Химики 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 с помощью компьютерной модели обнаружили возможности для более «зеленого» использования карбида кальция
Химики-теоретики Санкт-Петербургского университета и Института органической химии РАН имени Н. Д. Зелинского разработали новую стратегию использования карбида кальция в синтезе органических соединений. Исследователи предложили новый подход, основываясь на результатах моделирования взаимодействия карбида кальция с водой и диметилсульфоксидом.
Научная работа опубликована в?журнале Королевского химического общества Chemical Science.
Карбид кальция известен человечеству уже более 150 лет?— это твердое вещество желтовато-белого, бежевого или серого цвета, полученное в?результате соединения кальция с?углеродом. Сегодня карбид кальция используют для получения газообразного ацетилена, который широко применяется в?промышленности?— от?производства уксусной кислоты и?этилового спирта, до?пластмассы, каучука и?ракетных двигателей.
Углерод, необходимый для синтеза карбида кальция, добывается не?оптимальным с?точки зрения концепции устойчивого развития способом?— в?шахтах. В?результате запасы ископаемого ресурса истощаются (не?устойчивый подход), а?над поверхностью земли растет количество углерода. ?Мы?работаем над стратегией углерод-нейтрального цикла производства. В?частности, для получения карбида кальция можно использовать углерод, добываемый при термическом разложении (пиролизе) отходов, а?полученное в?результате вещество?— применять в?промышленности для создания новых соединений?,?— отметил Константин Родыгин, научный сотрудник лаборатории кластерного катализа 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入.
Исследование было поддержано грантом 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 и?проводилось в?рамках проекта по?актуальной химии карбида кальция, которым занимается лаборатория кластерного катализа Университета при участии исследователей из?Института органической химии имени Н.?Д.?Зелинского РАН. Значительная часть моделирования была проведена с?помощью мощностей РЦ??Вычислительный центр? Научного парка 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入.
?Главным вызовом для человечества сегодня является создание промышленных процессов нового поколения, позволяющих получать важнейшие органические соединения и?материалы в?рамках углерод-нейтрального подхода. Особое значение имеет замена ископаемых ресурсов на?возобновляемые и?решение таким образом экологических задач. Как было показано в?наших работах, органический синтез на?базе карбида кальция открывает новые возможности для реализации углерод-нейтральных технологий. Причем ключевое значение имеет понимание химических процессов трансформации карбидных частиц в?химических процессах в?растворе?,?— отметил руководитель лаборатории кластерного катализа 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入, заведующий лабораторией металлокомплексных и?наноразмерных катализаторов Института органической химии имени Н.?Д.?Зелинского РАН академик РАН Валентин Анаников.
Предложить новую стратегию использования вещества химики смогли с?помощью моделирования процессов, возникающих на?уровне атомов и?молекул при взаимодействии карбида кальция с?водой и?растворителем диметилсульфоксидом. Карбид кальция?— это, по?сути, соль, включающая отрицательно заряженные кислотные остатки ацетилена (так называемые ацетиленид-анионы с?зарядом??2) и?положительно заряженные ионы кальция. В?работе исследовались кислотно-основные свойства ацетиленид-анионов, воды и?некоторых других веществ в?растворителе диметилсульфоксиде. В?таком растворителе можно наблюдать необычную ситуацию: взаимодействие ацетиленид-анионов и?воды, называемое гидролизом, идет не?полностью. Образуются анионы с?зарядом??1, которые потом могут вступать в?широкий спектр ключевых для органического синтеза химических реакций.
?После проведения анализа выяснилось, что вместо воды можно использовать и?другие протонирующие вещества для перевода ацетиленида в?раствор, а?в?качестве растворителя для реакций с?карбидом кальция можно искать альтернативные диметилсульфоксиду, еще менее токсичные и?"зеленые" растворители?,?— рассказал соавтор статьи, ассистент Института химии 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 Михаил Полынский.
Таким образом, производство с?участием карбида кальция в?перспективе может стать более ?зеленым? не?только из-за потенциально более безопасных способов добычи углерода, но?и?благодаря возможности карбида кальция вступать в?реакции с?менее токсичными растворителями.
Ассистент Института химии 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 Михаил Полынский
Отметим, что одним из?авторов статьи стала выпускница 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 Мария Сапова, начавшая работу над проектом во?время обучения в?магистратуре. ?Задача меня сразу привлекла: идея комбинации различных расчетных методов открывает большие возможности для моделирования сложных процессов, как, например, процесс растворения в?нашем случае. Эта работа помогла не?просто расширить кругозор, а?выйти за?рамки задач по?моделированию кристаллов, которыми я?занималась, и?почувствовать границы применимости различных методов расчетной химии. Думаю, что такие сложные многоступенчатые подходы в?моделировании должны развиваться дальше: это позволит нам приблизиться к?описанию реальных экспериментов?,?— отметила Мария Сапова.
Как уточнил Михаил Полынский, работа на?данном этапе?— полностью теоретическая и?заключалась в?компьютерном моделировании процесса получения ацетиленидов из?карбида кальция. ?Для моделирования мы?использовали так называемые квантово-химические методы, борн-оппенгеймеровскую молекулярную динамику. В?результате такого моделирования можно сделать короткое молекулярное кино, показывающее, как выглядит движение атомов и?молекул на?очень коротких, пикосекундных временных интервалах?,?— заключил Михаил Полынский.