Een chemicus van de RUDN University heeft een ecologisch veilige methode ontwikkeld om kaneelaldehyde te verkrijgen, een verbinding met antibacteriële en kankerbestrijdende werking. De wetenschapper gebruikte katalysatoren op basis van ijzer- en palladium-nanodeeltjes om de vorming van milieubelastende bijproducten te voorkomen. Deze milieuvriendelijke benadering kan worden uitgebreid tot andere organische verbindingen van de aldehydeklasse die belangrijk zijn voor de geneeskunde, landbouw, en de voedingsindustrie. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Moleculaire Katalyse .

Traditionele methoden voor de oxidatie van alcoholen tot aldehyden en ketonen met chroom en mangaan leiden tot de vorming van een groot aantal schadelijke bijproducten die afzonderlijk moeten worden afgevoerd. Om dit te voorkomen, men kan zachte selectieve oxidatiemiddelen gebruiken, bijvoorbeeld waterstof peroxide. Echter, deze reactie vereist katalyse; zonder het, de opbrengst van het product is niet meer dan 10 procent. Maar bestaande katalysatoren, zoals zilverfosfaat, platina- en palladiumverbindingen, zijn ook giftig of duur. Daarom, de taak om een ​​goedkope, efficiënte en milieuvriendelijke katalysator voor industriële productie van kaneelaldehyde blijft relevant.

Chemici die katalysatoren maken, kunnen verschillende problemen oplossen. Ten eerste, het is noodzakelijk om een ​​hoog rendement te bereiken, dat is, de katalysator moet de reactie van het grootste deel van de in het aanvankelijke mengsel opgenomen reagentia vergemakkelijken. Ten tweede, de katalysator moet zeer selectief zijn - dit betekent dat het aandeel ongewenste bijproducten minimaal moet zijn. Ten derde, de katalysator moet veilig zijn voor het milieu. Al deze problemen zijn relevant voor de oxidatiereacties van alcoholen, die resulteren in de vorming van aldehyden en ketonen, belangrijke verbindingen voor organische synthese, medicijn, parfumindustrie of landbouw.

Het onderzoeksteam onder leiding van RUDN University-chemicus Rafael Luque heeft een effectieve en milieuvriendelijke katalysator voorgesteld voor de synthese van kaneelaldehyde. Deze aromatische verbinding heeft een antibacteriële en anticarcinogene werking en wordt veel gebruikt in de voedingsmiddelen- en parfumindustrie als smaakstof, en in de landbouw als fungicide. Een van de belangrijkste manieren om het te verkrijgen is de oxidatie van cinnamylalcohol.

Luque heeft voorgesteld om katalysatoren te gebruiken op basis van ijzer- en palladium-nanodeeltjes die zijn verkregen door de mechanochemische methode. Deze nanodeeltjes katalyseren de selectieve oxidatie van cinnamylalcohol door waterstofperoxide onder microgolfstraling. Tegelijkertijd, ze zijn milieuvriendelijk en relatief goedkoop.

Echter, om ijzer en palladium als katalysatoren te laten werken, ze moeten worden aangebracht op een geschikt poreus oppervlak:de structuur en chemische eigenschappen ervan bepalen ook de effectiviteit van het hele katalytische systeem. Als zulke matrices, scheikundigen gebruikten verschillende soorten poreuze silicaat- en aluminosilicaatsubstraten, die verschillend omgaan met zuurstof en daardoor leiden tot de vorming van verschillende producten.

Om de effectiviteit van de katalysator te beoordelen, scheikundigen maten de omzettingsgraad, dat is, het percentage alcohol omgezet in aldehyde. Om de selectiviteit van katalysatoren te testen, wetenschappers maten de verhouding van kaneelaldehyde tot een ongewenst bijproduct - benzaldehyde - in het uiteindelijke mengsel. De meest effectieve katalysator was een systeem van ijzeren nanodeeltjes op een zeolietmatrix van aluminosilicaat. De conversieratio daarvoor was meer dan 80 procent - hoger dan die van palladiumkatalysatoren en de oplossing van ijzerzouten.

In dit geval, de katalysator van palladium-nanodeeltjes op een magnetisch silicaatsubstraat overtrof de selectiviteit van alle andere opties. Na gebruik van deze katalysator, het aandeel kaneelaldehyde in het uiteindelijke mengsel overschreed 60%.

Om te begrijpen waarom op ijzer gebaseerde katalysatoren effectiever zijn en op palladium gebaseerde katalysatoren selectiever, de auteurs bestudeerden het onderliggende mechanisme. Ze ontdekten dat de oxidatie van cinnamylalcohol een tussenproduct vormde met een epoxygroep, -daarom, efficiëntere katalysatoren versnellen tegelijkertijd de oxidatiereactie met de vernietiging van de koolstofketen en de vorming van kortere moleculen benzaldehyde, wat de selectiviteit vermindert.

Ondanks het feit dat de hoge efficiëntie van de bestudeerde katalytische systemen geassocieerd is met een afname in selectiviteit, katalysatoren bestaan ​​uit ijzernanodeeltjes op zeolietmatrices hebben beide indicatoren die hoog genoeg zijn voor potentieel gebruik in industriële productie. De auteurs denken dat vanwege de hoge activiteit van dergelijke katalysatoren - voornamelijk gebaseerd op ijzernanodeeltjes - ze niet alleen kunnen worden gebruikt om cinnamylalcohol te oxideren, maar ook om andere verbindingen met een vergelijkbare chemische structuur te oxideren.