Как получить эффективный катализатор окисления

Приготовление цеолитных катализаторов для нужд химпрома представляет собой очень сложную и трудновоспроизводимую процедуру, что делает промышленное применение таких катализаторов нерентабельным. В Федеральном технологическом институте ETH Zurich (Швейцария) разработан куда более удобный двухстадийный процесс, позволяющий с лёгкостью синтезировать катализаторы со структурой цеолита в промышленных масштабах.  Цеолиты представляют собой твёрдые кристаллические порошки, характеризующиеся необычайно высокой пористостью на уровне кристаллической структуры. Подобно другим типам гетерогенных катализаторов, они способны ускорять определённые реакции и (или) направлять их в сторону образования желаемых продуктов. В рассматриваемой работе была создана методика синтеза цеолитного катализатора, ускоряющего реакции окисления органических субстратов. Такие катализаторы особенно востребованы при промышленном производстве лактонов из кетонов (реакция Байера — Виллигера).

Процесс начинается с вымывания алюминия в кислой среде с образованием вакансий, которые затем заполняются при обработке подготовленного цеолита раствором ацетата олова. (Иллюстрация Wiley-VCH.)

Прямое получение лактонов — затратный и долгий процесс, поскольку побочными продуктами таких реакций являются кислоты, катализирущие раскрытие лактонового кольца. Присутствие же в реакционной смеси оловосодержащих цеолитов позволяет использовать в качестве окислителя простой пероксид водорода, и тогда единственным побочным продуктом будет безвредная вода. Однако этот чудодейственный метод так до сих пор и не принят промышленностью, поскольку нуждается в слишком специальных неприродных цеолитах, на синтез которых уходит по меньшей мере 40 дней. Но хуже всего то, что этот невероятно долгий процесс практически не поддаётся контролю и в любой момент может дать осечку.

Швейцарские учёные пошли совсем другим путём. Вместо традиционного синтеза нужного цеолита с нуля с использованием оксидов кремния, алюминия и олова они решили использовать в качестве отправной точки природный алюмосиликатный цеолит, который в два шага был трансформирован в оловосодержащий материал. Сначала нужное количество атомов алюминия удалили из сырого алюмосиликатного цеолита вымачиванием в кислом растворе при нагревании, а затем образовавшиеся вакансии заполнили атомами олова в результате обработки подготовленного цеолита раствором соли олова в течение всего 15 минут. Анализ готового продукта показал гораздо более высокое содержание олова, чем в случае веществ, полученных классическим методом прямого синтеза. Благодаря последнему обстоятельству такой цеолит обладает значительно более высокой каталитической эффективностью, что позволяет начать разработку промышленного крупнотоннажного производства полилактида из растительного сырья. Последний используется в качестве исходного материала при изготовлении полимерной упаковки.