Соединения на основе фтора используются повсеместно: от жизненно важных фармацевтических препаратов и средств защиты растений до высокотехнологичных материалов, таких как тефлон, и хладагентов. Их уникальные химические свойства делают их незаменимыми в различных отраслях. Однако синтез этих соединений долгое время был сложной задачей из-за использования опасных и токсичных фторирующих реагентов.
Фтороводород (HF) — один из таких реагентов, который эффективен и недорог, но его высокая токсичность и коррозионная активность делают его чрезвычайно сложным в обращении.
В недавнем прорыве исследователи под руководством профессора Тошики Тадзимы из Технологического института Шибаура (Япония) разработали новаторский метод безопасного и эффективного получения HF из простых и стабильных материалов.
Катионный обмен — это химический процесс, при котором положительно заряженные ионы обмениваются между твёрдым пористым материалом (обычно смолой) и раствором соли. В текущем исследовании учёные использовали Amberlyst 15DRY, коммерчески доступную твёрдую кислотную смолу, в качестве катионообменной смолы и фторид калия (KF), который является стабильной и недорогой солью.
Объединив эти вещества в ацетонитриле, они инициировали реакцию катионного обмена, которая привела к количественному производству HF без каких-либо внешних опасностей.
Профессор Тадзима объясняет: «За один шаг реакции катионного обмена мы получили только 69% HF из KF. Но, удаляя HF после каждого цикла и повторяя реакцию семь раз, мы достигли почти полного производства HF из преобразования KF».
После завершения реакции HF отделяли от смолы, а в раствор HF в соотношении 1:3 добавляли органические амины. HF немедленно захватывался этими органическими аминами с образованием стабильных комплексов амин-3HF. Комплексы затем выделяли путём выпаривания растворителя под пониженным давлением.
Комплексы амин-3HF обычно действуют как нуклеофильные фторирующие агенты, то есть эти комплексы отдают ионы фтора (F⁻) другим молекулам, заменяя при этом другую отрицательно заряженную уходящую группу (нуклеофил) из этих молекул.
Эти реакции фторирования особенно ценны для различных применений в промышленности.
«Из HF можно получить различные комплексы», — отмечает профессор Тадзима. «Эти комплексы действуют как фторирующие агенты и могут обеспечить синтез новых фармацевтических препаратов, функциональных материалов и даже молекулярных зондов».
Особенностью этого исследования является то, что оно исключает использование сжатого газа HF и коррозионных жидких реагентов, делая процесс более безопасным и соответствующим принципам зелёной химии.
Кроме того, метод работает в обычных условиях с использованием распространённых лабораторных реагентов без применения какого-либо специального оборудования, что делает его пригодным как для лабораторных, так и для промышленных масштабов.
Более того, смолу, использованную для реакции катионного обмена, эффективно использовали более 10 раз, что свидетельствует об эффективности и устойчивости подхода.
Исследование знаменует собой важную веху в химии фторирования, открывая новые возможности для применения в различных отраслях. Новые фторирующие агенты, полученные путём комплексообразования, могут открыть новые возможности для уникальных применений в фармацевтике, агрохимикатах и материаловедении, обеспечивая при этом более простой, безопасный и устойчивый процесс фторирования.
Предоставлено Технологическим институтом Шибаура.