«Химерные» катализаторы помогут синтезировать полимеры с неоднородным составом

Российские ученые впервые создали катализаторы на основе палладия и органических фрагментов, позволяющие без дополнительных сокатализаторов синтезировать различные по химическому составу полимеры. Предложенные комплексы обладают высокой активностью, стабильны на воздухе и при контакте с водой, и поэтому не требуют специальных условий хранения и использования. При этом синтезируемые с их помощью полимеры устойчивы к высоким температурам и химическим реагентам, а также обладают высокой прозрачностью, поэтому могут применяться как упаковочные материалы. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале ACS Catalysis.

Многие химические реакции, необходимые для синтеза лекарств, удобрений и полимерных материалов, нуждаются в катализаторах — соединениях, ускоряющих реакцию. В роли катализаторов могут выступать отдельные вещества или целые комплексы. В состав последних чаще всего входят ионы металлов, например палладия, а также лиганды. Металл является центральным атомом комплекса и обуславливает его свойства, например, каталитические. Лиганды — это атомы или группа атомов, располагающихся вокруг иона. Это могут быть частицы, которые до образования комплексного соединения представляли собой молекулы, например воду, угарный газ или аммиак. Лиганды могут участвовать в химических реакциях в качестве реагентов.

Ученые из Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН (Москва), Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова (Москва), Российского химико-технологического университета (Москва), ФГБУН института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН (Москва), Московского физико-технического института (Долгопрудный) синтезировали комплексы, которые могут выступать в качестве катализаторов полимеризации. Эти соединения состоят из центрального атома — палладия, окруженного различными лигандами, каждый из которых выполняет определенную функцию. Например, азотсодержащий лиганд, подобно зонтику, прикрывает центральный атом, делая комплекс устойчивым к кислороду и влаге воздуха. Кроме того, этот лиганд определяет высокую активность и избирательность катализатора. В результате катализатор взаимодействует только с двойной связью мономера и не затрагивает другие участки молекулы. Подвижные лиганды комплекса, роль которых могут выполнять молекулы растворителя или угарного газа, способны в нужный момент отрываться от палладия, обеспечивая подход мономера к центральному атому и последующее связывание мономеров друг с другом.

Исследователи синтезировали 11 подобных соединений, меняя фрагменты в структуре катализаторов и тем самым регулируя их свойства. Все полученные комплексы не требовали дополнительных сокатализаторов. Благодаря высокой активности расход предложенных соединений оказался крайне экономичным, при этом эффективность полимеризации достигала 94%. Кроме того, так как для синтеза требовалось небольшое количество катализатора, удалось избежать стадии очистки полимера от катализатора — трудоемкой стадии в получении полимеров. «Мы разработали простые и очень «стабильные» катализаторы для получения разных полимеров. С этими комплексами можно работать в обычных условиях на воздухе и использовать растворители без предварительного осушения или очистки. Кроме того, катализаторы проявляют высокую активность, то есть имеют низкий расход, как при комнатной, так и при повышенной температуре», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Евгения Бермешева, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН.