Ученые выяснили, что синтезировать силиконы можно при комнатной температуре и солнечном свете с помощью катализатора на основе марганца. Ранее использование такого катализатора требовало нагревания до 120°С или действия ультрафиолета, а потому он не применялся в промышленных масштабах. Однако оказалось, что, если добавить к марганцевому катализатору фторсодержащий спирт, синтез пойдет с эффективностью более 95% и при обычных условиях. Предложенный подход станет дешевой и простой альтернативой дорогостоящим платиновым катализаторам, которые обычно применяются для производства силиконов. Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда, опубликованы в журнале Journal of Catalysis.
Силиконы – продукты крупно- и малотоннажной химии – широко используются в медицине, фармацевтике, автомобиле-, корабле- и авиастроении, поскольку входят в состав многих средств личной гигиены, медицинских имплантов, смазочных материалов, герметиков, лаков и красок. Получить силиконы можно только искусственно, например, химически присоединив кремнийсодержащие молекулы к продуктам переработки нефти и природного газа — алкенам. Провести такую реакцию помогают катализаторы на основе платины. И, хотя такие катализаторы высокоэффективны, они очень дорогие, поскольку платина — один из самых редких и труднодобываемых элементов земной коры. Поэтому ученые ищут альтернативные соединения для синтеза силиконов.
Химики из Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН (Москва) с коллегами предложили использовать катализатор на основе более дешевого и доступного металла — марганца. Это соединение, помимо марганца, содержит атомы углерода и кислорода. Более ранние исследования показали, что с его помощью можно проводить реакцию, необходимую для получения силиконов, однако она требует освещения ультрафиолетом или нагревания до 120°С.
Авторы решили проверить, можно ли сделать так, чтобы реакция протекала при комнатной температуре и при обычном солнечном свете. Для этого исследователи дополнительно вносили в смесь исходных веществ и катализатора различные органические добавки, в том числе фторсодержащие, которые помогают стабилизировать промежуточные продукты химических превращений. Раствор оставляли под лампой белого света на период от 1 до 24 часов.
Оказалось, что производное спирта с шестью атомами фтора помогло катализатору работать при действии солнечного света и комнатной температуре. При этом эффективность превращения достигла 95%, а это значит, что почти все взятые в реакцию вещества превратились в искомые продукты — силиконы.
«Катализатор на основе марганца ранее уже использовался в подобных реакциях, но его приходилось активировать или при высокой температуре, или под действием ультрафиолета. Мы добавили в реакционную смесь фторированный спирт, что обеспечило высокую эффективность превращения при комнатной температуре и под действием обычного белого света», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Ирина Гончарова, кандидат химических наук, младший научный сотрудник группы «Катализ в кремнийорганической химии» Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН.
Кроме того, авторы сконструировали микрофлюидный реактор — прототип установки для синтеза силиконов в промышленных масштабах. Это устройство имеет вид длинной и тонкой прозрачной трубки, в которую с помощью насосов непрерывно подаются необходимые для синтеза вещества и катализатор. Исследователи экспериментально определили длину трубки, необходимую для того, чтобы реакция прошла полностью и в образовавшейся смеси содержался только целевой продукт.
«Микрофлюидные установки просты в конструировании и использовании. Еще одно их преимущество в том, что можно следить за реакцией в трубке "на лету". Пока мы предложили первый прототип проточного реактора, который будем совершенствовать, чтобы масштабировать получение силиконов», —поясняет один из авторов работы Андрей Терещенко, кандидат физико-математических наук, инженер Международной исследовательской лаборатории нанодиагностики Южного федерального университета.
В исследовании также принимали участие сотрудники Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН (Москва), Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва).