Благодаря исследователям из США производство сложных эфиров, которые могут применяться как в качестве биотоплива, так и отдушек в парфюмерно-косметической промышленности, может стать дешевле, проще и экологически чище.

Специалисты по гетерогенному катализу продемонстрировали, что наночастицы золота, адсорбировавшие кислород, могут способствовать селективному окислению спиртов, альдегидов и образованию сложных эфиров.

В последнее время отмечается вновь возросший интерес к гетерогенному катализу на золоте. Наиболее перспективной представляется замена существующих технологий стехиометрического окисления спиртов каталитическими процессами, которые могут снизить энергетические затраты производства, увеличить селективность окисления и снизить количество потенциально образующихся отходов производства и побочных продуктов.

В группе Синтии Френд (Cynthia Friend) из Гарварда обнаружено, что окислительное сочетание альдегидов со спиртами на поверхности наночастиц золота, адсорбировавших кислород, может протекать с высокой селективностью при низких температурах. Помимо этого реакция протекает на поверхности катализатора, в то время как в системах, изученных ранее, гетерогенный катализатор на носителе всего лишь активировал реакции, протекающие в растворе.

Френд отмечает, что новый катализатор совместим с широким рядом альдегидов и спиртов, это обстоятельство позволяет применить новую каталитическую систему для синтеза сложных эфиров различного строения. Синтез сложных эфиров на новом катализаторе может быть осуществлен при температуре, незначительно превышающей комнатную. Новая методика отличается высокой селективностью и характеризуется образованием минимального количества побочных продуктов, что позволяет предложить использование новой каталитической системы для промышленного получения сложных эфиров.

Схематическое отображение механизма реакции метанола с альдегидами

Исследователи продемонстрировали, что адсорбированный атомный кислород, связанный с поверхностью золота ведет себя как кислота Бренстеда, вызывая разрыв связи O-H в метаноле, взятом в качестве модельного спирта. Образовавшийся в результате этого процесса метоксильный интермедиат проявляет нуклеофильные свойства, атакуя электронодефицитный углерод альдегида, приводя к селективному образованию метиловых эфиров.

Грэм Хатчинс (Graham Hutchings), специалист по катализу из Университета Кардиффа высоко оценивает работу коллег из Гарварда, говоря об изучении модельных каталитических реакций на поверхности золота как об элегантной экспериментальной работе. Он добавляет, что активность наночастиц золота в окислении спиртов известна давно, и результаты работы Френд могут оказаться весьма полезными не только для разработки новых способов синтеза сложных эфиров, но и для более глубокого понимания причин образования побочных продуктов в ходе окисления спиртов на наночастицах золота.

Френд полагает, что результаты работы ее исследовательской группы в перспективе могут быть использованы как экологически чистый метод получения сложных эфиров с низким значением молекулярной массы, применяющихся в качестве парфюмерных отдушек. Она также полагает, что дальнейшее изучение селективного каталитического окисление спиртов может оказаться полезным для разработки новых способов промышленного получения биотоплива (метиловых эфиров высших карбоновых кислот).

Однако пока не ясно, может ли новый процесс быть масштабирован до объемов промышленного производства. Главные проблемы, которые следует решать для практического использования новой системы – эффективность модификации поверхности золота атомным кислородом, стоимость золотосодержащих катализаторов и стабильность катализаторов в условиях их промышленного применения.

В настоящее время исследователи из Гарварда изучают окислительную (окислитель – O₂) парофазную этерификацию над нанопористой поверхностью металлического золота, и, по словам Френд, первичные результаты, полученные при давлении кислорода в одну атмосферу, внушают оптимизм.