Органические вещества азотсодержащие гетероциклы используют в химической и медицинской промышленности. Их производят с помощью катализаторов из дорогостоящих благородных металлов. Химик РУДН создал нанокатализатор для азотосодержающих гетероциклов, который состоит из оксида цинка и ниобия, а получается с помощью апельсиновой кожуры без дополнительных химикатов. Он позволяет достичь почти 100% эффективности реакции и делает производство гетероциклов эффективнее и дешевле.

Азотсодержащие гетероциклы — органические вещества, которые используются как красители, для производства пластмасс, лекарственных препаратов (хинин, морфин, пирамидон). В синтезе азотсодержащих гетероциклов применяют катализаторы на основе дорогостоящих благородных металлов — например, золота, палладия, иридия.

Попытки использовать не благородные металлы безуспешны — такие катализаторы оказываются или низко эффективными, или нестабильными. Химик РУДН создал нанокатализатор на основе «обычных» металлов ниобия и цинка, который позволяет получать азотосодержащие гетероциклы из биомассы с почти стопроцентной эффективностью. Исходным веществом, или платформенной молекулой, химики выбрали левулиновую кислоту.

«Левулиновая кислота, которая легко получается из биомассы, — одна из 10 самых перспективных платформенных молекул. Превращение левулиновой кислоты в азотсодержащие гетероциклы стало весьма привлекательной темой в последние несколько лет благодаря замечательной способности гетероциклов служить и в фармацевтической, и в агрохимической, и в полимерной промышленности», — Рафаэль Луке, PhD, руководитель научного центра «Молекулярный дизайн и синтез инновационных соединений для медицины» РУДН.

Химики создали нанокатализатор механохимическим способом — то есть простым перемешиванием в специальной мельнице, без растворителей и других дополнительных веществ. Основой, на которой формировался катализатор, стала апельсиновая кожура. В камеру мельницы поместили заранее перемолотую апельсиновую кожуру, безводную форму ацетата цинка и 18 стальных шариков диаметром 1 см. В течение 20 минут «смесь» перемешивали с частотой 350 оборотов в минуту, а затем нагревали в течение 2 часов при температуре 200℃. В результате получились наночастицы оксида цинка.

Роль апельсиновой кожуры заключалась в том, чтобы собрать на своей поверхности ацетат цинка и помочь образовать переходные соединения. При обжиге остатки кожуры частично удалились из смеси. Затем получившиеся наночастицы оксида цинка с помощью мельницы соединили с содержащими ниобий частицами так, чтобы концентрация металла в итоговом катализаторе была от 2,5 до 10%.

Химики проверили действие нанокатализатора в реакции превращения левулиновой кислоты в азотосодержащий гетероцикл. Химики РУДН подобрали оптимальный состав, при котором нанокатализатор работает эффективнее всего — 10% от массы катализатора должен занимать ниобий, 90% — оксид цинка. При таком составе почти вся (94,5%) левулиновая кислота превращается в желаемое вещество практически без побочных продуктов — 97,4% продуктов выхода составили азотосодержащие гетероциклы.

«Эта работа иллюстрирует возможность производства ценных соединений из биоотходов — нужно только „поиграть“ со структурой катализатора. Использование органических отходов в сочетании с экологически чистыми процедурами дает альтернативу нынешней химической промышленности, которая сейчас сильно зависит от ископаемого топлива», — Рафаэль Луке, PhD, руководитель научного центра «Молекулярный дизайн и синтез инновационных соединений для медицины» РУДН.

Результаты опубликованы в журнале Catalysis Today.