Более чистая, более экономичная и эффективная: усовершенствованная система катализаторов обеспечивает низкотемпературное окисление

Что, если бы производители химических веществ могли сократить свои энергетические затраты, одновременно исключив из своих процессов токсичные тяжёлые металлы?

Исследователи из Университета Нагоя разработали систему катализаторов, которая делает именно это: преобразует спирты в ценные химические продукты при более низкой температуре, используя более безопасные соединения йода вместо опасных тяжёлых металлов, дорогостоящих благородных металлов и реагентов.

В 2009 году команда под руководством профессора Казуаки Исихары из Высшей инженерной школы успешно заменила токсичные тяжёлые металлы и дорогостоящие благородные металлы, используемые в традиционных реакциях окисления, на более безопасные и распространённые соединения йода.

Их новая йодно-оксиновая система катализаторов позволила им устойчиво преобразовывать спирты в альдегиды или карбоновые кислоты и кетоны — соединения, используемые для производства различных потребительских товаров. Однако оставалась одна проблема: для эффективной работы процесса требовалась температура 70 °C.

Теперь команда снизила температуру реакции окисления с 70 °C до 30 °C, используя катализатор в его предварительно активированной форме и добавив вспомогательное химическое вещество для улучшения перемешивания. Это позволило им исключить медленные этапы запуска, требующие сильного нагрева. Исследование было опубликовано в журнале Green Chemistry.

В сочетании с более ранней заменой токсичных металлов, таких как хром и марганец, катализаторами на основе йода, их метод обеспечивает более чистые химические реакции при более низких температурах, значительно сокращая затраты и потребление энергии.

Окисление спиртов до альдегидов и кетонов имеет фундаментальное значение для химического производства

Окисление спиртов до альдегидов и кетонов является основой химического производства. Эти молекулы являются важными ингредиентами для бесчисленного количества потребительских товаров, включая лекарства, ароматизаторы и пластмассы. Любые улучшения эффективности или воздействия на окружающую среду оказывают значительное влияние на различные отрасли промышленности.

Чтобы выяснить, почему процесс окисления занимал много времени и требовал высоких температур, исследователи использовали метод, называемый ядерным магнитно-резонансным спектроскопией, чтобы наблюдать за происходящим во время реакции.

Они предположили, что основной реакцией, преобразующей спирт в альдегид, была медленная часть процесса. Однако они обнаружили, что их катализатор, 2-идоксибензенсульфоновая кислота (IBS), не активировался должным образом в начале реакции.

Перед началом работы IBS должна была быть преобразована из своей неактивной формы (pre-IBS) в активную форму IBS(III). Этот процесс преобразования происходил очень медленно при низких температурах.

Кроме того, оксин, окислитель, который способствует преобразованию спирта в альдегиды и кетоны, представляет собой порошок, который плохо растворяется в органических растворителях. Поэтому он не мог эффективно активировать катализатор. Это означало, что pre-IBS требовалось много времени, чтобы стать активным при 30 °C, что вынуждало исследователей использовать сильный нагрев (70 °C) для ускорения процесса активации.

«Основным ограничением в зелёной химии является то, что высокие температуры часто препятствуют синтезу чувствительных к нагреву соединений, используемых в специальных химических веществах и лекарствах», — сказал профессор Исихара.

«Чтобы преодолеть эти препятствия, мы использовали предварительно активированный катализатор, подготовив IBS в его готовой к работе форме заранее. Мы также добавили вспомогательное химическое вещество, тетрабутиламмоний гидросульфат, который действует как мыло, позволяя оксину растворяться и правильно перемешиваться».

Улучшенная система имеет несколько преимуществ: она может выполнять несколько химических реакций в одном контейнере, называемом «одностадийным синтезом», где продукт первой реакции немедленно становится исходным материалом для следующей реакции. Это исключает дорогостоящие и трудоёмкие этапы очистки между реакциями. Более того, низкотемпературные условия позволяют окислять многие чувствительные к нагреву спирты, которые трудно обработать.

Япония, второй по величине производитель йода в мире, может особенно выиграть от новой системы катализаторов на основе йодно-оксина, которая может сделать её химическую промышленность более эффективной и устойчивой.

Будущие исследования будут сосредоточены на замене оставшихся химических веществ более экологически чистыми вариантами и поиске способов рециркуляции катализатора, чтобы его можно было использовать повторно, делая процесс ещё более чистым и экономически эффективным.

Предоставлено: [Университет Нагоя](http://en.nagoya-u.ac.jp/)

Источник