En kemist vid RUDN-universitetet har utvecklat en ekologiskt säker metod för att erhålla kanelaldehyd - en förening med antibakteriell och anticanceraktivitet. Forskaren använde katalysatorer baserade på nanopartiklar av järn och palladium för att undvika bildning av miljöskadliga biprodukter. Detta miljövänliga tillvägagångssätt kan utvidgas till andra organiska föreningar av aldehydklassen som är viktiga för medicin, lantbruk, och livsmedelsindustrin. Artikeln är publicerad i tidskriften Molekylär katalys .

Traditionella metoder för oxidation av alkoholer till aldehyder och ketoner med krom och mangan leder till bildandet av ett stort antal skadliga biprodukter som måste kasseras separat. För att undvika detta, man kan använda mjuka selektiva oxidationsmedel - till exempel Väteperoxid. Dock, denna reaktion kräver katalys; utan det, utbytet av produkten är inte mer än 10 procent. Men befintliga katalysatorer, såsom silverfosfat, platina- och palladiumföreningar, är också giftiga eller dyra. Därför, uppgiften att hitta en billig, effektiv och miljövänlig katalysator för industriell produktion av kanelaldehyd är fortfarande relevant.

Kemister som skapar katalysatorer kan lösa flera problem. För det första, det är nödvändigt att uppnå hög effektivitet, det är, Katalysatorn bör underlätta reaktionen av den största andelen reagens som ingår i den initiala blandningen. För det andra, Katalysatorn måste vara mycket selektiv – det betyder att andelen oönskade biprodukter måste vara minimal. För det tredje, Katalysatorn ska vara säker för miljön. Alla dessa problem är relevanta för oxidationsreaktioner av alkoholer, som resulterar i bildandet av aldehyder och ketoner - viktiga föreningar för organisk syntes, medicin, parfymindustrin eller jordbruket.

Forskargruppen ledd av RUDN-universitetets kemist Rafael Luque har föreslagit en effektiv och miljösäker katalysator för syntesen av kanelaldehyd. Denna aromatiska förening har antibakteriell och anticarcinogen aktivitet och används i stor utsträckning inom livsmedels- och parfymindustrin som ett smakämne, och inom jordbruket som fungicid. Ett av de viktigaste sätten att få det är oxidationen av cinnamylalkohol.

Luque har föreslagit att använda katalysatorer baserade på järn- och palladiumnanopartiklar erhållna genom den mekanokemiska metoden. Dessa nanopartiklar katalyserar den selektiva oxidationen av kanelalkohol med väteperoxid under mikrovågsstrålning. På samma gång, de är miljösäkra och relativt billiga.

Dock, för att järn och palladium ska fungera som katalysatorer, de måste appliceras på en lämplig porös yta:dess struktur och kemiska egenskaper avgör också effektiviteten hos hela det katalytiska systemet. Som sådana matriser, kemister använde flera typer av porösa silikat- och aluminosilikatsubstrat, som interagerar olika med syre och därför leder till att olika produkter bildas.

För att bedöma effektiviteten av katalysatorn, kemister mätte graden av omvandling, det är, andelen alkohol som omvandlas till aldehyd. För att testa selektiviteten hos katalysatorer, forskare mätte förhållandet mellan kanelaldehyd och en oönskad biprodukt - bensaldehyd - i den slutliga blandningen. Den mest effektiva katalysatorn var ett system av järnnanopartiklar på en aluminatsilikatzeolitmatris. Omvandlingsfrekvensen för den var över 80 procent - högre än för palladiumkatalysatorer och lösningen av järnsalter.

I detta fall, katalysatorn för palladiumnanopartiklar på ett magnetiskt silikatsubstrat överträffade selektiviteten för alla andra alternativ. Efter att ha använt denna katalysator, andelen kanelaldehyd i den slutliga blandningen översteg 60 procent.

För att förstå varför järnbaserade katalysatorer är mer effektiva och palladiumbaserade katalysatorer är mer selektiva, författarna studerade den underliggande mekanismen. De fann att oxidationen av cinnamylalkohol bildade en mellanprodukt med en epoxigrupp, -på grund av det, mer effektiva katalysatorer accelererar samtidigt oxidationsreaktionen med förstörelsen av kolkedjan och bildandet av kortare bensaldehydmolekyler, vilket minskar selektiviteten.

Trots det faktum att den höga effektiviteten hos de studerade katalytiska systemen är förknippad med en minskning av selektiviteten, Katalysatorer består av järnnanopartiklar på zeolitmatriser har båda indikatorerna tillräckligt höga för potentiell användning i industriell produktion. Författarna tror att på grund av hög aktivitet hos sådana katalysatorer - främst baserade på järnnanopartiklar - kan den användas för att oxidera inte bara kanelalkohol utan även andra föreningar med liknande kemisk struktur.