Гидрирование – это химический процесс, который используется в широком спектре промышленных применений, от пищевых продуктов, таких как маргарин, до нефтехимии и фармацевтики. Процесс обычно включает использование тяжелых металлов, таких как палладий или платина, для катализа химической реакции. Хотя эти металлы являются очень эффективными катализаторами, они также не возобновляемы, дороги и подвержены резким колебаниям цен на международных рынках.
Поскольку эти металлы токсичны даже в небольших количествах, они также вызывают озабоченность по поводу окружающей среды и безопасности.
Например, фармацевтические компании должны использовать дорогостоящие методы очистки, чтобы ограничить остаточные уровни этих элементов в фармацевтических продуктах. Железо же, напротив, в природе богато и гораздо менее токсично, чем тяжелые металлы.
Предыдущая работа других исследователей показала, что наночастицы железа – крошечные кусочки металлического железа – могут быть использованы для активации реакции гидрирования. Однако у железа есть известный недостаток: оно ржавеет в присутствии кислорода или воды.
Ржавые наночастицы железа перестают действовать как катализаторы гидрирования. Эта проблема, которая возникает при наличии даже следовых количеств воды, препятствует использованию наночастиц железа в промышленности.
В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Green Chemistry, ученые из McGill, RIKEN и Института молекулярных наук сообщают, что они нашли способ преодолеть это ограничение, сделав железо активным катализатором в водно-этанольных смесях, содержащих до 90% воды.
Ключом к этому новому методу является получение частиц непосредственно внутри полимерной матрицы, состоящей из амфифильных полимеров на основе полистирола и полиэтиленгликоля. Полимер действует как оберточная пленка, которая защищает поверхность железа от ржавчины в присутствии воды, позволяя реагентам достигать воды и вступать в реакцию.
Это нововведение позволило исследователям использовать наночастицы железа в качестве катализатора в проточной системе, что повысило вероятность использования железа для замены металлов платинового ряда для гидрирования в промышленных условиях.
«Наши исследования теперь сосредоточены на достижении лучшего понимания того, как полимеры защищают поверхность железа от воды, в то же время позволяя железу взаимодействовать с подложкой», – говорит Одри Мур, доцент кафедры химии в Макгилл и соавтор-корреспондент статьи.
Результаты являются результатом продолжающегося сотрудничества между McGill и RIKEN, одной из крупнейших научно-исследовательских организаций Японии, в области нанотехнологий и зеленой химии. Ведущий автор Рубен Хадсон, докторант McGill, работал над проектом в Центре устойчивых исследований ресурсов RIKEN и в Институте молекулярных наук в Японии.
Соавторы статьи – проф. Чао-Цзюнь Ли из McGill, доктор.
Иди Хамасака и доктор. Такао Осако из Института молекулярных наук, д-р.
Йоичи М.А. Ямада из Рикена и профессора. Ясухиро Уодзуми из Riken и Института молекулярных наук.
«Подход, который мы разработали в рамках этого сотрудничества, может привести к более устойчивым производственным процессам», – говорит проф. Уозуми. «Этот метод обеспечивает систему, в которой реакция может происходить снова и снова с одним и тем же небольшим количеством каталитического материала, и он позволяет ей протекать в почти чистой воде – зеленом растворителе по преимуществу."
Финансирование исследования было предоставлено Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады (NSERC), Канадским фондом инноваций (CFI), кафедрами исследований Канады, Фондом исследований Квебека – Nature et technologies, Riken-McGill.
Fund, Японского общества содействия науке (JSPS) и Японского агентства науки и технологий (JST).