Как синтез-газ поможет удешевить и сделать более эффективным производство лекарств и удобрений

Фото: Принцип работы синтез-газа и водорода в качестве восстановителя. Источник: Олег Афанасьев.
Ранее реакции восстановления — важные превращения при синтезе лекарств и удобрений — проводили с помощью чистого водорода, но предложенная авторами альтернатива оказалась гораздо более успешной. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале ACS Catalysis.

Водород способен легко отдавать электроны, благодаря чему участвует в самых разных химических превращениях. В них он наполняет своими электронами другие молекулы, разрывая часть связей внутри них. Эти молекулы, в свою очередь, восстанавливаются, принимая от него отрицательно заряженные частицы. Например, уксусная кислота, отдав кислород и получив электроны, становится этиловым спиртом — веществом с совершенно другими свойствами. Подобные реакции восстановления широко используются в химической промышленности и фармацевтике. Так, взаимодействие водорода с азотом используют при производстве удобрений, а восстановительное аминирование — присоединение азотсодержащего фрагмента (аминогруппы) к различным молекулам — при синтезе каждого пятого лекарства.

Несмотря на удобство водорода в качестве восстановителя, или, другими словами, «поставщика» электронов, его использование часто связано с рядом ограничений. Например, это соединение разрушает некоторые катализаторы, а также имеет низкую избирательность, то есть в реакции водород может разорвать связи и отдать свои электроны не только тому фрагменту молекулы, которой они необходимы. Чтобы избежать подобных побочных эффектов, ученые ищут альтернативные восстановители. Один из наиболее перспективных на сегодняшний день — угарный газ (СО). Он более избирателен, чем водород, но не такой активный.

Ученые из группы эффективного катализа Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН (Москва) предложили проводить реакции восстановления с помощью синтез-газа — смеси водорода и угарного газа. Эта комбинация не только позволила совместить высокую активность первого компонента и избирательность второго, но и привела к синергическому эффекту, в частности, обеспечила гораздо большую производительность, чем при использовании каждого из восстановителей по отдельности.

Авторы на практике проверили эффективность предложенного восстановителя в реакции аминирования органических соединений. Оказалось, что метод позволяет получить только чистый желаемый продукт, тогда как в реакции с использованием водорода его выход составил лишь 8%, а остальные 92% приходились на долю побочных продуктов. Ученые объяснили такие низкие показатели тем, что водород разрушает родиевый катализатор, без которого данная реакция невозможна, в то время как синтез-газ создает благоприятные условия для его эффективной работы.

Чтобы убедиться, что синтез-газ оказывается более эффективным восстановителем, чем водород, и в других химических превращениях, авторы провели еще одну восстановительную реакцию, в которой катализатором был другой металл — рутений. В результате химики получили желаемый продукт — эфир уксусной кислоты — с выходом 64%, тогда как при использовании водорода он не превышал 6%.

«Наше исследование показало, что синтез-газ — в разы более эффективный восстановитель, чем водород. Этот дешевый промышленный полупродукт позволит упростить синтез многих фармацевтических препаратов, сложных удобрений и других промышленно важных соединений. В дальнейшем мы планируем определить оптимальные условия, при которых синтез-газ выполняет свои функции наилучшим образом», — рассказывает Олег Афанасьев, кандидат химических наук, научный сотрудник группы эффективного катализа ИНЭОС РАН.