bogdan marciniec
TRANSCRIPT
11
Misja chemii w zrównoważonym
rozwoju współczesnej cywilizacji
Bogdan Marciniec
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza
Akademia Inżynierska w Polsce, Warszawa, 13 stycznia 2010 roku
22
Gospodarka Oparta na WiedzyKnowledge (Science) Based Economy
odkrycia naukowe zrównoważony rozwój cywilizacyjny
„sustainable development” = zrównoważony rozwój „sposób trwałego osiągnięcia lepszej jakości życia przez wszystkich obywateli, który nie zagraża osiągnięciu tych celów przez przyszłe pokolenia i szanuje środowisko” (definicja ONZ)
Wyzwanie XXI w. dla środowiska naukowego określenie właściwej strategii w zakresie polityki badań i technologii obejmującej zintegrowane studia technologiczne, ekologiczne, ekonomiczne i społeczne
33
6 Program Ramowy UE 2003-2006 Priorytety tematyczne- biologia i medycyna (BIO),- technologie informacyjne (INFO),- nowe materiały i technologie materiałowe (TECHNO)
7 Program Ramowy UE 2007-2013
- Strategia Lizbońska (marzec 2003) 3% PKB UEna badania (2% z sektora prywatnego, 1% z sektora publicznego), Polska 0,6%
- ogłoszenie Europejskich Inicjatyw Technologicznych (Platform Technologicznych) - stworzenie ram dla dużych projektów technologicznych łączących przemysł i ośrodki naukowe na europejskim poziomie
44
INSTRUMENTY REALIZACJI CELÓW STRATEGII ROZWOJU NAUKI W POLSCE DO 2015 ROKU
6.4 PRIORYTETY TEMATYCZNE W ROZWOJU NAUKI I TECHNOLOGIIW POLSCE DO 2015 ROKU
• zdrowie,• środowisko i rolnictwo, • energia i infrastruktura, • nowoczesne technologie dla gospodarki• społeczeństwo w warunkach przyspieszonego i zrównoważonego rozwoju społeczno-gospodarczego
Obszary te przenikają się wzajemnie tworząc spójny Krajowy Program Badań Naukowych i Prac Rozwojowych. Motorem rozwoju w tych obszarach będą ze strony nauki przede wszystkim takie jej dziedziny, jak biotechnologie, technologie informacyjne oraz nanotechnologie.
Chemia wraz z technologią chemiczną to dziedzina, która stanowi podstawę większości priorytetowych obszarów
55
Kluczowa, ale jednocześnie służebna rola nauk chemicznych w globalnym rozwiązywaniu podstawowych problemów innych dziedzin nauki i postępu naukowo-technicznego, w warunkach zrównoważonego rozwoju (sustainable development) współczesnej cywilizacji, tzn. poprawy jakości życia przy ograniczonych zasobach surowcowych i konieczności ograniczeń aktywności przemysłowej zgodnie z wymaganiami szeroko pojętej ochrony środowiska.
B. Marciniec (red.) „Misja Chemii” Wydawnictwo Poznańskie, 2004
Misja chemii
„Chemistry contribution to humanity”, International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) – Project 2003
66
77
Europejska Platforma Technologiczna Zrównoważonej Chemii
Przemysł chemiczny jest trzecią największą gałęzią przemysłu w Europie, zatrudniającą 1.7 milionów ludzi bezpośrednio, a do 3 milionów ludzi pośrednio – na stanowiskach zależnych od przemysłu chemicznego. Przemysł chemiczny reprezentowany jest w Europie przez 25.000 przedsiębiorstw, z których 96% MŚP
Produkcja obejmuje 70 tysięcy różnych produktów dostarczanych do prawie wszystkich innych dziedzin produkcji przemysłowej.
Największa różnica miedzy USA a Europą polega na ilości prywatnych środków przeznaczanych na B+R.
www.suschem.org
88
Zapewnienie wyżywienia i zdrowia ludzkości, zaspokojenie energetycznych potrzeb ludzkości i racjonalne gospodarowanie światowymi zasobami surowców, dostarczanie coraz bardziej doskonałych materiałów i półfabrykatów dla innych obszarów techniki i codziennego życia, ograniczenie i eliminacja zanieczyszczeń środowiska
Najważniejsze tendencje i perspektywiczne kierunki rozwoju technologii chemicznej w świecie, Europie i w Polsce
Alternatywne surowce, alternatywne zaawansowane procesy, nowe produkty, produkcja chemiczna jako nośnik postępu
Wyzwania dla chemii, technologii chemicznej i przemysłu chemicznego wobec najważniejszych globalnych zagrożeń świata
99
Europejska Platforma Zrównoważonej Chemii – kierunki strategiczne do 2025 roku
• Technologie materiałowe (Materials Technology)• Nowe reakcje (syntezy) chemiczne i inżynieria chemiczna
(Reaction and Process Design)• Biotechnologia przemysłowa (Industrial (White) Biotechnology)
Wizja
- Europejski przemysł chemiczny i pokrewne gałęzie przemysłu
pozostaną konkurencyjne w oparciu o nowe technologie i
wprowadzone innowacje
- Lepsze wykorzystanie chemii i biotechnologii pozwoli na
zwiększenie wydajności produkcji i ochrony środowiska
- Przemysł chemiczny ma uzyskać reputacje wiarygodnego,
bezpiecznego i odpowiedzialnego partnera
1010
Główne kierunki światowych badań chemicznych
Poszukiwanie oryginalnych dróg selektywnych syntez (głównie
w oparciu o procesy katalityczne) i opracowanie technologii
molekularnych i makromolekularnych związków chemicznych
o specjalnych właściwościach (fine chemicals, biochemicals,
chemical specialties), które są podstawą materiałów bądź ich
prekursorów
W ścisłym związku: badania mechanizmów procesów wytwarzających takie produkty jak i ich struktury, reaktywności, specjalnych właściwości fizykochemicznch oraz metod oczyszczania i pełnej analizy
Zrównoważona chemia!!!
1111
Filozofia oryginalnych pomysłów w zakresie chemii wywodzących się ze współdziałania chemików syntetyków ze
specjalistami określającymi pożądane (spodziewane) właściwości produktów
oraz opracowanie technologii ich wytwarzania i dokonanie wyboru najlepszych i najbardziej konkurencyjnych produktów w zależności od ich możliwości komercjalizacji w warunkach polskiej gospodarki
SYNTEZACHEMICZNA
mało- i średnio- tonażowe technologie
fine chemicals, chemicalspecialties, materiały
WŁAŚCIWOŚCI PRODUKTÓW
(pożądane)
1212
Poszukiwanie nowych katalitycznych reakcji i nowych
katalizatorów znanych reakcji w chemii związków krzemu
a ostatnio również boru i germanu zmierzających do
opracowania wysoce wydajnych i selektywnych procesów
mających zastosowanie w syntezie organicznej i syntezie
(nano)materiałów
Cel badań zespołu
1313
1. Nagroda Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego za wybitne osiągnięcia w kategorii badania na rzecz rozwoju nauki „za pionierski wkład w rozwój chemii metalonieorganicznej i katalizy metaloorganicznej oraz zastosowanie badań katalitycznych w syntezie organicznej i syntezie nanomateriałów”
2. Nagroda Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w obszarze nauk technicznych „za odkrycie nowych reakcji i nowych katalizatorów procesów prowadzących do wytwarzania materiałów krzemoorganicznych o znaczeniu przemysłowym”
3. Perła Honorowa w dziedzinie nauki przyznana przez redakcję Polish Market „za wysokie osiągnięcia naukowe i skuteczną realizacje hasła: nauka dla gospodarki”
1414
Organometallic compounds is: Chemia metaloorganiczna
„…one in which there is a bonding interaction (ionic or covalent localized or delocalized) between one or more carbon atoms of a organic group or molecule and main group, (except H, C, N, O, F, Cl, Br, I, At), transition, lanthanide or actinide metal atom (or atoms).”
1515
Transition metal – main group element bond
Chemia metalonieorganiczna
B C N O
Si P S
As Se
Al
Ga
In
Ge
Sn Sb Te
Tl Pb
13 14 15 16
Sc
Y
La
Ti
Zr
Hf
V
Nb
Ta
Cr
Mo
W
Mn
Tc
Re
Fe
Ru
Os
Co
Rh
Ir
Ni
Pd
Pt
Cu
Ag
Au
Zn
Cd
Hg
d-block - p-block element bond
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
B C N O F
Si P S Cl
As Se Br
Te ISc
Y
La
Ti
Zr
Hf
V
Nb
Ta
Cr
Mo
W
Mn
Tc
Re
Fe
Ru
Os
Co
Rh
Ir
Ni
Pd
Pt
Cu
Ag
Au
Zn
Cd
Hg
Al
Ga
In
Ge
Sn Sb
nonmetal-metal bond
REVIEWS1. P. Fehlner et.al., Inorganometallic Chemistry, Plenum Press, N.Y. (1992)2. B. Marciniec, Silicometallics and catalysis, Appl. Organometal. Chem., 14, 527-58 (2000)3. B. Marciniec, P. Pawluć, C. Pietraszuk, Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS), ed. I. Bertini, Eolss Publ., Co. Ltd (on line)
1616
Najważniejsze osiągnięcie chemii metalooorganicznej, w XX w. – zastosowanie specyficznych związków metaloorganicznych w roli efektywnych (wydajnych i selektywnych) katalizatorów nowych procesów ((aktywacja wiązania węgiel-wodór i węgiel-węgiel)) o kluczowym znaczeniu zarówno w wielkotonażowej produkcji nowych materiałów, jak i będących podstawa przemysłu wysokich technologii (high-tech) organicznych.
• Polimeryzacja olefin (katalizatory Zieglera-Natty)
• Metateza olefin (karbenowe kompleksy metali przejściowych)• Hydroformylacja (kompleksy Co i Rh)• Uwodornianie alkenów (katalizator Wilkinsona)• Aktywacja C-H w alkanach• Sprzęganie C-C
TM – C TM – Horganometallics and catalysis
Chemia metaloorganiczna a kataliza
1717
Chemia (kataliza) metaloorganiczna a chemia (kataliza) metalonieorganiczna
1. P. Fehlner et.al., Inorganometallic Chemistry, Plenum Press, N.Y. (1992); 2. B. Marciniec, P. Pawluć, C. Pietraszuk, Inorganometallic Chemistry, in Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS), ed. I. Bertini, Eolss Publ., Co. Ltd 2007 (on line)
pierwiastek bloku p (E)
chemia metaloorganicznametali przejściowych
chemia metalonieorganiczna
chemia heteroorganiczna(chemia organiczna pierwiastków bloku p)
metal przejściowyTM
węgiel (C)
1818
• Addycja E-H do wiązań wielokrotnych (np. hydrosililowanie,
hydrogermylowanie, hydroborowanie)• Addycja E-E do wiązań wielokrotnych• Dehydrogenujace sprzęganie alkenów z E-H• Trans-metalacja – aktywacja (sp2) i (sp) C-H i wiązania winyl-E
TM – E TM – H inorganometallics and catalysis
Chemia metalonieorganiczna a kataliza
Zastosowanie związków metalonieorganicznych (inorganometallics) w roli katalizatorów i aktywnych związków pośrednich reakcji prowadzących do syntez i technologii związków (organicznych i nieorganicznych) pierwiastków bloku p (E = Si, Ge, Sn, B, P, itd.)
1919
2020
“Comprehensive Handbook on Hydrosilylation” provided the most
thorough coverage of all aspects of the subject at the time of its
publication and quickly became an obligatory volume for libraries and a
highly respected resident of any synthetic chemist’s bookshelf. One
reviewer of the subject’s assessment was that Marciniec’s Handbook “is
considered by many as the ‘‘Bible’’ on hydrosilylation ….
I have no doubt it will quickly acquire a reputation as the
„New Testament” companion to the earlier volume”.
John F. Harrod, McGill University, Montreal, QC, Canada, August, 2008
2121
C CHSi
O CHSi
NHNSi
N CHSi
C CHSi
NHOSi
CHNSi C=O
N=N
N=O
HSi
CC
NC
C=C
C=N
Hydrosililowanie
2222
PIW UNISIL Tarnów-Mościce
2323
2424
Si
OSi
O
Si
OSi
O
SiO
SiO
SiO
Si
O
O
O
O
O
R
RR
R
R
R
R
Si
OSi
O
Si
OSi
O
SiO
SiO
SiO
Si
O
O
O
O
O
R
RR
R
R
R
R
ROMP, [Mo]
x yn
NANONAPEŁNIACZE
2525
NANONAPEŁNIACZE
Si
OSi
O
Si
OSi
O
SiO
SiO
SiO
Si
O
O
O
O
O
H
HH
H
H
H
H
H
[Rh]
Si
OSi O
Si
OSi
O
SiO
Si O
SiO
Si
O
O
O
O
O
H H
H
Si
OSi O
Si
OSi
O
SiO
Si O
SiO
Si
O
O
O
O
O
H H
H
Si
OSi O
Si
OSi
O
SiO
Si O
SiO
Si
O
O
O
O
O
H H
H
Si
OSi O
Si
OSi
O
SiO
Si O
SiO
Si
O
O
O
O
O
H H
H
H
H
H
2626
Polidimetylosiloksany (silikony)
Właściwości: • odporność na niską (-50 ÷ -80°C) i wysoką temperaturę (+270°C, a nawet +500°C !)• niewielka zmiana lepkości w szerokim zakresie temperatur• doskonałe własności dielektryczne• niewielka zależność właściwości dielektrycznych od temperatury, wilgotności i częstotliwości prądu• niewielkie napięcie powierzchniowe• duża ściśliwość• odporność na starzenie pod wpływem czynników atmosferycznych• odporność na wiele czynników chemicznych i promieniowanie UV• obojętność fizjologiczna czystych polimerów
2727
Modyfikowane polisiloksany
Kierunki zastosowań:
• materiały biomedyczne• polimery ciekłokrystaliczne• materiały do optyki nieliniowej• powłoki do włókien i soczewek optycznych• fotoinicjatory• membrany• powłoki ochronne• środki antypienne
R.G.Jones, W. Ando, J. Chojnowski (eds), Silicon – Containing Polymers, Kluwer Academic, Dordrecht, 2000
M. A. Brook, Silicon in Organic, Organometallics and Polymer Chemistry, J. Wiley and Sons, New York, 2000
Z Si O
CH3
CH3
Si Z
CH3
CH3n
Z Si O
CH3
CH3
Si CH3
CH3
CH3n
H3C Si O
CH3
CH3
Si O
CH3
Z
Si
CH3
CH3
CH3
n
H3C Si O
CH3
CH3
Si O
CH3
CH3
Si
CH3
Z
O Si
CH3
CH3
CH3
n x
2828
Sililujące sprzęganie (trans-silylacja)
For recent reviews see: (a) B. Marciniec, C. Pietraszuk, Handbook of Metathesis, Grubbs R. ed, Wiley-VCH, Chapter 2.13, 2003, pp. 455-482; (b) B. Marciniec, C. Pietraszuk, Curr. Org. Chem., 2003, 7, 691; (c) B. Marciniec, In Applied Homogeneous Catalysis with Organometallic Compounds (2nd Compl. Revised and Enlarged Ed.), B. Cornils, W. Herrman, eds.), 2002, pp. 491-512; (d) B. Marciniec, Coord. Chem. Rev., 2005, 249, 2374
CH2
CH
SiR3'
+
CH
C
H
R
H[M]-H/[M]-Si CH2
CH2+
CH
CH
R
SiR3'
(E+Z)
+ C
CH2
SiR3'R
Metateza krzyżowa
CH2
CH
SiR3'
CH2
CH
R
[Ru]=C CH2
CH2
CH
CH
R
SiR3'
+ +
(E+Z)
Sililujące sprzęganie vs. metateza krzyżowa olefin z winylopodstawionymi związkami krzemu
2929
B. Arkles in „Progress in Organosilicon Chemistry”
Gordon & Breach, Langhorne, (1995)
3030 P. Pawluć, W. Prukała, B. Marciniec, Eur. J. Org. Chem. 2009 (on line)
Tandemowe (sekwencyjne) reakcje katalityczne jako nowe wydajne i selektywne drogi syntez wysoce -sprzężonych molekularnych i makromolekularnych związków organicznych
3131 M. Majchrzak, B. Marciniec, Y. Itami, Adv. Synth. Catal., 2005, 347, 1285
M. Majchrzak, M. Ludwiczak, M. Bayda, B. Marciniak, B. Marciniec, J. Polym. Sci. Pol. Chem. 2008, 46, 127
S S S
NR R = -(CH2)5CH3, i-C3H7, -C6H5
;
; ;
;
; ; ;Ar =
Si
Me
Me
[Ar] Si
Me
Me
Si
Me
Me
[Ar] Si
Me
Men
Ru = RuCl(CO)(PPh3)3; RuCl(CO)(PCy3)2;
[Ru-H] 0.5-1 mol%
trans > 99%
- H2C=CH2
Polikondensacja dwuwinylopodstawionych związków aromatycznych krzemu
3232
Funkcjonalizacja oktawinylosilseskwioksanu
Si
O
Si O Si
O
O
Si
Si
O
Si O Si
O
O
Si
O
O O
O
Si
O
Si O Si
O
O
Si
Si
O
Si O Si
O
O
Si
O
O O
O
X
X
X
X
X
X
X
X
+ X
X = H, Cl, Br, Me, OMe, CF3
Si
O
Si O Si
O
O
SiSi
O
Si O Si
O
O
Si
O
O O
O
+
Si
O
Si O Si
O
O
SiSi
O
Si O Si
O
O
Si
O
O O
O
+
S
S
S
S
S
S
S
S
S
+
Si
O
Si O Si
O
O
Si
Si
O
Si O Si
O
O
Si
O
O O
O
+
Si
O
Si O Si
O
O
SiSi
O
Si O Si
O
O
Si
O
O O
O
Yield = 87% CM 85% SC
Yield = 87-94% CM 88-92% SC
Yield = 89% CM 90% SC
Yield = 91% CM 92% SC
Yield = 86% CM 83% SC
3333
* Winylopodstawione związki krzemu, germanu i boru reagują stereo- i regioselektywnie z terminalnymi alkenami w obecności kompleksów metali (Ru, Rh, Ir, Co) zawierających lub generujących wiązanie M-H lub M-E wg poniższego równania:
Winylopodstawione związki krzemu i germanu reagują selektywnie w analogicznych warunkach z terminalnymi alkinami
R'nE [M]+ R RR'nEH H/[M] E-
R'nE
R
H
H
H
[M]-H/[M]-E
R'nER
R'nE
R
+
[E] = Si, Ge, B
-
3434
R'3SiO H
SiR3
+-
R'3Si-O-SiR3
[Ru(Cl)(CO)(PPh3)2]GeR3
BO
O
BO
OO
SiR3
R'3Si-O-GR3
Aktywacja wiązania Si-O-H
3535
O-borylowanie alkoholi winyloboranami aktywacja wiązania CO-H
O-borylowanie kwasów boronowych winyloboranami aktywacja wiązania B-O-H
O
BO H O
R+
[Ru-H]
-O
BO O
R
O
BO
B
O
OO
(HO)2B R
O
BO
O
BO O
O
BO
OB
OB
R O
O
-
-
[RuHCl(CO)(PPh3)3]
H
B. Marciniec, J. Walkowiak, Synlett, 2009, 2433
3636
+ E' H RnE +ER'n[TM]
E'
B. Marciniec, Acc. Chem. Res., 2007, 40, 943-952
Reakcja sprzęgania winylometaloidów ze związkami zawierającymi wiązanie węgiel-wodór i heteroatom-wodór
E = Si, B, Ge
E' H = Csp2 H Csp H , C OH , Si OH, B OH,
3737
O ile chemia metaloorganiczna, głównie poprzez reakcje katalityczne
odkryte i rozwijane od połowy XX w., spowodowała niebywały rozwój
chemii i technologii związków organicznych to (w odpowiedniej
proporcji), chemia metalonieorganiczna będzie podstawą syntez
nowych materiałów w XXI w., składających się (oprócz węgla) z
pierwiastków bloku p (a także częściowo bloku d i f).
Materiały oparte na krzemie są jedynie znakomitym przykładem tej
tendencji, która pozwoli potraktować węgiel przede wszystkim jako
pierwiastek życia.
Konkluzja ogólna
3838
Główne cele projektu
• utworzenie w Poznaniu multidyscyplinarnego ośrodka naukowego grupującego najlepszych specjalistów z nauk ścisłych, przyrodniczych i technicznych skoncentrowanego na opracowaniu syntez i zaawansowanych technologii nowych materiałów, biomateriałów i nanomateriałów o wielostronnych zastosowaniach
• integracja całego środowiska poznańskiego pozwoli na stworzenie nowego ośrodka badawczo-technologicznego o wysokiej randze międzynarodowej wywierającego równocześnie istotny wpływ na otoczenie gospodarki Wielkopolski.
Wielkopolskie Centrum Zaawansowanych Technologii w Poznaniu
Materiały i Biomateriały
3939
Koncepcja merytoryczna – kierunki badawcze (1)
Opracowanie oryginalnych selektywnych dróg syntez chemikaliów
i biochemikaliów (agrochemikaliów) - tzw. fine chemicals, w tym metod
syntezy monomerów i dodatków do materiałów polimerowych,
modyfikacji polimerów pochodzenia naturalnego i syntetycznego,
a także nowej generacji bio- i nanomateriałów lub ich prekursorów
i następnie opracowanie zaawansowanych technologii i biotechnologii
ich wytwarzania z przeznaczeniem dla optoelektroniki, ceramiki,
medycyny, rolnictwa, farmacji, chemii gospodarczej i innych dziedzin
przemysłu i techniki.
4040
Działalność Konsorcjum koncentruje się na:
syntezie i opracowaniu technologii, a w konsekwencji małotonażowej produkcji wysokoprzetworzonych związków organicznych, heteroorganicznych oraz metaloorganicznych i nieorganicznych o specjalnych zastosowaniach w roli:
fine chemicalsbiochemikalia
agrochemikalia
4141
Koncepcja merytoryczna – kierunki badawcze (2)
Stworzenie podstaw technologicznych dla szeregu zastosowań chemii
bioorganicznej, biologii molekularnej i biotechnologii w szeroko
pojętej ochronie zdrowia,, tj. molekularnej i komórkowej terapii oraz
diagnostyce medycznej (wykrywanie genetycznych predyspozycji do
zachorowań na raka i inne choroby, w tym opracowanie i wdrożenie
sekwencjonowanych genomów ludzkich i innych organizmów oraz
nowych testów molekularnych w celach diagnostycznych),
zastosowaniach agrotechnicznych i przemysłu spożywczego (testy
DNA w uprawie roślin i hodowli zwierząt, dodatki funkcjonalne do
żywności i pasz zwierzęcych, mikrokapsuły polimerowe,
biodegradowalne opakowania).
4242
Konsorcjum WCZT
Umowa Konsorcjum WCZT – 22 grudnia 2006 r. (rozszerzona aneksem w lutym 2008 r.)
5 Uczelni: UAM, Politechnika Poznańska, Uniwersytet Przyrodniczy, Uniwersytet Medyczny, Akademia Ekonomiczna
4 Instytuty PAN: Chemii Bioorganicznej , Genetyki Roślin, Genetyki Człowieka, Fizyki Molekularnej
Instytut resortowy: Włókien Naturalnych i Przetworów Zielarskich
PPN–T Fundacji Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza
Władze Miasta Poznania
4343
4444
Kampus BerdychowoTechnologie Informacyjne
Kampus MoraskoMateriały i Biomateriały
Centrum Innowacji
i Transferu Technologii
1999
InkubatorTechnologii
Chemicznych 2001
Buisness Inqubator
2007
Zespół Inkubatorów
Wysokich Technologii2009-2013
Poznański Park Naukowo-Technologiczny
4444NICKEL
Technology Park
Poznański Park Technologiczno-
Przemysłowy
Park Przemysłowo-
Technologiczny LUBOŃ