Ученые синтезировали катализатор на основе наночастиц платины, оксидов церия и циркония, который позволяет превращать ненасыщенные альдегиды в ненасыщенные спирты. Такая реакция нужна при создании духов, отдушек и лекарств. При использовании нового катализатора избирательность и эффективность процесса достигли 100%. Это значит, что при синтезе протекала только необходимая ученым реакция, после которой не оставалось побочных продуктов. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда, опубликованы в Journal of Catalysis.
При производстве косметики и парфюмерии в качестве компонентов ароматической смеси используют ненасыщенные спирты, то есть спирты, в которых, помимо спиртовой группы, также присутствует двойная связь между атомами углерода. Такие спирты обычно получают из выделяемых из растений ненасыщенных альдегидов. Наиболее доступный, дешевый и экологически безопасный способ превратить альдегиды в спирты — использовать водород на твердом катализаторе. В этом случае водород должен присоединяться в определенном месте молекулы (к карбонильной группе), тем самым восстанавливая ее. Твердый катализатор ускоряет этот процесс и после реакции легко удаляется из жидкой реакционной смеси. Однако существующие коммерческие катализаторы не позволяют избирательно проводить восстановление именно карбонильной группы и не затрагивать двойную связь ненасыщенного альдегида. Кроме того, для протекания процесса зачастую требуются достаточно жесткие условия, такие как нагрев выше 60 °C и давление, в десять раз превышающее атмосферное. Поэтому исследователи пытаются разработать катализаторы, которые смогут «заставить» водород присоединяться только к нужному участку ненасыщенных альдегидов.
Рисунок 1. Проведение реакции гидрирования ненасыщенных альдегидов на катализаторе. Источник: Елена Редина
Рисунок 2. Синтез катализатора. Источник: Елена Редина
Ученые из Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН (Москва) синтезировали катализаторы на основе наночастиц платины и оксидов церия, а также циркония. Эти элементы авторы выбрали потому, что в более ранних исследованиях выяснили: их комбинации позволяют добиться восстановления альдегидов уже при комнатной температуре и атмосферном давлении. Платину наносили в виде наночастиц почти субнанометрового размера (в десятки раз меньше самых мелких вирусов) на подложку, представляющую собой смешанные оксиды церия и циркония. При этом платина распределялась по носителю в виде отдельных атомов или собиралась в небольшие кластеры.
Рисунок 3. Старший научный сотрудник лаборатории разработки и исследования полифункциональных катализаторов (№ 14) ИОХ РАН, кандидат химических наук Редина Елена Андреевна. Источник: Елена Редина
Рисунок 4. Старший научный сотрудник лаборатории исследования гомолитических реакций (№ 13) ИОХ РАН, кандидат химических наук Крылов Игорь Борисович проводит исследование катализаторов методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Источник: Елена Редина
Рисунок 5. Старший научный сотрудник лаборатории химии диазосоединений (№ 6) ИОХ РАН, кандидат химических наук Новиков Роман Александрович проводит исследование водорода, адсорбированного на катализаторах, с помощью твердотельного ЯМР-спектрометра. Источник: Елена Редина
Затем химики проверили, насколько эффективно реакция шла по нужному пути при участии катализаторов. Эксперименты показали, что разработанный катализатор позволяет получить в 7–12 раз больше коричного спирта из коричного альдегида, нежели при участии коммерческих катализаторов на основе платины или палладия, нанесенных на углерод или оксид кремния. Авторы обнаружили, что в случае новых материалов на платине появлялись активные частицы водорода уже при отрицательных температурах, которые переносились на оксид церия в составе носителя. В результате на поверхности катализатора формировалось большое количество участков — активных центров, связывающих именно тот фрагмент альдегидов, к которому нужно было присоединить водород.
Рисунок 6. Катализатор до и после напуска водорода и изменение протонного спектра твердотельного ядерного магнитного резонанса. Источник: Елена Редина
Также авторы показали, что катализаторы на основе платины, оксидов церия и циркония эффективно «направляли» реакции, протекающие с участием других ненасыщенных альдегидов, тоже использующихся в парфюмерии и фармацевтике. Эффективность превращения достигала 95–99%, а избирательность — 55–100% при комнатной температуре и атмосферном давлении. Кроме того, новые катализаторы оказались многоразовыми: их можно было использовать больше четырех раз. Это уменьшит их расход, удешевит конечный продукт и снизит количество отходов.
«В дальнейшем мы бы хотели расширить эти исследования, изучив и другие катализаторы с подложками различного состава, что позволит прогнозировать каталитические свойства систем и создавать катализаторы “направленного” действия. В наших проектах мы стараемся совмещать и фундаментальную науку, и практическое применение катализаторов в органическом синтезе», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Елена Редина, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института органической химии РАН.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
