Новый катализатор позволит получать ценные амины при комнатной температуре
Исследователи из Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН (Москва) совместно с коллегой из Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (Новосибирск) разработали катализатор с уникальной «обращённой» структурой, который позволяет получать первичные амины — вещества, необходимые для производства лекарств, полимеров и красителей, — при комнатной температуре и атмосферном давлении.
Ранее их синтез требовал жёстких условий — сильного нагрева, высоких давлений и токсичных растворителей. Более того, разработка оказалась в 30 раз эффективнее и в пять раз избирательнее аналогов, благодаря чему химикам удалось синтезировать целевые продукты без примесей — со стопроцентной чистотой. Исследователям также удалось найти подходы к тонкой «настройке» свойств предложенной каталитической системы. Новый катализатор упростит и удешевит технологию получения первичных аминов в фармацевтической и химической промышленности. Результаты исследования, поддержанногогрантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале ACS Catalysis.
При создании многих лекарств — от антибиотиков до антидепрессантов, — а также полимеров, красок и пестицидов используют первичные амины. Это производные аммиака, в которых один из атомов водорода замещен на углеводородный «хвостик». Чаще всего их синтезируют из нитрилов — азотсодержащих углеродных соединений, — добавляя к ним атомы водорода. Такую реакцию называют гидрированием. При этом, чтобы избежать побочных продуктов и получить только чистые искомые амины, химики используют катализаторы, которые ускоряют превращение и направляют его в нужное русло. Однако большинство существующих катализаторов для гидрирования работают в жестких условиях, при этом целевые амины получаются с невысокими выходами. Это усложняет производство и делает его дороже, поэтому ученые ищут альтернативы.
Авторы разработали катализатор на основе наночастиц палладия, нанесённых на оксид титана и модифицированных оксидом хрома, который позволяет получать первичные амины при комнатной температуре и атмосферном давлении. Они предложили уникальную для катализатора структуру. Обычно наночастицы активных металлов (в данном случае палладий) наносят на оксидную подложку (оксид титана), которая фиксирует на своей поверхности наночастицы и не дает им агломерировать, то есть слипаться. Однако химики разработали способ избирательной модификации наночастиц палладия другим оксидом переходного металла — оксидом хрома. Таким образом, получилась своеобразная «перевернутая» структура.
Микрофотографии катализатора, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения c элементным картированием. На микрофотографии видно, что наночастицы палладия, нанесённые на поверхность оксида титана, покрыты «шубой» оксида хрома
Нанесение оксида хрома на наночастицы палладия способствовало не только образованию новых активных центров, но и повлияло на способность катализатора связывать водород. Дело в том, что ключевая стадия реакции гидрирования заключается в активации водорода на поверхности катализатора с образованием промежуточных соединений. В случае наночастиц палладия такое взаимодействие приводит к образованию гидрида палладия, который и обуславливает активность катализатора.
Исследователи проанализировали взаимодействие водорода и палладия и обнаружили, что нанесение хрома на наночастицы палладия в катализаторе способствует более сильному связыванию водорода с палладием и образованию большего количества активного гидрида палладия по сравнению с немодифицированным образцом.
Эксперименты показали, что полученный катализатор, содержащий всего 0,18 % хрома относительно всех атомов, в 30 раз быстрее проводит реакцию гидрирования, чем образец без оксида хрома и коммерческий катализатор на основе палладия и углерода. Более того, новый состав оказался в пять раз избирательнее аналогов, благодаря чему позволил синтезировать нужные амины совсем без примесей.
«Разработанные нами катализаторы на сегодняшний день не имеют аналогов. Однако наша работа — это междисциплинарное исследование. Создание новых катализаторов невозможно без понимания механизма процессов как на стадии синтеза каталитической системы, так и при проведении реакции на полученном катализаторе. Детальный анализ структуры, физико-химических свойств катализаторов, разработка новых подходов к их изучению — это то, что двигает вперёд научные исследования. В дальнейшем мы планируем применить наши подходы к получению других катализаторов с обращённой структурой, а также оценить влияние природы модификатора — оксида переходного металла — на физико-химические свойства катализаторов и на то, как эти свойства будут влиять на их активность», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Елена Редина, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории разработки и исследования полифункциональных катализаторов ИОХ РАН.
Ранее специалисты предложили простой и доступный способ получения α-кумилового спирта — вещества, необходимого для производства косметики, прочных полимеров и моющих средств.
Источник: пресс-служба РНФ.
