Исследователи Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН совместно с учёными МГУ, Казанского федерального университета и университета Фырат (Турция) разработали экологически безопасный катализатор, способный эффективно окислять органические соединения при комнатной температуре. В основе материала — гидроксиапатит, легированный ионами вольфрамата. Результаты работы опубликованы в журнале Inorganic Chemistry Communications.
Гидроксиапатит широко распространён в природе и является минеральной основой костной ткани человека. Он нетоксичен, химически устойчив и безопасен для окружающей среды. Включение ионов вольфрамата в его кристаллическую решётку позволило получить катализатор, способный мягко окислять бензиловый спирт до бензальдегида при температуре всего 25–30 °C. В качестве окислителя использован пероксид водорода, а побочным продуктом реакции становится вода — ключевой принцип «зелёной» химии.
Учёные синтезировали серию мезопористых нанопорошков гидроксиапатита с разным содержанием вольфрамата. Было установлено, что предел растворимости вольфрамат-ионов в кристаллической решётке составляет около 2,5 мол.%. При более высоких концентрациях формируется композит из гидроксиапатита и вольфрамата кальция, который демонстрирует особенно высокую каталитическую активность. Материал обеспечивает конверсию бензилового спирта более 50% за один цикл при стопроцентной селективности по целевому продукту.
Проверка стабильности показала, что катализатор сохраняет структуру и активность как минимум в течение пяти циклов регенерации. Дополнительные эксперименты подтвердили гетерогенный характер процесса: активные компоненты не переходят в раствор, а реакция протекает на поверхности твёрдого материала. Предложенный механизм объясняет высокую эффективность через образование перокси-вольфрамовых комплексов, распад которых приводит к появлению активного синглетного кислорода — именно он обеспечивает мягкое и избирательное окисление.
Для исследования структуры и свойств нового катализатора использовались рентгенофазовый анализ, инфракрасная и рамановская спектроскопия, электронный парамагнитный резонанс, измерения удельной поверхности и электронная микроскопия. Это позволило установить связь между составом материала, его текстурой и каталитическими характеристиками, а также выявить синергетический эффект совместного присутствия гидроксиапатита и вольфрамата кальция.
Разработка открывает перспективу создания экономичных и экологичных катализаторов, способных заменить системы на основе благородных металлов в процессах органического синтеза — в том числе при производстве ароматических альдегидов и других востребованных соединений.
