Жергілікті pH химиялық реакцияның өнімін қалай өзгертеді

Химиялық реакцияға ерітіндінің жалпы қышқылдығы ғана емес, электродтың дәл жанындағы орта да әсер етеді. Сеул ұлттық университетінің инженерлік колледжіндегі химиялық және биологиялық инженерия кафедрасының профессоры Джэюн Рю бастаған зерттеушілер жергілікті pH-ты басқару арқылы қалаулы өнімнің үлесін шамамен 16%-дан 97%-ға жеткізген. Тәжірибеде оттегі мен электр қуаты қолданылып, Бейер–Виллигер тотығуы арқылы лактондар алынған. Зерттеу Journal of the American Chemical Society (JACS) журналында жарияланған; материалда жарияланған күні мен бастапқы зерттеуге сілтеме берілмеген.

Электрод жанындағы pH реакция бағытын өзгерте алады

pH — ерітіндінің қышқыл не сілтілі екенін білдіретін өлшем. «Жергілікті pH» дегеніміз — сұйықтықтың жалпы емес, электродты қоршаған өте шағын бөлігінің қышқылдығы. Электрохимиялық реакция кезінде электродтарда сутек иондары, яғни протондар, түзілуі немесе жұмсалуы мүмкін. Егер олар сұйықтық ішінде таралып үлгермесе, электрод қасындағы орта бүкіл ерітіндіден өзгеше болады.

Зерттеушілер жергілікті pH айырмасы реакцияға қатысатын белсенді оттегі бөлшектерінің түзілуіне, бастапқы молекулалардың химиялық қалпына және дайын өнімнің тұрақтылығына ықпал ететінін анықтаған. Ерітінді тұтасымен бейтарапқа жуық көрінсе де, электрод жанында жағдай мүлде басқа болуы мүмкін. Мұны бөлме ішіндегі орташа температура мен пештің дәл жанындағы температураны салыстыруға болады: бір ортадағы екі орынның көрсеткіші бірдей болмауы ықтимал.

Зерттеушілер реакция жағдайын бағалау үшін компьютерлік модельдеу мен электрохимиялық өлшемдерді пайдаланған. Олардың бағалауынша, жалпы ерітінді бейтарапқа жуық кезде катод маңындағы pH шамамен 11-ге жетуі мүмкін. Катод — тотықсыздану жүретін электрод. Ал тотығу жүретін анод маңында pH шамамен 2,5 болуы ықтимал. Яғни бір реактордың ішінде сілтілі және қышқыл орта қатар қалыптасады.

Құбылыс басқа электрохимиялық реакцияларға да қатысты болуы мүмкін

Топ органикалық электросинтез туралы 2010 жылдан бері жарияланған 600-ден астам ғылыми жұмысты қарастырған. Бұл әдісте электр энергиясы көміртекке негізделген қосылыстарды алу реакцияларын жүргізуге жұмсалады. Қаралған еңбектердің шамамен 89%-ында электродтарда электрондармен бірге протондар да тасымалданған.

Протондардың қозғалысы жергілікті қышқылдықты өзгерте алады. Сондықтан бұл шолу электрод жанындағы pH айырмасы зерттеушілер қарастырған реакциядан бөлек, басқа электрохимиялық үдерістерге де әсер етуі мүмкін екенін аңғартады. Бірақ 600-ден астам жұмыстың бәрінде жергілікті pH жеке өлшеніп, оның ықпалы дәлелденді деген сөз емес. Бұл — назар аударуға тұрарлық ықтимал фактор екенін көрсететін талдау.

Оттегі мен электр қуаты лактон алуға жұмсалды

Тәжірибе Бейер–Виллигер тотығуына арналды. Бұл реакцияда кетон деп аталатын органикалық молекулаға оттегі атомы қосылып, күрделі эфир немесе лактон түзіледі. Лактондар биоыдырайтын пластик пен полиуретан сияқты материалдарды жасауға қажетті бастапқы қосылыстардың бірі.

Дәстүрлі Бейер–Виллигер реакциясында пероксоқышқылдар секілді белсенді тотықтырғыштар жиі қолданылады. Оларды қауіпсіз сақтау мен өңдеу қиындық туғызуы, ал реакция қалдықтары қосымша тазартуды қажет етуі мүмкін. Сеул ұлттық университетінің тобы тотықтырғышты сырттан бөлек қоспай, электродта оттегі газын электр қуатымен белсендіретін тәсілді зерттеген. Осылайша органикалық молекулаға оттегі тасымалдай алатын белсенді бөлшектер пайда болады.

Оттегі атомының қайдан келгенін тексеру үшін зерттеушілер изотоптық тәжірибе жүргізген. Ондағы белгіленген атомдарды қадағалау нәтижесінде өнімге қосылған оттегінің судан емес, оттегі газынан шыққаны расталған. Бұл тәжірибе реакцияға қажет атомның көзін анықтауға мүмкіндік берді.

Екі электродтың өзара әрекеті де маңызды болған. Катодта оттегі тотықсызданып, реакцияны бастайтын белсенді оттегі бөлшектері түзіледі. Осы үдерісте пайда болған сутек асқын тотығы анодта қайтадан белсенді оттегі бөлшектеріне айнала алады. Демек, сутек асқын тотығы тек жанама өнім болып қалмай, реакцияға қажет белсенді бөлшектердің қорын толықтыруға қатысады. Бұл үдерістің тиімділігі электрод маңындағы қышқылдыққа тәуелді.

Реакторды өзгерту қалаулы өнімнің үлесін арттырды

Зерттеушілер электродтарды бір-біріне жақын орналастырып, электр тогын өткізетін сұйықтықты — электролитті — олардың арасынан ағызатын реактор құрастырған. Анод маңы қышқылдануға, катод маңы сілтіленуге бейім. Электродтардың аралығын қысқартып, сұйықтықты айналдыру осы айырманың шектен тыс ұлғаюына жол бермеуге көмектеседі.

Жергілікті pH тиімді басқарылмаған жағдайда зерттелген өнімдердің шамамен 16%-ы ғана көзделген қосылыс болған. Реактордың өзгертілген құрылымында бұл үлес шамамен 97%-ға жеткен. Мұндағы көрсеткіш селективтілік деп аталады: ол реакцияның қажетсіз қосалқы өнімдерден гөрі көзделген затты қаншалықты басым түзетінін көрсетеді.

Электродтардың арасы 20 миллиметрден 4 миллиметрге қысқарғанда, өнім түзілу жылдамдығы шамамен 2,2 есе артқан. Сынақтағы сұйықтық ағынының ең төменгі деңгейінен ең жоғарғысына өткенде, уақыт бірлігінде алынған өнім мөлшері шамамен 14 есе көбейген. Ал сұйықтық ақпаған кезде, кернеу мен ерітіндінің құрамы өзгермесе де, қалаулы өнім дерлік түзілмеген. Бұл нәтиже реакцияның жүруіне ерітіндінің жалпы құрамымен қатар оның электрод маңында қалай қозғалып, араласатыны да ықпал ететінін көрсетеді.

Нәтиже әзірге зертханалық химиялық реакцияға қатысты

Бұл — адамдарға жүргізілген зерттеу емес, химиялық реактордағы тәжірибе және ғылыми еңбектерге жасалған талдау. 97% көрсеткіші адам ағзасына немесе дайын тұрмыстық өнімнің тиімділігіне қатысты емес; ол зерттелген реакциядағы қалаулы өнімнің үлесін сипаттайды. Материалда тәсілдің өндіріс көлемінде қолданылғаны, басқа зертханаларда қайталанғаны немесе күнделікті өнімдерге енгізілгені туралы дерек жоқ.

Зерттеушілер лактон алу реакциясын көрсеткен. Материалда эпоксидтер лактондардан бөлек, желім, қорғаныш жабын және эпоксидті шайыр жасауда қолданылатын химиялық қосылыстар ретінде аталады; алайда сипатталған тәжірибе эпоксид өндіруге арналмаған. Сондықтан бұл жұмыстан эпоксидтерді де дәл осы тәсілмен өндіруге болады деген қорытынды шықпайды.

Жұмыс JACS журналында жарияланғанымен, берілген материалда жарияланған күні көрсетілмеген. Бұл реактор өндіріс үшін дайын дегенді де білдірмейді. Дегенмен нәтиже химия өндірісіндегі бір қағиданы көрсетеді: реакцияға қажет заттар мен кернеуді ғана емес, электродтың айналасындағы шағын ортаны да бақылау өнімнің қандай мөлшерде түзілетінін өзгерте алады.

Тақырып бойынша оқыңыз

• Тізе артритінде жүру қалпын өзгерту ауырсынуды азайта ала ма?
• Жүйкені ынталандыратын инъекциялық құрылғы: жаңа зерттеу нені көрсетті
• Кондо әсерін нақты материалдарда есептеудің жаңа әдісі