Российские химики превратили серное кольцо в цепочку с помощью ионных жидкостей. Этот способ менее энергозатратен и более экологичен, чем использующиеся сегодня в промышленности методы. Исследование опубликовано в журнале Pure and Applied Chemistry. Сера необходима в производстве резины, косметики, лекарств, дезинфицирующих средств, удобрений и многого другого. В природе она чаще всего встречается в виде кольцевидной структуры из восьми атомов.

Но для использования в промышленности кольцо необходимо превратить в цепочку, чтобы сера могла соединяться с другими веществами. Чаще всего это делают с помощью нагрева до 160–200 °C и последующего охлаждения в холодной воде. Но этот процесс очень энергозатратен — на производство 1 тонны полимерной серы нужно примерно 10 кубометров природного газа. Кроме того, при нагреве выделяется токсичный сероводород.

Поэтому ученые ищут альтернативные способы раскрытия серного кольца. Химики из РХТУ им. Д.И. Менделеева предложили использовать ионные жидкости. Это расплавы солей металлов при температурах ниже 100 °С, которые состоят исключительно из ионов. Эти вещества изучаются уже несколько десятилетий и считаются перспективными экологически чистыми растворителями, но для раскрытия серного кольца их еще никто не применял.

«Предположение, что ионные жидкости могут вступать в реакцию с элементной серой, у нас возникло, когда мы изучали их химию. Это полярные соединения с локализованными в некоторых случаях зарядами, и в зависимости от структуры анионов или катионов возможно проявление их нуклеофильных свойств по отношению к определенным веществам. Отсюда и предположение о механизме возможной реакции серы и ионной жидкости. Получилось, что, интегрировав знания по химии серы и химии ионных жидкостей, мы получили совершенно новые результаты, ранее не описанные», — рассказал один из авторов работы, сотрудник РХТУ Ефрем Кривобородов.

Эксперименты российских химиков соответствовали принципам «зеленой химии» — направления, нацеленного на усовершенствование химических процессов для большей экологичности. Они проходили при комнатной температуре, без дополнительного подвода энергии и с безопасным растворителем.

Сперва ученые расплавляли серу в бензоле, а затем в раствор добавляли ионную жидкость. Компоненты перемешивались на магнитной мешалке. Отрицательно заряженные анионы ионной жидкости нуклеофильно присоединялись к цепочке атомов серы, раскрывая серное кольцо. Ученые использовали метод ядерно-магнитного резонанса, чтобы идентифицировать в растворе полимерную серу.

«Этого оказалось достаточно, чтобы охарактеризовать состав продукта и подтвердить предположение о механизме реакции. Также мы еще провели теоретические вычисления (квантово-химические расчеты), которые подтвердили наши предположения. В дальнейших исследованиях будем варьировать концентрации реагентов для определения кинетики реакции», — пояснил Кривобородов.

Ученые подсчитали, что такой способ синтеза серьезно уменьшает энергозатраты на получение высокомолекулярных серосодержащих соединений. В дальнейшем химики планируют разработать на основе этого метода новые способы создания органических полимеров, отвечающие принципам зеленой химии.

Эксперимент позволил также глубже исследовать фундаментальные свойства ионных жидкостей, в частности их способность вступать в реакцию с другими простыми веществами и устойчивость под воздействием излучения высоких энергий. Ученые отмечают, что новая технология может быть востребована в производстве для безопасной переработки элементной серы в отвалах, которые скапливаются сотнями тысяч тонн на предприятиях очистки нефти и природного газа, загрязняя окружающую среду.