Химики разработали катализаторы, которые упростят и удешевят производство силиконов — материалов, широко используемых в медицине, быту и промышленности. Новые «ускорители реакции» на основе солей платины и воды позволяют получить чистые продукты, не загрязненные частицами металла, при комнатной температуре. Более того, предложенные катализаторы можно применять многократно: даже спустя 15 циклов работы они не теряют эффективности. Их использование сократит затраты на производство и уменьшит вред окружающей среде, который наносят применяемые в промышленности сейчас «одноразовые» аналоги. Результаты исследования, поддержанногогрантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition.
Силиконы — соединения, содержащие атомы кремния, кислорода, углерода и водорода, — благодаря эластичности, устойчивости к нагреву и безопасности для человека широко используются при производстве медицинских изделий, кухонных принадлежностей, герметиков, смазок, а также высокотехнологичных покрытий для самолетов. Ключевой этап при получении силиконов — реакция гидросилилирования. Это процесс, при котором органический фрагмент молекулы с двойной или тройной связью между атомами углерода взаимодействует с фрагментом, содержащим кремний. Для этого используют дорогие и несовершенные катализаторы на основе платины: они одноразовые и обычно оставляют в готовом продукте частицы металла, ухудшая качество материалов и ограничивая их область применения. Кроме того, это приводит к истощению невосполнимых природных запасов платины и загрязнению окружающей среды ею. Поэтому ученые ищут им более экологичную и экономически выгодную замену.
Исследователи из Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН (Москва), Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН (Москва) и Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН (Москва) получили новый катализатор, просто растворив коммерчески доступную соль платины в воде при комнатной температуре. Затем к этому раствору добавили соединения-предшественники силиконов: молекулы с кремнием и без него. Поскольку эти вещества из-за своей природы не смешиваются с водой, они, подобно растительному маслу, сформировали пленку над водным раствором катализатора.
Синтез силиконов происходил ровно на границе между слоями — там, где реагенты из органической фазы встречались с платиновым катализатором из водной. В результате спустя всего несколько часов в верхнем слое все исходные молекулы превращались в искомые силиконы. Авторы подчеркивают, что процесс не требовал сложного оборудования и дополнительных растворителей. Более того, поскольку слои с реагентами и катализатором не смешивались, их было легко отделить друг от друга, а потому продукты превращения не нужно было очищать от платины, как это приходится делать при использовании других технологий.
«Предложенные каталитические системы очень быстро и просто получать, при этом они работают при комнатной температуре. При их взаимодействии с реагентами образуются каталитически активные платиновые комплексы. Вода и другие компоненты реакции связываются с такими комплексами, “регулируя” их стабильность, активность и структуру (одноатомную или кластерную)», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ирина Гончарова, кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории функциональных элементоорганических соединений №133 ИНЭОС РАН, младший научный сотрудник группы № 6 «Катализ в кремнийорганической химии» ИНХС РАН.
Авторы протестировали предложенный катализатор на сотне реакций с разными исходными веществами. Оказалось, что реагенты различной молекулярной сложности и строения эффективно реагируют и образуют соответствующие продукты с высокой эффективностью.
Однако некоторые соединения все же хуже поддавались превращениям. Чтобы решить эту проблему, исследователи добавили в раствор к катализатору еще одну дешевую соль — бромид калия. Это вещество помогло платине сформировать более стабильные и активные частицы, благодаря чему даже самые проблемные реагенты удалось эффективно использовать в реакции. Таким образом, предложенный подход оказался универсален: он позволяет получать силиконы с разной структурой и свойствами, а потому будет актуален для широкого круга промышленных задач.
«Предложенную технологию можно легко масштабировать в периодическом и проточном (непрерывном) режимах. Сконструированный нами проточный реактор прост в сборке и эффективен в эксплуатации. Он позволяет не только решить проблемы тепло- и массопереноса и поддерживать строго постоянные условия реакции, но и автоматически разделять продукты и каталитическую систему, а также обеспечить непрерывный синтез искомых соединений. Сейчас мы продолжаем наши исследования как по разработке новых каталитических систем, расширяющих применимость метода, так и по усовершенствованию технологии проведения таких процессов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ашот Арзуманян, кандидат химических наук, заведующий лабораторией функциональных элементоорганических соединений № 133 ИНЭОС РАН, ведущий научный сотрудник группы № 6 «Катализ в кремнийорганической химии» ИНХС РАН.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
