Новые гетерогенные катализаторы на основе солей металлов для изомеризации и олигомеризации полупродуктов нефтехимии

В рамках данного проекта планируется разработать новые гетерогенные катализаторы на основе хлоридов металлов и исследовать их каталитическую активность в процессах получения экзо-тетрагидродициклопентадиена – перспективного высокоэнергоемкого топлива (аналога JP-10 и децилина), а также поли-α-олефинов (ПАО), которые являются основой высококачественных смазочных материалов.В настоящее время каталитические технологии играют жизненно важную роль в экономическом развитии химической промышленности. Примерно 90% объема современного химического производства основано на каталитических процессах. Особую значимость каталитические процессы представляют с точки зрения охраны природы. Одной из основных тенденций развития химической промышленности является стремление к более “чистым” технологиям, оказывающим минимальное воздействие на окружающую среду. Так, например, использование гомогенных кислотных катализаторов (например, H2SO4, HCl, p-толуолсульфокислота, AlCl3, FeCl3, SnCl4 и многие другие) в различных промышленных процессах сопряжено со значительным количеством токсичных и едких отходов, которые зачастую сложно утилизировать. При этом, как правило, большая часть отходов образуется на стадии выделения продукта, когда типичная нейтрализация воды (для кислотных или щелочных систем) приводит к образованию больших объемов опасных отходов. Более того, гомогенные кислотные катализаторы оказывают коррозионное воздействие на материал оборудования, что приводит к поломкам и, как следствие, дополнительным затратам на ремонт.Следует отметить, что на использовании катализаторов кислотной природы основано значительное количество промышленных процессов, например, таких как полимеризация, получение капролактама, изомеризация углеводородов, олигомеризация, алкилирование и ацилирование ароматических соединений, этерификация и т.д. Эффективное использование гетерогенных катализаторов, которые остаются в фазе отдельно от органических соединений, способствует минимизации воздействия на окружающую среду. Выделение продукта упрощается и реакции часто протекают с более высокой селективностью. В последнее время твердые кислоты и особенно те, которые основаны на материалах с большой площадью поверхности, начинают играть значительную роль в «зеленых» процессах производства важных химических продуктов. Так, ряд работ Кларка был посвящен катализаторам, которые представляют собой активную гетерогенную форму хлорида алюминия. Данный катализатор был получен нанесением хлорида алюминия на силикагель К100, при этом было показано, что хлорид алюминия реагирует с поверхностными гидроксильными группами силикагеля, образуя химические связи с подложкой, таким образом хлорид алюминия прочно удерживается на подложке и не смывается с нее в ходе реакции, что является несомненным преимуществом данного катализатора. Хлорид алюминия, нанесенный на диоксид кремния, был успешно использован для ацилирования и алкилирования ароматических соединений.Одним из промышленно-важных процессов, где могут быть использованы подобного рода катализаторы, является изомеризация эндо-тетрагидродициклопентадиена в экзо-изомер, который является ключевым компонентом современного авиационного топлива. Жидкое топливо широко используется в различных аэрокосмических транспортных средствах, при этом мощность двигателя сильно зависит от свойств применяемого топлива, для которого наиболее важными характеристиками являются высокая плотность, энергетические характеристики, низкие температуры замерзания и вязкость. Воздушные и аэрокосмические транспортные средства сильно ограничены по объему, поэтому их топливные баки должны быть как можно меньше, чтобы оставить достаточно места для электроники, вооружения и других важных компонентов. Экзо-тетрагидродициклопентадиен (JP-10) является одним из наиболее широко используемых видов авиационного топлива особенно в развитых странах. Низкая температура замерзания (-79 °С), высокие температура вспышки (54 °С) и плотность (0.92-0.93 г/см3) удовлетворяют требованиям к его применению как на малых, так и на больших высотах. Несмотря на значительное количество работ, посвященных методам синтеза экзо-тетрагидродициклопентадиена, поиск более эффективных и безопасных синтетических подходов по-прежнему остается актуальной задачей.Другим не менее важным процессом, в котором используются катализаторы кислотной природы, является олигомеризация α-олефинов (гексена-1, октена-1, децена-1 и др.) для получения основы синтетических смазочных материалов – поли-α-олефинов. Поли-α-олефины (ПАО) представляют значительный интерес для исследователей из-за их отличных характеристик. ПАО демонстрируют превосходные свойства, такие как износостойкие характеристики, высокий индекс вязкости, окислительная и термическая стабильность, поэтому развитие методов производства ПАО в результате олигомеризации α-олефинов является ключевой задачей в индустрии смазочных материалов.В связи с вышеизложенным, в представленном проекте планируется: (1) разработать серию новых гетерогенных катализаторов на основе хлоридов алюминия и ниобия; (2) модифицировать полученные катализаторы с помощью различных алкил- и арил- галогенидов; (3) детально исследовать активность полученных катализаторов в процессе изомеризации эндо-тетрагидродициклопентадиена; (4) применить полученные катализаторы для олигомеризации α-олефинов – гексена-1, октена-1 и децена-1.