Трехмерные структуры кремния и германия помогут переработать нефть

Российские ученые создали новый катализатор — вещество, ускоряющее реакцию окисления плохо реагирующих компонентов нефти и газа. Новый метод переработки углеводородов позволит получить такие ценные органические вещества, , как кислоты и спирты за счет реакции, проводимой при незначительном нагревании и без использования повышенного давления. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of Organometallic Chemistry.

«Созданные нами катализаторы содержат кремний (или германий) и металлы (медь, железо, кобальт и др.) и способны без труда разрывать связи между атомами углерода и водорода в насыщенных и ненасыщенных углеводородах (являющихся основными компонентами нефти и газа), переводя их в ценные продукты: спирты, кислоты, альдегиды, эфиры, органические перекиси. Об актуальности такой тематики говорит один факт: работы по активации связей углерод-водород были в шорт-листе номинантов на Нобелевскую премию по химии 2017 года», — рассказывает один из авторов статьи, ассистент кафедры неорганической химии РУДН Алексей Биляченко.

В ходе работы ученые применяли синтетические методы, использующие способность органических производных кремния и германия формировать необычные трехмерные структуры, включающие атомы различных металлов. Такие каркасные соединения могут растворяться в среде органических растворителей, что увеличивает активность каталитической частицы. Кроме того, сама структура матрицы определяет направление «каталитической атаки» (например, окисление органической молекулы происходит специфически, по определенным местам молекулы реагента).

Описанные в работе катализаторы относятся к семейству призматических металлосилсесквиоксанов — соединений, которые содержат средний, металл-содержащий слой, обрамленный с двух сторон кремний-содержащими циклами, при этом каждый атом кремния соединен с органическим заместителем.

Структурные особенности и «ядерность» (число атомов металла в составе) сильно зависят от условий получения катализатора, что создает определенные сложности для исследователя. Одним из главных результатов данной работы можно назвать то, что группа определила необходимые компоненты реакционной смеси, позволяющие получить продукт с определенным количеством атомов металла (это определяет свойства катализатора).

Еще одним важным наблюдением стала стабильность редкой пятиядерной структуры в условиях перехода «твердое вещество-раствор», показанная на примере медь-содержащего соединения. Так, при замене пиридина на широко распространенный в лабораторной работе растворитель диметилформамид ученые с использованием рентгеноструктурных методов исследования установили, что у исходного и конечного соединения одинаковое, пятиядерное, строение. Это указывает на достаточно высокую стабильность каркасного соединения, что важно для увеличения времени активного действия катализатора в растворе.

Найденные методы переработки углеводородов нефти и газа в мягких условиях (за счет их активации металл-содержащими соединениями) выгодно отличаются от обычной технологии крекинга и пиролиза, для которых используется дорогостоящее оборудование, способное выдерживать высокие температуры и давления.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.