Ученые Санкт-Петербургского университета выяснили, что для использования промышленных органических катализаторов нового поколения, отличающихся эффективностью и экологичностью, важнейшим фактором является среда, в которой они работают. Так, оказалось, что многие широко используемые в химии растворители заметно снижают активность органокатализаторов, поэтому выбор правильного растворителя играет ключевую роль.
Результат исследования опубликован в международном научном журнале Catalysis Science & Technology. Подавляющее большинство катализаторов, используемых в современной промышленности, например, при нефтепереработке и создании синтетических материалов, содержат токсичные тяжелые металлы. Это негативно сказывается на экологии, поскольку расходуется много энергии на очистку и переработку таких систем, а также на устранение вредных выбросов в окружающую среду.
Органокатализаторы — то есть катализаторы, представляющие собой органические молекулы, не содержащие каких-либо металлов — можно назвать современной экологичной альтернативой обычным металлсодержащим катализаторам. Они не загрязняют окружающую среду ни на этапе получения, ни во время использования, ни при утилизации. Однако на сегодняшний день большинство органокатализаторов сильно уступают в активности традиционным и не могут выполнять свою главную задачу — эффективно ускорять химическую реакцию.
Научная группа Санкт-Петербургского государственного университета сегодня единственная в России, целенаправленно работающая в области создания органических катализаторов нового поколения.
«Мы занимаемся разработкой таких органокатализаторов, которые реально могут конкурировать в каталитической активности с металлсодержащими и при этом быть гораздо безопаснее для экологии. В своей работе мы показали, что растворитель зачастую играет ключевую роль в процессе связывания катализатора с нужным субстратом реакции. Так, мы выяснили, что некоторые часто используемые в химии растворители полностью препятствуют такому связыванию», — пояснил профессор кафедры физической органической химии СПбГУ Дмитрий Болотин.
Сейчас химики СПбГУ активно изучают механизмы работы новых органокатализаторов, так как это важный фундаментальный этап, без которого невозможно внедрять инновационные каталитические системы в промышленные процессы.
Проблема выбора правильной среды для получения катализаторов встала перед учеными в ходе проведенной ранее работы, когда им удалось установить, какие именно катализаторы потенциально могут проявлять наибольшую активность. Во время этой работы заметили, что иногда катализаторы не проявляли вообще никакой активности. По словам химика СПбГУ Дмитрия Болотина, это привело к необходимости изучения не только структуры катализаторов, но и среды, в которой они работают.
Одним из таких растворителей оказался диметилсульфоксид — безопасный, недорогой и распространенный в промышленности растворитель. Выяснилось, что он может полностью подавлять активность некоторых катализаторов. При этом в менее распространенном ацетонитриле катализаторы проявляли заметную каталитическую активность при использовании в той же самой реакции.
В дальнейшем научная группа химиков Санкт-Петербургского университета собирается продолжить работать по двум взаимодополняющим направлениям: изучать фундаментальные основы работы новых катализаторов и разрабатывать новые экологичные органические субстраты, проявляющие высокую каталитическую активность. «Это почти как изучать динамику новой машины в вакууме. Для адекватной оценки ее разгона нам потребовалось учитывать сопротивление воздуха при ее движении», — дополнительно пояснил Дмитрий Болотин суть их последней работы.