Предложенный метод базируется на принципах и подходах зеленой химии и может стать альтернативой традиционному окислению бетулина с применением токсичных реагентов. Результаты работы специалистов лаборатории «Химическая инженерия и молекулярный дизайн» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий опубликованы в журнале Molecular Catalysis (Q1; IF:5,089).
Бетулин — органическое вещество, входящее в состав растительных оболочек и защищающее растения от повреждающих факторов окружающей среды: радиации, бактерий, грибков, вирусов, насекомых. На его основе можно получать такие ценные биологически активные вещества как бетулон, бетулиновый и бетулоновый альдегиды, бетулиновая и бетулоновая кислоты. Они представляют большой интерес для косметической, пищевой и фармацевтической промышленности. В том числе в качестве прекурсоров для создания лекарственных препаратов нового поколения.
На сегодняшний день основным способом получения данных производных является окисление бетулина сильными и токсичными окислителями, содержащими хром и марганец. Эти методы, длительные и требующие сложных стадий очистки, что делает их нецелесообразными для крупномасштабного промышленного применения.
Ученые ТПУ предложили альтернативный способ получения оксо-производных бетулина — окисление бетулина воздухом на нанесенных нанометаллических катализаторах.
На данном этапе исследования авторы ответили на актуальные вопросы, связанные с каталитическим поведением нанесенных серебряных катализаторов в жидкофазном окислении бетулина, дезактивацией и реактивацией катализаторов, а также выявили кинетические закономерности процесса. Доказательная база исследования построена на сопоставлении и согласовании таких методов, как просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, спектроскопия диффузного отражения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах, а также на каталитических испытаниях.
«Мы выявили, что сложный характер окисления бетулина, а именно наличие последовательно-параллельных реакций, существенно отражается на кинетических закономерностях. Температура, исходная концентрация бетулина, содержание кислорода в газе-реагенте и загрузка катализатора оказывают существенное влияние на начальную скорость реакции, конверсию бетулина, сходимость массового баланса.
В частности, конверсия бетулина находилась в обратной зависимости от его концентрации, что нехарактерно для реакций первого порядка. В то же время ни один из варьируемых экспериментальных параметров не влиял на распределение продуктов реакции: основным продуктом окисления бетулина во всех случаях был бетулиновый альдегид, затем бетулиновый альдегид и бетулон. Это связано с энергией активации, необходимой для образования данных продуктов», — комментирует младший научный сотрудник лаборатории «Химическая инженерия и молекулярный дизайн» Анна Григорьева.
Также ученые выяснили, что окисление бетулина воздухом на нанесенных серебряных катализаторах протекает по механизму Ленгмюра-Хиншельвуда. Наряду с кинетическими исследованиями был выявлен кумулятивный характер дезактивации катализатора и предложен способ его регенерации.
Совокупность полученных научных результатов в перспективе может стать одной из составных частей комплекса взаимосвязанных технологических процессов, интеграция которых позволит производить из бетулина продукты с высокой добавленной стоимостью.
Сейчас ученые работают над оптимизацией условий процесса и состава катализатора с целью выявить инструменты, позволяющие управлять селективностью процесса, увеличить выход конкретного оксо-производного бетулина и срок службы катализатора.
«Производные бетулина являются продуктами с разной стоимостью и разным назначением.
Наша задача найти способ управлять химическим процессом, что в конечном итоге позволит увеличить выход желаемого продукта. Для этого необходимо продолжить исследование, направленное на разработку состава катализатора и отработку режимов его эффективной работы»,
— комментирует Анна Григорьева.
Исследование проводилось при финансовой поддержке программы Министерства образования и науки Российской Федерации № 075-03-2021-287/6.