Внедрение нового катализатора позволит оптимизировать и снизить себестоимость технологии получения первичных аминов для фармацевтической и химической промышленности, пишет портал наука.рф.
Уникальный катализатор для синтеза аминов
При производстве многих лекарств, 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, а целевые амины получаются с невысокими выходами. Это усложняет производство и делает его дороже, поэтому ученые ищут альтернативы.
Новый катализатор, разработанный учеными из Москвы и Новосибирска, упрощает синтез первичных аминов: вместо высоких температур и давлений реакция гидрирования проходит при комнатной температуре и атмосферном давлении. Это снижает затраты и повышает эффективность производства веществ, используемых в фармацевтике, полимерной и лакокрасочной промышленности.
Авторы 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.
Нанесение оксида хрома на наночастицы палладия способствовало не только образованию новых активных центров, но и повлияло на способность катализатора связывать водород. 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.
Ученые 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 вперед научные исследования. В дальнейшем мы планируем применить наши подходы к получению других катализаторов с обращенной 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»
рассказала руководитель проекта Елена Редина, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории разработки и исследования полифункциональных катализаторов Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда. Результаты опубликованы в международном журнале ACS Catalysis.
