Ученый–химик Российского университета дружбы народов (РУДН) предложил новый метод создания катализаторов на пористой кремниевой основе с наночастицами металлов. Разработанные эффективные катализаторы для органических реакций могут найти применение для синтеза ванилина, востребованного в пищевой и парфюмерной промышленности. Работа исследователя была опубликована в журнале Molecular Catalysis, сообщает InScience.
Отмечается, что лишь 1% из 20 тыс. тонн ванилина, производимого ежегодно в мире, изготавливают из плодов натуральной ванили. Практически весь ванилин в составе приправ, выпечки, фармацевтических препаратов и косметики синтезирован химическим путем.
В основном для синтеза ванили используют нефтехимическое сырье, но возможно его получение из недорогой растительной биомассы. Главный ингредиентом синтеза в этом методе выступает широкодоступный полимер лигнин. Он входит в состав древесины, также лигнин является побочным продуктом производства бумаги.
Химик РУДН предложил серию экологичных нанокатализаторов, позволяющих получить из растительного сырья больший объем ванилина, чем при традиционных методах синтеза.
Из лигнина легко выделить эвгенол и другие подходящие для синтеза ванилина вещества, но на следующем шаге возникают проблемы. В реакциях окисления наряду с ванилином образуется ряд побочных продуктов, похожих на него по структуре, и разделить их — сложная задача.
«Долгие годы химическая промышленность была заинтересована в новых катализаторах для повышения экономической эффективности производства. Сегодня востребованными становятся катализаторы, которые позволяют перейти на более экологичные методы химического синтеза. Чем выше их каталитическая активность, тем мягче условия, в которых мы можем их применить. Это шанс снизить энергозатраты и нагрузку на окружающую среду», — говорит Рафаэль Луке, профессор Центра молекулярного дизайна и синтеза инновационных соединений для медицины РУДН.
Для создания эффективного катализатора, ученый использовал преимущества наноструктурированных материалов. Чем больше мелких пор и каналов на единицу объема катализатора, тем больше поверхность, с которой могут взаимодействовать в ходе реакции химические вещества. Решение нашлось в соединении веществ разных классов: кремниевой основы и металлических наночастиц.
В серии экспериментов использовались разные металлы: медь, ниобий, молибден, вольфрам. Все материалы после просушки оказались высокопористыми: микроволны вызвали в них формирование нанотрубок. Дополнительные исследования показали, что металлические наночастицы встроились в кремниевую матрицу.
Самую высокую селективность по отношению к ванилину, то есть получение наибольшей доли именно этого вещества, обеспечил только катализатор с медью. В его случае, как показал химик РУДН, 88% продуктов реакции составлял ванилин.
«Синтезированные материалы показали значительный потенциал в окислении изоэвгенола до ванилина. Один из полученных материалов с включением меди показал значительно более высокую селективность, чем известные ранее катализаторы. Как показали повторные реакции, этот катализатор можно использовать до четырех раз без существенной потери эффективности», — комментирует разработку Рафаэль Луке.
