Марганцевый катализатор поможет удешевить производство силиконов

Российские химики выяснили, что катализатор на основе марганца поможет синтезировать силиконы можно при комнатной температуре и солнечном свете. Раньше использование такого катализатора требовало нагревания до 120°С или действия ультрафиолета, поэтому его не применяли в промышленных масштабах. Но если добавить к марганцевому катализатору фторсодержащий спирт, синтез пойдет с эффективностью более 95% и при обычных условиях. Этот подход станет дешевой и простой альтернативой дорогостоящим платиновым катализаторам, которые обычно применяются для производства силиконов.

Силиконы широко используются в медицине, фармацевтике, автомобиле-, корабле- и авиастроении. Они входят в состав многих средств личной гигиены, медицинских имплантов, смазочных материалов, герметиков, лаков и красок. Получают силиконы только искусственно, например, химически присоединив кремнийсодержащие молекулы к продуктам переработки нефти и природного газа — алкенам. Для такой реакции нужны катализаторы на основе платины. Они очень дорогие, поэтому исследователи ищут альтернативные соединения для синтеза силиконов.

Ученые Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН с коллегами предложили использовать катализатор на основе более дешевого и доступного металла — марганца. Это соединение, помимо марганца, содержит атомы углерода и кислорода. С его помощью можно проводить реакцию, необходимую для получения силиконов, но она требует освещения ультрафиолетом или нагревания до 120°С.

Химики попробовали сделать так, чтобы реакция протекала при комнатной температуре и при обычном солнечном свете. Для этого они дополнительно вносили в смесь исходных веществ и катализатора разные 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.

Эксперименты показали, что производное спирта с шестью атомами фтора помогло катализатору работать при действии солнечного света и комнатной температуре. При этом эффективность превращения достигла 95%. 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», — рассказала Ирина Гончарова, младший научный сотрудник группы «Катализ в кремнийорганической химии» Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН.

Ученые 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.

«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», — отметил один из авторов работы Андрей Терещенко, инженер Международной исследовательской лаборатории нанодиагностики Южного федерального университета.

В исследовании также принимали участие сотрудники Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН, Южного федерального университета и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда, опубликованы в журнале Journal of Catalysis.