Химик РУДН создал нанокатализаторы для синтеза ванилина

Только 1% из 20 тысяч тонн ванилина, которые производятся в мире ежегодно, изготавливают из плодов натуральной ванили. Практически весь ванилин в составе приправ, выпечки, фармацевтических препаратов и косметики синтезирован химическим путем. Обычно для этого используют нефтехимическое сырье, но возможен и синтез из недорогой растительной биомассы. Главный ингредиент здесь — лигнин. Этот полимер широко доступен: он входит в состав древесины, и его получают при производстве бумаги как побочный продукт. 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. Химик РУДН предложил серию экологичных нанокатализаторов, которые позволят получать из растительного сырья больше ванилина, чем традиционные методы.

«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», — Рафаэль Луке, профессор Центра молекулярного дизайна и синтеза инновационных соединений для медицины РУДН.

Чтобы создать эффективный катализатор, химик РУДН 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. Но активные наночастицы должны быть надежно связаны с этой поверхностью, чтобы не вымываться при первом же использовании катализатора. Решение нашлось в соединении веществ разных классов: кремниевой основы и металлических наночастиц. Для этого в растворителе смешали соль металла и тетраэтоксисилан (вещество-предшественник диоксида кремния) и подвергли смесь воздействию микроволн при температуре 80—100°C в течение нескольких минут. 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.

Все полученные катализаторы испытали в реакции окисления изоэвгенола перекисью водорода. Реагенты соединили в растворителе при температуре 80°C на 6 часов. За это время все материалы, кроме катализатора с молибденом, обеспечили переработку более чем 50% изоэвгенола. Но 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», — Рафаэль Луке, профессор Центра молекулярного дизайна и синтеза инновационных соединений для медицины РУДН.

Результаты исследования опубликованы в Molecular Catalysis.