Учёные из Сеульского национального университета нашли способ радикально повысить эффективность производства ценных химических веществ, управляя ранее игнорируемым фактором – локальным уровнем pH. Изменив конструкцию реактора, они добились роста доли целевого продукта в реакции с 16% до 97%. Результаты исследования опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
Речь идёт об органическом электросинтезе – методе, где химические реакции запускаются с помощью электричества. Такой подход считается перспективным, поскольку позволяет обходиться без агрессивных и опасных реагентов-окислителей. Однако его эффективность часто была невысокой. Корейские исследователи предположили, что проблема кроется в микроскопической зоне непосредственно у поверхности электродов. В ходе реакции там могут возникать зоны с высокой кислотностью или щёлочностью, даже если в остальном объёме раствора среда нейтральна. Эти локальные изменения pH мешают реакции или разрушают уже образовавшиеся вещества.
Чтобы нейтрализовать этот эффект, команда под руководством профессора Чэюн Рю изменила конструкцию реактора. Учёные сблизили электроды и организовали принудительную циркуляцию жидкого электролита между ними. Поток жидкости не позволяет накапливаться избыточным ионам и выравнивает pH в зоне реакции, создавая оптимальные условия.
Эффективность нового подхода проверили на реакции окисления Байера – Виллигера, которая используется для получения лактонов и эпоксидов. Эти соединения служат сырьём для биоразлагаемых пластиков, полиуретанов, клеев, защитных покрытий и компонентов электроники. Вместо традиционных окислителей учёные использовали кислород, который активировали электрическим током. В оптимизированном реакторе им удалось получить ε-капролактон, мономер для биоразлагаемого полимера, с выходом 82%.
Исследователи отмечают, что их метод не требует высокого давления или нагрева и может быть интегрирован с возобновляемыми источниками энергии. По оценкам авторов, скрытые колебания локального pH могут влиять почти на 90% всех процессов в органическом электросинтезе. Таким образом, предложенный ими принцип контроля микросреды у электродов может найти широкое применение в химической промышленности, сделав производство более чистым и эффективным. Для внедрения в промышленность технологию необходимо масштабировать и дополнительно протестировать.
