Химики из Института
элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН, МФТИ и Тульского
педагогического университета им. Л.Н. Толстого усовершенствовали метод
прямого синтеза тетраалкоксисиланов, отказавшись от использования хлорида меди
в качестве катализатора.
Проведённые
эксперименты показали, что его можно заменить более безопасным оксидом меди.
Тетраалкоксисиланы используются как мономеры для дальнейшего производства
силиконов и сами по себе в качестве отвердителей кремнийорганических
композиций, для изготовления форм для точного литья, пропитки цементирующих
составов и других целей. Работа опубликована в журнале Industrial
& Engineering Chemistry Research.
Силиконы, или
полиорганосилоксаны, являются синтетическими полимерами с основной цепью,
состоящей из атомов кремния и кислорода. На периферии цепи присутствуют
органические заместители, с помощью которых можно модифицировать свойства
полимера в широких пределах. Силиконам присущи хорошие диэлектрические
свойства, устойчивость к агрессивным условиям и влажности, а также хорошие
гидрофобные свойства. Благодаря этому они активно используются в производстве
многих продуктов, например герметиков, смол, устойчивых к высоким температурам
и различным погодным условиям, ударопрочных лаков и покрытий, а также
модифицирующих добавок. Кроме того, силиконы биологически инертны, так что их
можно легко переработать. Однако назвать их «зелёными» мешает технология
синтеза.
Группа учёных из ИНЭОС
РАН и МФТИ вместе с коллегами нашла способ решить эту проблему, разработав
метод прямого синтеза алкоксисиланов. Эти соединения являются альтернативными
мономерами для производства силиконов. Традиционно в этой роли выступают
органохлорсиланы, а процесс сопровождается выбросом агрессивных отходов. Кроме
того, производство самих органохлорсиланов требует больших затрат энергии, а
также использования соляной кислоты. Несмотря на то, что HCl при этом
используется в замкнутом цикле, его утечка или утечка продуктов реакции может
привести к техногенной катастрофе. Алкоксисиланы же обладают низкой
токсичностью и меньшей химической реакционной способностью, благодаря чему их
можно более безопасно использовать и транспортировать. Но их традиционный
синтез тоже недостаточно «зелёный», так как в процессе используются хлорсиланы.
Исследователи предложили другой подход: в разработанном ими реакторе
алкокисиланы получают из кремния и спирта в присутствии катализаторов.
Антон Анисимов,
заведующий лабораторией кремнийорганических соединений ИНЭОС РАН, заведующий
кафедрой химической физики функциональных материалов МФТИ, рассказывает: «Мы
провели сравнительное исследование каталитических свойств CuCl и CuO при прямом
синтезе тетраметоксисилана, а также раздельно исследовали влияние Zn, Sn и Pb
на этот процесс».
Наиболее эффективным
катализатором оказался хлорид меди, и это поставило перед учёными новую задачу
— полностью исключить хлор из процесса. Измеряя давление водорода, который
выделяется в ходе реакции кремния и спирта, исследователи выяснили, что при
определённой концентрации олова оксид меди работает практически так же
эффективно, как и хлорид. При использовании только оксида скорость реакции
значительно ниже, однако учёные смогли повысить её до прежнего уровня,
добавив олово.
«Наше исследование
показало, что использование оксида меди (II) с добавкой олова позволяет
увеличить скорость прямого синтеза тетраметоксисилана до величины, сравнимой со
скоростью процесса с CuCl, который является одним из наиболее активных
катализаторов синтеза. Дальнейшие эксперименты продемонстрировали, что этот
эффект вызван именно действием олова, а не хлора, входящего в состав хлорида.
Это открывает доступ к полностью бесхлорному и активному процессу производства
тетраалкоксисиланов», — резюмировал Антон Анисимов.
В работе принимали
участие сотрудники Института элементоорганических соединений им. А.Н.
Несмеянова РАН, Тульского государственного педагогического университета им. Л.
Н. Толстого, Московского физико-технического института, Российского
химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева и Института
синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН.
Источник: «За науку».