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/)