Российские ученые разработали новый метод получения особого класса кремнийорганических соединений – силоксанолов. Он позволит создавать вещества с использованием дешевых и безопасных реагентов, при комнатной температуре и атмосферном давлении, с применением молекулярного кислорода. Полученные силоксанолы открывают перспективы для создания уникальных механически прочных, самозалечивающихся, электропроводящих и других материалов. Результаты исследования были опубликованы в журнале Green Chemistry, а также были представлены на VI научной молодежной школе-конференции «Химия, физика, биология: пути интеграции» и XIV Андриановской конференции. Работа поддержана грантами (1, 2) Российского научного фонда (РНФ).

Материалы, объединенные под общим названием «силиконы», или «силоксаны», состоят из чередующихся атомов кислорода и кремния. При сравнительно небольших объемах производства они обеспечивают развитие авиационного и космического аппаратостроения, электронной техники, имеют огромное значение для создания комфортной среды обитания человека. Такая обширная область применения силиконовых материалов связана с их уникальными свойствами: устойчивостью к низкой и высокой температурам, радиации, совместимостью с биологическими тканями и так далее.

Несмотря на все эти преимущества, у силиконов имеются существенные недостатки, которые сужают область их применения: низкая механическая прочность и несовместимость с органическими полимерами. Это связано с очень слабым межмолекулярным взаимодействием между цепями таких соединений. Если добавить в цепочку так называемые полярные функциональные группы, например, гидроксильную (-OH), то можно усилить межмолекулярное взаимодействие полимерных цепей и, как следствие, придать материалу механическую прочность. Однако большинство существующих методов либо не позволяет внедрить полярную функциональную группу из-за жестких условий проведения процесса, либо является неприемлемым в силу дороговизны, коммерческой недоступности и токсичности реагентов.

Авторы нового исследования нашли эффективный способ получить силоксаны с полярной гидроксильной группой – силоксанолы – в условиях аэробного окисления коммерчески доступных силоксанов определенного типа. Новая методика, позволяющая получать силоксанолы по принципам «зеленой» химии (сводя негативное влияние на окружающую среду к минимуму), описана в исследовании ученых из Института элементоорганических соединений (ИНЭОС) имени А.Н. Несмеянова РАН в сотрудничестве с ученными из Института синтетических полимерных материалов имени Н.С. Ениколопова и Института молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта РАН.

«Одним из наиболее привлекательных подходов для решения этих проблем являются процессы аэробного окисления – процессы, в которых окислителем, либо источником атома кислорода в составе конечного продукта служит кислород. С использованием процессов аэробного окисления в мягких условиях – комнатная температура, атмосферное давление – с применением дешевых и коммерчески доступных реагентов можно получать как новые, так и промышленно важные продукты. На этом методе основан ряд промышленно важных процессов», — рассказал один из авторов исследования, Ашот Арзуманян, старший научный сотрудник лаборатории кремнийорганических соединений имени К.А. Андрианова ИНЭОС РАН.

Ученые предложили универсальный и простой подход к введению гидроксильной группы в силоксаны, который позволит создавать уникальные силиконовые материалы с высокой механической прочностью, совместимостью с органическими полимерами, возможностью самозалечивания, электропроводящими, жидкокристаллическими и другими свойствами. По заявлению авторов, их разработка стоит на пути к получению гибридных силоксанов для нового поколения высокотехнологичных приборов, устройств и механизмов.

«В нашей работе предложен высокоэффективный метод синтеза кремнийорганических продуктов – силоксанолов, который основан на окислении кислородом соответствующих гидридсилоксанов. Данный подход базируется на «зеленых», коммерчески доступных, дешевых, простых реагентах и мягких реакционных условиях: атмосферном давлении и температуре 25–60 ℃. Реакция является общей для получения как мономерных, так и полимерных силоксанолов различной структуры: линейных, разветвленных и циклических. С применением этого метода получены как описанные, так и неописанные ранее силоксанолы. Таким образом, переход на «зеленые» реакционные условия оказался не только принципиально важным экологическим решением, но и, пожалуй, наиболее перспективным с синтетической точки зрения для выполнения поставленных задач», — добавил ученый.