Химикам: как ферриерит направляет превращение олефинов в органические кислоты

Коротко

Ферриерит направляет превращение олефинов в органические кислоты без металлического катализатора
Из пропилена получили изомасляную кислоту, из этилена — пропионовую
Селективность по изомасляной кислоте оставалась около 95% на протяжении 750 часов
В маломасштабных испытаниях селективность по пропионовой кислоте составила около 80%
Для промышленного применения характеристики процесса ещё предстоит улучшить и оптимизировать

Смесь пропилена, монооксида углерода и воды непрерывно пропускали через ферриерит и получали изомасляную кислоту. По данным Китайской академии наук, селективность реакции держалась около 95% в течение 750 часов. Результат получен в лаборатории, но он показывает, как поры твёрдого материала направляют химическую реакцию без помощи металлического катализатора.

Что сделали

Команда Лю Чжунминя из Даляньского института химической физики Китайской академии наук проверила, можно ли получать органические кислоты из олефинов с помощью молекулярного сита. Как сообщает Китайская академия наук, результаты опубликовали в Nature 21 октября 2026 года.

Исследователи провели с участием воды два превращения: из пропилена получили изомасляную кислоту, а из этилена — пропионовую. Металлические катализаторы и органические лиганды для этого не понадобились. Подходящим материалом оказался ферриерит, цеолит со структурой FER.

На разработку ушло почти три года. За это время команда перебрала множество структур молекулярных сит, сообщают китайские научные издания на сайте Китайской академии наук. Оказалось, что имеют значение и сами кислотные центры, и их расположение внутри каналов.

Как это работает

Поры FER можно представить как сеть проходов с посадочными местами разного размера. По данным Китайской академии наук, пропилену подходят активные центры у входов в каналы с десятичленными кольцами, а этилену — центры в восьмичленных кольцах.

На кислотных центрах олефин реагирует с монооксидом углерода и водой. Тесные поры направляют карбонилирование, то есть присоединение углеродсодержащей группы, и мешают олефинам полимеризоваться. Эта побочная реакция может быстро вывести катализатор из строя.

Активные центры исследовали с помощью твердотельного ЯМР, инфракрасной спектроскопии, кинетических экспериментов и расчётов по теории функционала плотности, сообщает «Китайская научная газета». Результаты разных методов помогли связать геометрию каналов с тем, каким реагентам и центрам подходит реакция.

У процесса есть и практическое преимущество: твёрдый катализатор и продукты находятся в разных фазах. По данным Китайской академии наук, благодаря этому смесь проще разделить, а катализатор извлечь, чем в жидкофазных системах.

Кристалл ферриерита и лабораторная посуда

Цифры и цена

В непрерывном испытании селективность по изомасляной кислоте оставалась около 95% на протяжении 750 часов, сообщает «Китайская научная газета». Этот показатель отражает, какая доля превращённого сырья идёт на нужный продукт, а не на побочные соединения.

Для пропионовой кислоты в описанных маломасштабных испытаниях селективность составила около 80%, по данным издания «Китайская молодёжь». Это результат другой реакции, и смешивать его с показателем для изомасляной кислоты не следует.

Цену катализатора, сырья и готовой технологии в материалах не указали. Поэтому сравнить экономику процесса с существующими способами производства пока нельзя.

У команды уже есть опыт переноса молекулярных сит в промышленность. В 2017 году она применила их для карбонилирования диметилового эфира при производстве безводного этанола, сообщает «Китайская молодёжь». Но этот опыт ещё не доказывает, что новую схему получения кислот можно использовать в промышленном масштабе.

Где подвох

Публикация описывает маломасштабные испытания. Чжу Вэньлян отмечает, что перед промышленным применением характеристики процесса ещё предстоит улучшить и оптимизировать, сообщает «Китайская научная газета». Данных о промышленном выпуске кислот по этой технологии нет.

Длительная работа при высоком давлении ставит перед инженерами отдельную задачу: реагенты нужно стабильно подавать, противодавление поддерживать, а всю установку удерживать в рабочем состоянии. На эту сложность участники исследования указывают в материале «Китайской молодёжи».

Есть и химическое ограничение. Олефины склонны полимеризоваться на кислотных центрах молекулярного сита, из-за чего катализатор теряет активность. Подавить эту реакцию было одной из ключевых задач команды, сообщает «Китайская научная газета». Испытание на протяжении 750 часов обнадёживает, но само по себе не отвечает на вопросы о производительности, стоимости и сроке службы катализатора в промышленной установке.

А что в России

Прямых аналогов китайской технологии получения органических кислот на безметалльном катализаторе в России не найдено. Данных о продаже китайской разработки в России тоже нет.

Ближайшие российские проекты решают другие задачи. В Тульской области компания «Органические кислоты» строит производство лимонной и молочной кислот по традиционной биотехнологической схеме; полностью ввести его заявлено до 2027 года.

В Санкт-Петербургском государственном университете с 2023 года разрабатывают органокатализаторы для химико-фармацевтических производств, но проект пока находится на научно-исследовательской стадии. В Томском государственном университете изучают катализатор с биметаллическими наночастицами для получения молочной кислоты из глицерина; промышленного внедрения нет. Тематика этих работ близка китайскому исследованию, однако ни одна из них не повторяет описанный процесс.

Какой вопрос о промышленном применении этой технологии вам интереснее всего?

Вечерняя дорожка у исследовательского кампуса