviluppate di recente è catalizzata da un nuovo complesso di manganese a tenaglia e conduce a una famiglia di composti (derivati acrilonitrilici) che sono preziosi intermedi nella sintesi organica di una varietà di prodotti, quali coloranti, erbicidi, fragranze, prodotti farmaceutici e prodotti naturali», afferma Milstein. «I metodi tradizionali per la generazione di questi prodotti creano rifiuti nocivi, quindi il nostro nuovo metodo è davvero più ecologico e migliore per l’ambiente». Un altro esempio dei successi di SUSCAT nelle reazioni catalitiche verdi include una sintesi diretta senza sprechi e in un’unica fase di ammidi (fondamentali per l’industria farmaceutica, ma la cui sintesi tradizionale genera abbondanti rifiuti) e, come felice conseguenza, la produzione di prezioso idrogeno gassoso. Un terzo esempio di una reazione compiuta da SUSCAT, molto significativo dal punto di vista ambientale, è la depolimerizzazione idrogenativa senza precedenti di nylon robusto e ampiamente utilizzato per formare amminoalcoli, catalizzata in modo efficiente da un complesso a tenaglia di rutenio. «I nylon sono ampiamente utilizzati e non sono biodegradabili, il che ha aumentato l’inquinamento sia della terra che degli oceani, rappresentando una grave minaccia per l’ecosistema», commenta Milstein. «Questo è il motivo per cui il nostro risultato è così significativo: gli amminoalcoli possono infatti essere ripolimerizzati in nylon di peso molecolare simile, fornendo così un ciclo chiuso verde e sostenibile per il riciclaggio dei rifiuti di nylon».

La connessione dell’idrogeno

SUSCAT è stata anche in prima linea nello sviluppo di un nuovo sistema LOHC per immagazzinare idrogeno in modo sicuro e sostenibile, che può essere utilizzato come vettore di energia verde. «L’idrogeno è considerato un vettore di energia appetibile grazie alla sua elevata capacità energetica gravimetrica e al fatto che genera esclusivamente acqua alla combustione», spiega Milstein. «Tuttavia, la sua capacità energetica volumetrica è molto bassa, richiedendo il suo stoccaggio (ad esempio nelle automobili) ad altissima pressione se allo stato gassoso o come liquido a una temperatura molto bassa (-253 °C), condizioni entrambe che costano considerevoli investimenti energetici e potrebbero essere potenzialmente pericolose. L’utilizzo di sistemi LOHC può evitare questi problemi». La soluzione SUSCAT si basa sul fatto che molte delle reazioni del progetto generano o consumano idrogeno gassoso e, come passo successivo naturale, è stato sviluppato un sistema LOHC per lo stoccaggio dell’idrogeno. «La capacità teorica di idrogeno di questo sistema è del 6,5 % in peso, superiore all’obiettivo del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti per lo stoccaggio di idrogeno a bordo per i veicoli leggeri, che è del 5,5 % in peso», continua Milstein. «Sebbene il nostro sistema LOHC richieda un ulteriore sviluppo, riteniamo che abbia il potenziale per essere un ottimo sistema LOHC, considerando che è un vettore di idrogeno sostenibile economico e abbondante, che utilizza un unico catalizzatore, che le sue condizioni operative sono miti ed è compatibile con le infrastrutture presenti presso le stazioni di servizio». Guardando al futuro, Milstein e il suo team hanno in programma di continuare il loro lavoro su nuove reazioni catalitiche per la sintesi verde e l’idrogeno, forse in collaborazione con partner industriali. «Quello di cui sono più orgoglioso per quanto riguarda SUSCAT è che speriamo di aver dato un contributo allo sviluppo di un mondo realmente più ecologico», conclude Milstein.

Parole chiave

SUSCAT, catalizzatori, sintesi organica, complesso a tenaglia, idrogeno, stoccaggio dell’idrogeno, LOHC, CER

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