Российские ученые создали метод синтеза силиконов в микрофлюидных реакторах

Масштабирование и реализация процесса получения силиконов в проточном режиме с высокой эффективностью и сокращение время- и трудозатрат стало возможным в результате совместного исследования коллективов Южного федерального университета (ЮФУ) и Российской академии наук (РАН), 23 сентября сообщает пресс-служба ЮФУ.

Результатом исследования стала разработка метода, объединившего гетерофазный (бифазный) катализ и микрофлюидные технологии, что позволит создавать полностью автоматизированное малотоннажное производство широко востребованных промышленностью силиконовых материалов, которые используются и в сельском хозяйства, и в авиации.

Получают силиконы и органосиланы с помощью одной из важнейших реакций в кремнийорганической химии — гидросилилирования. Однако эта реакция требует дорогих платиновых катализаторов. При этом платину сложно потом отделить от конечного продукта. В настоящее время 30% затрат силиконовой промышленности идут на платину.

Ранее коллектив ученых из Института элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова (ИНЭОС) РАН, Института нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева (ИНХС) РАН и МГУ разработал для гидросилилирования устойчивую и удобную для производителей гетерофазную (бифазную) каталитическую систему.

В ней источником каталитически активной платины служит простая и доступная соль платины (K₂PtCl₄), а растворителем (фазы) является дешевый этиленгликоль. Высокая гидрофильность такого катализатора позволяет ему не смешиваться с высоко гидрофобными реагентами и продуктами (подобно системе вода-масло), а реакция проходит на границе раздела фаз. При этом отделять катализатор от продукта можно обычным декантированием, отделяя твердый продукт от раствора катализатора.

Руководитель группы ИНОЭС РАН и ИНХС РАН Ашот Арзуманян рассказал, что ранее ими были предложены гетерофазные каталитические системы для гидросилилирования, объединяющие высокую активность гомогенных катализаторов и рециклизуемость гетерогенных. Это позволило проводить не менее 40 рециклизаций такого катализатора при комнатной температуре и атмосферном давлении.

Однако периодическая рециклизация требует больших время- и трудозатрат. Также проблемы тепло- и массопереноса, проявляющиеся в таких многофазных системах, создают сложности для масштабирования процесса. «Эти проблемы уже являются больше техническими и физическими. Поэтому одним из наиболее многообещающих подходов для их решения является применение проточных микрореакторов и автоматизация процесса», — пояснил Арзуманян.

Повышения эффективности процесса синтеза силиконов можно добиться, если увеличить площадь контакта двух фаз катализатора и реагентов и автоматизировать процесс отделения и повторного использования платины. Этого можно добиться, используя микрофлюидные реакторы.

Они представляют собой очень узкие капилляры диаметром менее миллиметра, в которых организованно движутся в растворе реагентов капли катализатора, объем которых составляет меньше микролитра. При этом площадь контакта фаз на порядок больше, чем в случае простого перемешивания реагентов с катализатором.

При производстве таких реакторов используются современные аддитивные технологии. Сложная геометрия микроканалов в реакторе, размеры которого не превышают спичечный коробок, формируется методом DLP-печати: на фотополимерную смолу воздействуют сфокусированным УФ пучком.

Разрабатывают такие микрофлюидные реакторы для нужд науки и промышленности ученые Международного исследовательского института интеллектуальных материалов (МИИИМ) ЮФУ.

Для контроля процесса синтеза в проточном режиме был необходим мониторинг выхода конечного продукта в режиме реального времени. Исследователи решили использовать для этих целей конфокальную Рамановскую микроскопию.

«Благодаря короткому времени измерения, простоте и высокой чувствительности Раман спектроскопии мы использовали ее для in situ мониторинга реакции. При этой методике вещество прямо в чипе или в трубке на выходе из реактора облучают лазером», — пояснил научный сотрудник МИИИМ ЮФУ к. ф.-м. н. Андрей Терещенко.

Научный сотрудник ИНЭОС РАН и ИХС РАН Ирина Гончарова уточнила: «Такой метод — важный шаг для возможности многократного использования катализатора. Дело в том, что они не могут работать бесконечно, поэтому в реальных процессах нужно отслеживать их конверсию в каждом цикле».

Однако ручной отбор проб и их анализ занял бы времени больше, чем сама реакция. Отсюда вытекает важность непрерывного анализа внутри реактора для создания автономной установки, который и обеспечила конфокальная Рамановская микроскопия.

«Разработанные решения применимы и для других многофазных химических процессов, в том числе для производства ряда мало- и крупнотоннажных продуктов», — подчеркнул руководитель молодежной лаборатории ЮФУ Александр Гуда.

Результаты исследования нового метода авторы представили в статье «Гетерофазное гидросилилирование, катализируемое Pt/EG, в капельной микрофлюидике: спектральный мониторинг и эффективные реакторы, напечатанные на 3D-принтере», опубликованной в Chemical Engineering Journal (Q1, IF=13.3).