Российские ученые разработали новый метод получения уникального класса кремнийорганических соединений – пара-карбоксифенилсилоксанов. Новая методика позволит создавать эти вещества с использованием дешевых и безопасных реагентов, при низкой температуре и атмосферном давлении под действием кислорода.

Полученные соединения открывают перспективы для создания самозалечивающихся, электропроводящих, термо- и морозостойких силиконов. Работа поддержана грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ). Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of the American Chemical Society.

Кремнийорганические соединения, в особенности материалы на их основе – силиконы – одни из наиболее востребованных продуктов. Выдающиеся способности выдерживать невероятные термические и механические нагрузки позволяют применять силиконы для герметизации и защиты деталей при строительстве самолетов и ракет. Прочность и долговечность силиконов помогает обеспечить амортизацию автомобилей, создать подушки безопасности, фары и свечи зажигания. Силиконы используются в медицине, пищевой промышленности и многих других сферах.

Хотя многие силиконовые материалы уже созданы, а сферы их применения – найдены, по словам ученых, потенциал использования этих материалов раскрыт не до конца. Это связано с одной из центральных проблем современной химии силиконов: получением кремнийорганических продуктов с «не боящейся» воды группой атомов в органическом заместителе.

Такой фрагмент позволяет в разы проще вводить другие заместители, настраивать способность соединения отталкивать воду или образовывать устойчивые водные эмульсии и наделять материал другими «суперспособностями». Это открывает уникальные возможности для модификации силиконов и получения новых самозалечивающихся и электропроводящих материалов, веществ для хранения и доставки лекарств и топлива. Всего лишь небольшое изменение в соединении позволит также решить проблему низкой механической прочности и «несовместимости» силиконов с такими полимерами, как, например, полиэстер.

Классические способы синтеза силиконов не дают возможность получать функциональные кремнийорганические субстраты, за редким исключением. Как правило, эти методы либо применимы к узкому кругу субстратов, либо времязатратны, многостадийны и дороги.

Но в последние годы ученые все чаще говорят, что можно окислить органические соединения с участием молекулярного кислорода – «зеленого», простого и доступного окислителя. На таком окислении уже основан ряд промышленно важных процессов. Несмотря на все преимущества, эти процессы, как правило, протекают с низкой избирательностью и в достаточно жестких условиях (повышенная температура, давление и т.д.).

Группа ученых из Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова (ИНЭОС) РАН вместе с российскими коллегами использовала комбинацию металлического и органического катализатора – вещества, ускоряющего химическую реакцию, – что позволило решить эти проблемы: существенно смягчить условия протекания реакции и добиться высокой избирательности процесса.

Реакция прошла с участием молекулярного кислорода, в жидкой фазе и при температуре чуть выше комнатной, в то время как многие промышленные процессы проводят в газовой фазе и жестких условиях. Метод можно уже сейчас масштабировать до граммовых количеств для наработки нужного вещества. По словам ученых, это очень важно, поскольку далеко не всегда химикам удается предложить реакцию, которую можно использовать для прикладных целей уже завтра.

«Мы предложили высокоэффективный метод, основанный на катализируемом окислении кислородом исходных пара-толилсилоксанов до пара-карбоксифенилсилоксанов. Этот подход базируется на «зеленых», коммерчески доступных, дешевых, простых реагентах и мягких реакционных условиях: молекулярный кислород – окислитель, температура процесса – 40–60 °С, атмосферное давление», – рассказывает Ашот Арзуманян, один из авторов исследования, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории кремнийорганических соединений имени К.А. Андрианова ИНЭОС РАН.

Кроме того, ученые показали применимость метода к окислению органических производных (алкиларенов) до соответствующих кислот и кетонов, а также и гидридсиланов до силанолов (и/или силоксанолов).

«Полученные соединения открывают перспективы для создания самозалечивающихся, электропроводящих, термо- и морзостойких и механически прочных силиконов. Также они могут служить основой для получения новых гибридных материалов, которые способны найти применение в катализе, доставке лекарств, хранении топлива и других областях науки, техники и медицины», – отмечает Ашот.