Палладий под «зонтиком»: новые катализаторы для синтеза полимеров

Российские ученые разработали новую серию высокоактивных и стабильных на воздухе палладиевых комплексов для синтеза полимеров. Эти комплексы позволяют управлять длиной полимерных цепочек в зависимости от прочности связи между палладием и фосфором, а также работают при более высоких температурах по сравнению с существующими аналогами. Благодаря своим уникальным свойствам новые катализаторы будут полезны при создании устойчивых к температурам и химикатам материалов для оптоэлектроники и других высокотехнологичных применений.

В аэрокосмической отрасли, микроэлектронике и других динамично развивающихся сферах особенно востребованы полимеры с высокой прозрачностью и устойчивостью к нагреванию и химическим воздействиям. Такими свойствами обладают материалы на основе замещенных норборненов. При этом чем длиннее полимер — цепочка из молекул, — тем материал оказывается прочнее и эластичнее, а потому он становится удобнее для формирования тонких полимерных пленок.

Однако создавать термически и химически стойкие полимеры на основе замещенных норборненов довольно сложно. Обычно для этого используют катализаторы, состоящие из нескольких компонентов. Работать с ними неудобно, потому что нужно учитывать условия для каждого отдельного компонента, что усложняет процесс и требует много внимания.

Исследователи из Института нефтехимического синтеза (ИНХС) имени А. В. Топчиева РАН (Москва) с коллегами получили серию из 11 новых катализаторов на основе палладия. Химики впервые объединили в одном комплексе три важных компонента: сам палладий, фосфиновый лиганд (фосфорсодержащую органическую молекулу) и карбеновый лиганд. Последний образует над палладием прочный и элегантный «зонтик», не давая ему вступать в ненужные реакции и позволяя выполнять только те, что нужны ученым. Благодаря этому «зонтику» палладий становится более избирательным и точным, словно искусный дирижер, управляющий сложным оркестром химических превращений. Такие комплексы оказались очень активными и при этом стабильными. Более того, новые катализаторы упрощают получение полимеров: они, в отличие от большинства аналогов, легко работают даже при контакте с воздухом, и поэтому синтез не требует дорогостоящего оборудования.

Работа с полученными катализаторами

Евгения Бермешева

Полученные комплексы интересны еще тем, что позволяют регулировать процесс полимеризации. Если, например, использовать катализатор, в котором фосфин слабо связан с палладием, полимеризация будет проходить быстрее. Это можно сравнить с тем, что мотор запустить легче, когда его детали соединены относительно свободно. Если же фосфин прочно связан с палладием, полимеризация идет сложнее, но получаются полимеры с высокой молекулярной массой.

Таким образом, ученые могут управлять свойствами получаемых материалов, выбирая, что им важнее: скорость полимеризации или длина цепочек. Кроме того, по сравнению с другими известными катализаторами новые комплексы могут работать при температурах до 100 °C и позволяют получать более длинные цепи полимера, что придает материалу лучшие механические свойства.

«В дальнейшем мы планируем детальнее изучить принцип действия полученных катализаторов, чтобы понять, как именно происходит процесс полимеризации с их участием. Это позволит нам не только усовершенствовать существующие подходы к их синтезу, но и разработать новые материалы с улучшенными свойствами, которые будут отвечать требованиям современных аэрокосмических, микроэлектронных и других передовых отраслей. Такой подход откроет новые возможности для создания высокотехнологичных решений, устойчивых к экстремальным условиям эксплуатации», — рассказывает руководитель проекта Евгения Бермешева, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории химии нефти и нефтехимического синтеза ИНХС РАН.

В исследовании принимали участие сотрудники Российского университета дружбы народов им. Патриса Лумумбы, Института элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН и Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка).

Ранее ученые разработали полимерные мембраны для эффективного разделения азота и углекислого газа. Предложенный материал будет полезен при очистке выбросов, попадающих в атмосферу при работе теплоэлектростанций и других промышленных предприятий.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Catalysis.

По материалам пресс-службы РНФ