Химики из Института элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН, МФТИ и Тульского педагогического университета им. Л. Н. Толстого усовершенствовали метод прямого синтеза тетраалкоксисиланов, отказавшись от использования хлорида меди в качестве катализатора. Проведенные эксперименты показали, что его можно заменить более безопасным оксидом меди. Тетраалкоксисиланы используются как мономеры для дальнейшего производства силиконов и сами по себе в качестве отвердителей кремнийорганических композиций, для изготовления форм для точного литья, пропитки цементирующих составов и других целей. Работа опубликована в журнале Industrial & Engineering Chemistry Research.
Силиконы, или полиорганосилоксаны, являются синтетическими полимерами с основной цепью, состоящей из атомов кремния и кислорода. На периферии цепи присутствуют органические заместители, с помощью которых можно модифицировать свойства полимера в широких пределах. Силиконам присущи хорошие диэлектрические свойства, устойчивость к агрессивным условиям и влажности, а также хорошие гидрофобные свойства. Благодаря этому они активно используются в производстве многих продуктов, например герметиков, смол, устойчивых к высоким температурам и различным погодным условиям, ударопрочных лаков и покрытий, а также модифицирующих добавок. Кроме того, силиконы биологически инертны, так что их можно легко переработать. Однако назвать их «зелеными» мешает технология синтеза.
Группа ученых из ИНЭОС РАН и МФТИ вместе с коллегами нашла способ решить эту проблему, разработав метод прямого синтеза алкоксисиланов. Эти соединения являются альтернативными мономерами для производства силиконов. Традиционно в этой роли выступают органохлорсиланы, а процесс сопровождается выбросом агрессивных отходов. Кроме того, производство самих органохлорсиланов требует больших затрат энергии, а также использования соляной кислоты. Несмотря на то, что HCl при этом используется в замкнутом цикле, его утечка или утечка продуктов реакции может привести к техногенной катастрофе. Алкоксисиланы же обладают низкой токсичностью и меньшей химической реакционной способностью, благодаря чему их можно более безопасно использовать и транспортировать. Но их традиционный синтез тоже недостаточно «зеленый», так как в процессе используются хлорсиланы. Исследователи предложили другой подход: в разработанном ими реакторе алкокисиланы получают из кремния и спирта в присутствии катализаторов.
Антон Анисимов, заведующий лабораторией кремнийорганических соединений ИНЭОС РАН, заведующий кафедрой химической физики функциональных материалов МФТИ, рассказывает: «Мы провели сравнительное исследование каталитических свойств CuCl и CuO при прямом синтезе тетраметоксисилана, а также раздельно исследовали влияние Zn, Sn и Pb на этот процесс».
Наиболее эффективным катализатором оказался хлорид меди, и это поставило перед учеными новую задачу — полностью исключить хлор из процесса. Измеряя давление водорода, который выделяется в ходе реакции кремния и спирта, исследователи выяснили, что при определенной концентрации олова оксид меди работает практически так же эффективно, как и хлорид. При использовании только оксида скорость реакции значительно ниже, однако ученые смогли повысить ее до прежнего уровня, добавив олово.
«Наше исследование показало, что использование оксида меди (II) с добавкой олова позволяет увеличить скорость прямого синтеза тетраметоксисилана до величины, сравнимой со скоростью процесса с CuCl, который является одним из наиболее активных катализаторов синтеза. Дальнейшие эксперименты продемонстрировали, что этот эффект вызван именно действием олова, а не хлора, входящего в состав хлорида. Это открывает доступ к полностью бесхлорному и активному процессу производства тетраалкоксисиланов», — резюмировал Антон Анисимов.
В работе принимали участие ученые из Института элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН, Тульского государственного педагогического университета им. Л. Н. Толстого, Московского физико-технического института, Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева и Института синтетических полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова РАН.
