Químicos sintetizan un nuevo catalizador para el procesamiento de petróleo y gas

Un equipo de científicos del Instituto de Investigación de Química (RIC) de la Universidad RUDN y colegas de los principales centros científicos han creado un nuevo catalizador, una sustancia que activa los procesos de oxidación en los componentes de baja reactividad del petróleo y el gas. El nuevo método de procesamiento de hidrocarburos producirá de manera eficiente sustancias orgánicas valiosas, tales como ácidos y alcoholes, utilizando una reacción que requiere solo un calentamiento menor y no aumenta la presión. Los resultados del trabajo del equipo se publicaron en el Journal of Organometallic Chemistry.

"Los catalizadores que hemos creado contienen silicio (o germanio) y metal (cobre, hierro, cobalto, etc.). Pueden romper fácilmente los enlaces entre átomos de carbono e hidrógeno tanto en hidrocarburos saturados como insaturados (los componentes principales de petróleo y gas) y convertirlos en productos valiosos: alcoholes, ácidos y éteres. Este es un tema de actualidad: algunos trabajos sobre la activación de enlaces carbono-hidrógeno fueron preseleccionados para el Premio Nobel de Química 2017 ", dice Alexey Bilyachenko, uno de los coautores del trabajo.

En el curso de su trabajo, los investigadores aplicaron métodos sintéticos usando las capacidades del silicio orgánico y derivados de germanio para formar estructuras tridimensionales inusuales que incorporan átomos de diferentes metales. Estos compuestos estructurales son solubles en disolventes orgánicos que aumentan la actividad de una partícula catalítica. Además, la estructura de la matriz determina la dirección del ataque del "catalizador" (por ejemplo, la oxidación de una molécula orgánica está dirigida a ciertas posiciones de una molécula de reactivo).

Los catalizadores descritos en el trabajo se clasifican como silsesquioxanos metálicos prismáticos. Estos compuestos consisten en una capa intermedia que contiene metal ubicada entre dos capas de ciclo que contiene silicio. Cada átomo de silicio está conectado a un sustituto orgánico.

Las características estructurales y la nuclearidad de los silsesquioxanos metálicos (es decir, el número de átomos metálicos en el compuesto) dependen en gran medida de las condiciones de síntesis y causan ciertas dificultades para los investigadores. Uno de los resultados principales del trabajo del equipo es determinar los componentes necesarios de una mezcla reactiva que permite obtener un producto final con un cierto número de átomos de metal, determinando así las propiedades adicionales de un catalizador. A saber, los investigadores mostraron la posibilidad de producción dirigida de productos pentanucleares cuando se sintetizan compuestos que contienen iones de cobre, cobalto y níquel con el uso de un conocido compuesto heterocíclico piridina. Notablemente, los productos formados en otros sistemas eran hexanucleares.

Otro descubrimiento importante fue la estabilidad de la rara estructura pentanuclear en el curso de la transición de la materia sólida a una solución. Se demostró a través del ejemplo de un compuesto que contiene cobre. Después de reemplazar la piridina con dimetilformamida, un solvente que se usa ampliamente en el trabajo de laboratorio, los investigadores determinaron (usando investigaciones de XRD) que tanto el origen como los compuestos objetivo tenían la misma estructura pentanuclear. Esto indica una estabilidad bastante alta del compuesto estructural que es importante para extender el período de actividad de un catalizador en una solución.

Los experimentos catalíticos presentados en este trabajo muestran que un compuesto que contiene cobre pentanuclear es eficaz en el catalizador homogéneo de la oxidación de alcohol secundario (a cetonas) y alcanos (a hidroperóxidos de alquilo) con el uso de peróxidos. En particular, estas reacciones tienen lugar en condiciones suaves, es decir, después de un calentamiento menor y sin aumento de la presión. Los métodos descubiertos de procesamiento de petróleo y gas por medio de la activación de hidrocarburos con compuestos que contienen metal tienen una ventaja obvia sobre las tecnologías usuales de craqueo y pirólisis que requerían costosos equipos resistentes a la temperatura y la presión.

"Obviamente, los nuevos métodos de procesamiento abren numerosos prospectos tanto para la ciencia académica fundamental como para la aplicación práctica", dice Alexey Bilyachenko, subdirector del Instituto de Investigación de Química de la Universidad RUDN.

Fuente: Alexey N. Bilyachenko et al, Family of penta- and hexanuclear metallasilsesquioxanes: Synthesis, structure and catalytic properties in oxidations, Journal of Organometallic Chemistry (2017). DOI: 10.1016/j.jorganchem.2017.10.033