Российские химики
продемонстрировали, как с помощью аддитивных технологий, или 3D-печати,
изготавливать в лаборатории фотореакторы для тонкого органического синтеза. Устройства
позволяют проводить ряд важных реакций, требующих стабильной температуры и облучения
светом определенной длины волны. Развитие этого подхода поможет ускорить и
удешевить внедрение уникального оборудования в научную практику. Результаты
проекта, поддержанного грантом Российского научного
фонда (РНФ), опубликованы в журнале Scientific Reports.
Аддитивные
методы производства, известные как 3D-печать, активно используются во многих
областях машиностроения, медицины, науки и образования. Сегодня сложно найти
такую сферу материального производства, в которой не нашлось бы эффективного
применения 3D-печати. Огромный потенциал аддитивных методов обусловлен их
высокой универсальностью, почти полной безотходностью, многообразием используемых
конструкционных материалов и во многих случаях относительной простотой
использования, не требующей специальной инженерной квалификации.
Российские
ученые из Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН (Москва)
успешно внедрили 3D-печать в научную работу химической лаборатории. Коллектив
молодых исследователей из лаборатории металлокомплексных и наноразмерных
катализаторов под руководством академика Валентина Ананикова спроектировал и
изготовил компактные универсальные фотореакторы для проведения тонкого
фотохимического синтеза, позволяющего получать ряд ценных органических
соединений. Реакторы были изготовлены методом селективного спекания металлического
порошка и методом наплавления термопластичного полимерного материала. Первый
подход позволяет получать сложные изделия из разнообразных металлических
сплавов, тогда как второй зарекомендовал себя как недорогой и эффективный
способ производства изделий из множества термопластичных пластиков и композиций
на их основе.
Полученные
в проекте фотореакторы имеют ряд преимуществ перед традиционным фотохимическим
оборудованием: они могут быть адаптированы к источникам света различной длины
волны, характеризуются невысокой стоимостью, особенно при использовании
пластиков, допускают быстрое внесение изменений в конструкцию. Последняя
особенность является одним из принципиальных преимуществ 3D-печати: реактор с
новым, более оптимальным дизайном, может быть изготовлен прямо в химической
лаборатории в течение одного рабочего дня и сразу испытан в эксперименте.
Авторы
показали, что металлические реакторы из нержавеющей стали могут применяться для
проведения серийных экспериментов с различными химическими субстратами или
фотокатализаторами. Фотореакторы из пластика, отличающиеся от металлических
значительно большим объемом, дают возможность масштабирования органического
синтеза для получения продуктов в значительных количествах. Оба типа реакторов
могут поддерживать заданную температуру, что имеет важное значение для
увеличения выхода и селективности химического синтеза, то есть в процессе будет
образовываться преимущественно целевой продукт, а не побочные соединения.
Эффективность нового оборудования была продемонстрирована на примере ряда
важнейших химических реакций образования связей углерод-углерод и углерод-сера.
«Мы ожидаем, что наша разработка войдет в
повседневную лабораторную практику в ближайшем будущем. Аддитивное производство
открывает большие возможности для создания нового химического оборудования
непосредственно в химической лаборатории», — рассказывает руководитель
проекта по гранту Юлия Бурыкина, кандидат химических наук, ведущий сотрудник
Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН.
Рисунок.
Модель, иллюстрирующая одновременное проведение нескольких экспериментов с
использованием компактных металлических фотореакторов (слева) и фотохимический
синтез большого количества вещества в реакторе, изготовленном в лаборатории
методом наплавления термопластичного полимера (справа). Источник: Евгений
Гордеев