Можно ли заглянуть внутрь химической реакции, не останавливая её ни на секунду? Учёные Южного федерального университета совместно с коллегами из МГУ и Международного томографического центра СО РАН показали, что это возможно. Новый подход к мониторингу химических процессов с помощью in-line ЯМР-спектроскопии открывает путь к более точному, безопасному и экологичному химическому производству.
Современная химическая промышленность всё чаще сталкивается с противоречием: с одной стороны, растёт потребность в сложных химических соединениях — от лекарств до полимеров, с другой — усиливаются требования к экологичности, энергоэффективности и контролю качества. В этих условиях особенно важно не просто запускать химические реакции, а понимать, как именно они протекают на молекулярном уровне.
Одной из таких ключевых реакций является гидроформилирование — фундаментальный процесс органического синтеза, широко применяемый в промышленности для превращения олефинов в альдегиды. Несмотря на десятилетия исследований, она остаётся сложной для контроля: промежуточные соединения существуют доли секунды, а традиционные методы анализа требуют остановки реакции и отбора проб, что не всегда отражает реальную картину происходящего.
Именно эту проблему решает исследование, результаты которого опубликованы в авторитетном международном журнале Analytical Chemistry. Коллектив учёных из трёх научных центров — Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ, химического факультета МГУ и Международного томографического центра СО РАН — предложил использовать in-line ядерный магнитный резонанс (ЯМР) для мониторинга гидроформилирования непосредственно внутри микрофлюидного реактора в режиме сегментированного потока. Каждый из коллективов внёс ключевой вклад. Так, специалисты ЮФУ разработали и реализовали микрофлюидную установку, обеспечили проведение экспериментов при высоком давлении и контролируемых условиях. Исследователи МТЦ СО РАН обеспечили проведение in-line ЯМР-экспериментов на высокопольном спектрометре, адаптировали методику регистрации в проточном режиме без остановки реакции. А коллектив Дмитрия Горбунова из МГУ синтезировал катализатор, подготовил реакционные смеси и обеспечил анализ продуктов методами газовой хроматографии и ex situ ЯМР.
Такой подход позволил в реальном времени отслеживать концентрации реагентов и продуктов, а также изучать кинетику реакции без необходимости использовать дорогие дейтерированные растворители — вместо них применялся обычный толуол. Это не только упрощает и удешевляет анализ, но и приближает лабораторные условия к промышленным.
«Возможность наблюдать за химической реакцией в реальном времени принципиально меняет подход к её изучению и оптимизации. In-line ЯМР позволяет не просто фиксировать результат, а понимать сам процесс — шаг за шагом. Это особенно важно для реакций, идущих под давлением, где традиционный отбор проб трудоёмок и может искажать картину», — отмечает д.физ.-мат.н., заведующий исследовательской лабораторией «Микрофлюидные технологии для ускоренного синтеза материалов» МИИ ИМ ЮФУ Александр Гуда.
Разработка in-line ЯМР-диагностики — это шаг к «умной химии», где решения принимаются на основе точных данных, а не предположений. Такие технологии не только повышают эффективность научных исследований, но и формируют будущее устойчивого химического производства.
Результаты исследования, поддержанные грантом Российского научного фонда (проект РНФ #25-12-00424 и 25-13-00053), опубликованы в научном журнале Analytical Chemistry.