Исследователи разработали катализатор, который эффективно конвертирует толуол в полезные интермедиаты промышленного органического синтеза в ходе гораздо более экологически безопасного процесса, чем существующие ныне методы. Возможно, что в будущем новая методика сможет быть использована в промышленности.
Исследователи из группы Грэма Хатчинса (Graham Hutchings) из Университета Кардиффа разработали процесс конверсии толуола в бензиловый эфир бензойной кислоты. Новый процесс катализируется наночастицами из золото-палладиевого сплава, нанесенными на подложку из углерода (Au-Pd/C) или оксида титана (Au-Pd/TiO2). Реакция, протекающая в мягких условиях и без растворителя, отличается высокой селективностью и позволяет получать бензиловый эфир бензойной кислоты с выходом 95%.
Бензиловый эфир бензойной кислоты представляет собой интермедиат различных химических процессов, он может применяться в фармацевтике, для производства растворителей, пластификаторов и парфюмерных изделий. Однако, существующие методы получения этого соединения осложняются использованием реагентов, наносящих вред окружающей среде или низкими выходами целевого продукта.
Получение коллоидных частиц размером 3-4 нм, содержащих одновременно золото и платину, с последующим их нанесением на углерод или оксид титана позволило исследователям получить модифицированную версию палладий-золотого катализатора, старые модификации которого уже зарекомендовали себя как катализаторы окислительных процессов.
Хатчинс поясняет, что обычные катализаторы на основе системы Au-Pd содержат наночастицы с размером 6-20 нм, однако именно уменьшение их размера является ключом для успешного синтеза бензилбензоата с помощью нового способа. Исследователь поясняет, что в его группе получен первый гетерогенный катализатор на основе наночастиц, который сочетает высокие выходы целевого продукта с эффективной активацией связи C-H и хорошей селективностью.
Исследователями предлагается следующий механизм реализации каталитического цикла – в результате окисления толуола на катализаторе образуются бензиловый спирт, который окисляется до бензальдегида. Бензальдегид реагирует с бензиловым спиртом с образованием гемиацеталя, который затем и окисляется до бензилбензоата, практически не образуя побочных продуктов.
Исследователи также обнаружили, что твердая подложка, на которую наносится катализатор, также оказывает влияние на протекание каталитической реакции. Так, активность системы Au-Pd/C почти в два раза выше в сравнении с системой Au-Pd/TiO2, при этом исследователям удалось выяснить причины различия активности, проведя исследование его морфологии с помощью электронной микроскопии.
Было обнаружено, что наночастицы Au-Pd на подложке из TiO2 образуют большие участки с практически идеально плоской поверхностью, в то время как наночастицы на углеродной подложке образуют менее упорядоченную поверхность, содержащую большое число граней, и дефектов поверхности. Различную активность двух каталитических систем можно объяснить, предположив, что эти грани являются активными центрами, на которых протекают каталитические процессы.
