Химики-теоретики предложили новую стратегию по использованию карбида кальция в синтезе органических соединений

Михаил Полынский

При словах «карбид кальция», многие вспомнят уроки химии в школе, реакцию белого твердого вещества с водой и выделение ацетилена . Исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета и Института органической химии РАН имени Н.Д. Зелинского моделировали процессы, происходящие при взаимодействии карбида кальция с водой и диметилсульфоксидом на атомарном масштабе. Проанализировав результаты этого моделирования, они предложили подход, стратегию, как можно разрабатывать новые органические реакции с этим хорошо известным веществом. Подробно c работой можно ознакомиться в статье, недавно опубликованной в журнале Chemical Science Королевского химического общества. Это новая работа в рамках проекта по актуальной химии карбида кальция, поддержанного грантом СПбГУ, который ведется в Лаборатории кластерного катализа университета.

Карбид кальция – желтовато-белое или серое твердое вещество, используя которое, в школе демонстрируют получение ацетилена в результате реакции карбида с водой

Общественное достояние

«Карбид кальция известен уже более ста лет, и все это время его производят в промышленных масштабах для получения газообразного ацетилена. Углерод для синтеза карбида добывают в шахтах. Так, количество углерода над поверхностью планеты постоянно растет, а под поверхностью – снижается, т. е. подобный углеродный цикл не является нейтральным, что ведет к очевидным проблемам», − говорит Константин Родыгин, научный сотрудник Лаборатории кластерного катализа СПбГУ.

Руководитель проекта по исследованию новых химических реакций с карбидом кальция академик РАН Валентин Анаников отмечает: «Главным вызовом для человечества сегодня является создание промышленных процессов нового поколения, позволяющих получать важнейшие органические соединения и материалы в рамках углерод-нейтрального подхода. Особое значение имеет замена ископаемых ресурсов на возобновляемые и решение экологических задач. Как было показано в наших работах, органический синтез на базе карбида кальция открывает новые возможности для реализации углерод-нейтральных технологий. Причем ключевое значение имеет понимание химических процессов трансформации карбидных частиц в химических процессах в растворе».

Один из соавторов статьи Михаил Полынский рассказал порталу Indicator.ru о работе более подробно. «Сам карбид можно рассматривать как соль ацетилена, а ацетилен HC≡CH – как очень слабую двухосновную кислоту. К сожалению, в органических растворителях, даже полярных, как диметилсульфоксид, карбид кальция не растворяется. А с водой он интенсивно реагирует. Для синтеза сложных органических веществ интересны именно ацетилениды C≡C и HC≡C, то есть кислотные остатки. Получается, что ацетилениды очень сложно получить в растворе, а органические реакции чаще всего проводят именно в растворах.

Это полностью теоретическая работа, то есть исследование заключалось в компьютерном моделировании того, как из твердого кристаллического вещества, карбида кальция, можно получить ацетилениды в растворе. Для моделирования мы использовали так называемые квантово-химические методы, борн-оппенгеймеровскую молекулярную динамику, когда атомы рассматриваются как классические, неквантовые материальные точки, но взаимодействия между ними и электронами описываются уравнениями квантовой механики. В результате такого моделирования можно сделать небольшой мультфильм, показывающий, как выглядит движение атомов и молекул на очень коротких, пикосекундных временных интервалах».

Любопытно, что хоть часть расчетов мы проводили на вычислительных серверах Ресурсного центра СПбГУ, также использовали и относительно простой лабораторный компьютер, какой можно было бы использовать для компьютерных игр. Современные «геймерские», игровые компьютеры оснащаются мощными процессорами и видеокартами – именно они нужны для квантово-химических вычислений, и, порой, игровых процессоров и видеокарт вполне достаточно.

Слева: Фото вычислительных серверов ресурсного центра СПбГУ, на которых проводились расчеты. Справа: «геймерский» компьютер с открытой крышкой корпуса, на котором выполняли симуляцию борн-оппенгеймеровской молекулярной динамики. Все торговые марки, имена и логотипы которых видны на фото, принадлежат правообладателям.

Мы оценили кислотные свойства ацетилена, воды и некоторых других соединений в растворителе диметилсульфоксиде, а также оценили, может ли образоваться раствор из карбида кальция или продукта его неполного гидролиза. В ходе гидролиза кислотный остаток C≡C превращается в HC≡C, этот процесс называется протонированием, и именно второй ацетиленид может образовываться в растворе. Анализ кислотности показал, что в растворителе диметилсульфоксиде реализуется необычная ситуация: вода более слабая кислота, чем HC≡C, поэтому вода не может интенсивно протонировать ацетиленид HC≡C. После проведения такого анализа стало понятно, что вместо воды можно использовать и другие вещества, способные участвовать в протонировании C≡C, для перевода ацетиленида в раствор, а в качестве растворителя для реакций с карбидом кальция можно искать альтернативные диметилсульфоксиду, еще менее токсичные и «зеленые» растворители.