Ученые Томского политехнического университета предложили использовать катализаторы на основе наночастиц серебра в процессах жидкофазного окисления спиртов. Это позволит сделать процесс окисления спиртов более экологичным и экономически выгодным, по сравнению с более традиционным высокотемпературным газофазным окислением или токсичными реагентами, сообщает пресс-служба ТГУ. В статье, опубликованной в журнале Fuel (IF: 4.908; Q1), исследователи доказывают возможность использования таких катализаторов на основе серебра на примере окисления октанола и бетулина. Производные этих веществ являются ценными продуктами для химической, фармакологической и косметической промышленности.

«В органическом синтезе окисление спиртов в жидкой фазе — это более “зеленое” направление, по сравнению с окислением в газовой. Во-первых, оно протекает при более низких температурах, отсюда ниже энергозатраты. Во-вторых, не образуются продукты полного окисления — вода и СО2, их образование свидетельствует о снижении селективности реакции, а соответственного и о снижении выхода целевого продукта», — говорит один из авторов статьи, старший научный сотрудник Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Екатерина Колобова.

Ученые большое внимание уделяют использованию в таких процессах катализаторам на основе золота и металлов платиновой группы.

«Да, у них высокий уровень активности, но они довольно дороги, нестабильны, в силу чего они достаточно быстро деактивируются. Серебросодержащие катализаторы могут стать их отличной альтернативой, хотя исследователи незаслуженно, на наш взгляд, обходят их вниманием. Недавно мы опубликовали обзор по использованию катализаторов на основе серебра в жидкофазном окислении. Нам удалось найти всего 18 работ, включая работу ученых ТПУ», — отмечает Екатерина Колобова.

В исследованиях, результаты которых представлены в Fuel, томские политехники использовали катализаторы, представляющие собой подложку из оксида титана — чистого или модифицированного другими элементами, например, оксидом церия, — с нанесенными на ее поверхность наночастицами серебра.

«Для проведения сравнительного исследования нами были выбраны два совершенно разных по структуре и свойствам, в том числе физическим, спирта — октанол и бетулин. Октанол — это побочный продукт переработки древесины, его производные весьма востребованы в промышленности. Наш катализатор оказался селективным по отношению к октаналю, то есть в результате окисления образуется только октаналь.

В отличие от золотых катализаторов, для которых в зависимости от модификатора, наблюдалось появление в продуктах реакции кислоты и/или эфира. А октаналь является самым дорогим и востребованным продуктом окисления н-октанола», — поясняет исследователь.

В свою очередь, производные бетулина востребованы как прекурсоры — промежуточные вещества — для создания лекарственных препаратов нового поколения. Традиционно оксо-производные бетулина получают с помощью реактива Джонса в сильнокислой среде. Он представляет собой смесь очень токсичного ангидрида хрома и сильных кислот. Получение оксо-производных бетулина посредством окисления реактивом Джонса является достаточно сложным и малорентабельным процессом, характеризующимся низкой селективностью окисления, а также сложностью утилизации токсичного оксида хрома III и очень токсичного остаточного ангидрида хрома.

С помощью разработанных наносеребрянных катализаторов политехникам уже удалось получить одно из оксо-производных бетулина — бетулон, в условиях, близких к требованиям «зеленой химии», то есть при температуре ниже 150 оС и без добавления щелочных и инициирующих добавок, которые приводят к образованию нежелательных, а зачастую и токсичных отходов.

Еще одно преимущество использования гетерогенных наносеребрянных катализаторов в жидкофазном окислении — после выделения и регенерации их можно использовать повторно.

«В этой статье мы также развили свою теорию о реакционных центрах катализаторов. Вопрос о природе активных центров катализаторов — одна из ключевых и трудноразрешимых проблем гетерогенного катализа. Решив эту проблему, мы смогли бы синтезировать катализаторы с заранее заданными свойствами, без этого знания приходится действовать методом “научного тыка”, то есть гораздо менее эффективно и более затратно. На основании наших исследований мы выявили природу активных центров наших серебряных катализаторов в изучаемых процессах — ионы серебра с определенным эффективным зарядом», — добавляет один из авторов статьи, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Алексей Пестряков.