Наблюдения за механохимическим синтезом могут подстегнуть развитие «зелёной» химии
Растворители, широко применяемые в химической промышленности, представляют серьёзную опасность для здоровья человека и окружающей среды. А потому всё больше внимания уделяется механохимии, использующей высокоэффективное перетирание в качестве движущей силы реакций и обходящейся вовсе без растворителей. Поскольку перемалывание заключается в интенсивном соударении стальных шаров, помещённых вместе с реагентами в быстро движущиеся реакционные «стаканы», наблюдение за протекающими при этом процессами становится очень трудной задачей. Исследование, проведённое в Университете Макгилла (Канада), стало первым, в котором удалось изучить в реальном времени химическую реакцию, проходящую в условиях перемалывания. Для этого было использовано рентгеновское излучение, позволившее обнаружить быстро протекающие трансформации с образованием сложных продуктов. Результаты работы могут открыть в «зелёной химии» новые возможности и условия для экологически чистого синтеза.
Получение ZIF-8 механохимическим методом (иллюстрация Nature).
В то время как механическое воздействие способно разрушать химические связи, те же механические силы могут использоваться для синтеза новых химических соединений и материалов. В последние годы шаровые мельницы получают всё большее распространение при производстве сложнейших химических структур. При проведении подобных работ стальные шары встряхиваются вместе с реагентами и катализаторами в быстро вибрирующих больших ёмкостях. Химические превращения происходят в точках соударения двух шаров, где энергия удара вызывает резкий скачок локальной температуры и давления. Такую ситуацию трудно смоделировать, а потому без мгновенного доступа к данным мониторинга протекания реакции механохимия во многом остаётся «вещью в себе».
Вот почему основной упор канадцы сделали на разработку метода наблюдения за протеканием механохимической реакции, позволяющего получать данные в реальном времени. Исследователи изучали механохимическое получение сложного металлорганического каркаса ZIF-8 из простейших и нетоксичных веществ. Материалы, подобные ZIF-8, весьма популярны благодаря их способности к захвату больших количеств CO2 и ускорению определённых химических превращений.
Чтобы добиться результата, авторы применили высокоэнергетические рентгеновские лучи, способные проникать сквозь трёхмиллиметровые стенки быстро движущихся реакционных сосудов, выполненных из стали, алюминия и пластика. На самом деле в данном случае луч должен не только «попасть» внутрь реакционного стакана, чтобы прозондировать образование ZIF-8, но и вернуться, пройдя сквозь те же стенки для передачи информации. Словом, без помощи Европейского синхротронного ускорительного центра в Гренобле (Франция) у канадцев, наверное, ничего не получилось бы. Вместе с французами авторы работы создали уникальную методологию, позволяющую наблюдать за механохимическими реакциями здесь и сейчас, получая детальную информацию о кинетике, реакционных интермедиатах и т. п.
