Российские химики продемонстрировали, как с помощью аддитивных технологий, или 3D-печати, изготавливать в лаборатории фотореакторы для тонкого органического синтеза. Устройства позволяют проводить ряд важных реакций, требующих стабильной температуры и облучения светом определенной длины волны. Развитие этого подхода поможет ускорить и удешевить внедрение уникального оборудования в научную практику.

Результаты проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Scientific Reports.

Модель, иллюстрирующая одновременное проведение нескольких экспериментов с использованием компактных металлических фотореакторов (слева) и фотохимический синтез большого количества вещества в реакторе, изготовленном в лаборатории методом наплавления термопластичного полимера (справа). Источник: Евгений Гордеев

Аддитивные методы производства, известные как 3D-печать, активно используются во многих областях машиностроения, медицины, науки и образования. Сегодня сложно найти такую сферу материального производства, в которой не нашлось бы эффективного применения 3D-печати. Огромный потенциал аддитивных методов обусловлен их высокой универсальностью, почти полной безотходностью, многообразием используемых конструкционных материалов и во многих случаях относительной простотой использования, не требующей специальной инженерной квалификации.

Российские ученые из Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН (Москва) успешно внедрили 3D-печать в научную работу химической лаборатории. Коллектив молодых исследователей из лаборатории металлокомплексных и наноразмерных катализаторов под руководством академика Валентина Ананикова спроектировал и изготовил компактные универсальные фотореакторы для проведения тонкого фотохимического синтеза, позволяющего получать ряд ценных органических соединений.

Реакторы были изготовлены методом селективного спекания металлического порошка и методом наплавления термопластичного полимерного материала. Первый подход позволяет получать сложные изделия из разнообразных металлических сплавов, тогда как второй зарекомендовал себя как недорогой и эффективный способ производства изделий из множества термопластичных пластиков и композиций на их основе.

Полученные в проекте фотореакторы имеют ряд преимуществ перед традиционным фотохимическим оборудованием: они могут быть адаптированы к источникам света различной длины волны, характеризуются невысокой стоимостью, особенно при использовании пластиков, допускают быстрое внесение изменений в конструкцию. Последняя особенность является одним из принципиальных преимуществ 3D-печати: реактор с новым, более оптимальным дизайном может быть изготовлен прямо в химической лаборатории в течение одного рабочего дня и сразу испытан в эксперименте.

Авторы показали, что металлические реакторы из нержавеющей стали могут применяться для проведения серийных экспериментов с различными химическими субстратами или фотокатализаторами. Фотореакторы из пластика, отличающиеся от металлических значительно большим объемом, дают возможность масштабирования органического синтеза для получения продуктов в значительных количествах.

Оба типа реакторов могут поддерживать заданную температуру, что имеет важное значение для увеличения выхода и селективности химического синтеза, то есть в процессе будет образовываться преимущественно целевой продукт, а не побочные соединения. Эффективность нового оборудования была продемонстрирована на примере ряда важнейших химических реакций образования связей углерод-углерод и углерод-сера.

«Мы ожидаем, что наша разработка войдет в повседневную лабораторную практику в ближайшем будущем. Аддитивное производство открывает большие возможности для создания нового химического оборудования непосредственно в химической лаборатории», — рассказывает руководитель проекта по гранту Юлия Бурыкина, кандидат химических наук, ведущий сотрудник Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН.