Forskere udtænker en renere og mere effektiv produktion af nøgleinput til rengøringsmidler

Konventionelle teknikker til at generere alkylbenzen, som er et vigtigt input i produktionen af ​​rengøringsmidler, producerer giftige halogenbiprodukter, men forskere har udtænkt en ny teknik, der tilbyder en mere effektiv, billigere og renere fremstillingsproces af stoffet.

Et papir, der beskriver processen, blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Catalysis den 6. september.

I jagten på mere effektive og bæredygtige kemiske produktionsprocesser har forskere udforsket innovative måder at udnytte potentialet i alkaner – forbindelser, der udelukkende består af kulstof- og brintatomer bundet til hinanden ved hjælp af kulstof-kulstof- og kulstof-hydrogen-enkeltbindinger.

Metan, ethan, propan og butan er almindelige alkaner, og hovedkilden til alkaner er fra råolie og naturgas. Ifølge forskerne er direkte brug af alkaner til meget selektiv kemisk omdannelse normalt vanskelig, fordi deres kulstof-hydrogen-bindinger er meget stabile og besværlige at bryde fra hinanden.

Sæbe, tandpasta, vaskemiddel og industrielle rengøringsmidler har en beskidt hemmelighed:De er alle fremstillet med alkylbenzener. Normalt er to til tre trin nødvendige for produktion af alkylbenzener, fordi der er yderligere forbindelser, kaldet alkyleringsmidler. Disse midler, fremstillet af alkaner gennem flere trin, er nødvendige for at udføre alkyleringen af ​​benzenen - processen med at klæbe på alkylgruppen.

For at øge effektiviteten og sænke omkostningerne ved denne proces ved at reducere antallet af nødvendige trin, undersøgte forskerne muligheden for at bruge simple alkaner direkte som alkyleringsmiddel til alkylbenzensyntese.

"Det er ikke kun sandsynligt, at det vil reducere omkostningerne, men det bør også reducere affaldsgenerering og strømline produktionen, hvilket tilbyder et mere miljøvenligt alternativ til traditionelle metoder," siger professor Ken Motokura, hovedforfatter af undersøgelsen og kemiker ved Institut for Kemi og Life Science ved Yokohama National University.

Traditionelt involverede produktionen af ​​alkylbenzener klassiske Friedel-Crafts-reaktioner, hvilket ofte resulterede i generering af uønskede biprodukter indeholdende giftige halogener. Konventionelle alkyleringsmidler er alkylhalogenider, derfor produceres der ækvimolære mængder af biprodukter indeholdende halogenider.

"Ved at reducere de ekstra trin, kan vi reducere genereringen af ​​disse biprodukter," sagde Motokura.

I modsætning til traditionelle metoder producerer direkte alkylering ved hjælp af alkaner som alkyleringsmidler harmløst molekylært hydrogen - som er brintgas - som det eneste biprodukt.

Men for at opnå denne effektivitetsgevinst var udviklingen af ​​nye katalysatorer - nøgleingrediensen i en kemisk reaktion, der starter den eller fremskynder den - påkrævet. Forskerne havde tidligere opdaget, at palladiumnanopartikler (stofpartikler kun 1-100 nanometer i diameter) blev yderst effektive katalysatorer til direkte alkylering, når de var placeret på den ydre overflade af H-ZSM-5 zeolitter - en type krystallinsk materiale lavet af aluminium og silicium med masser af mikroskopiske porer.

Disse små porer er de steder, hvor den kemiske reaktion aktiveres.

Processen begynder med aktiveringen af ​​en alkan på de steder, der er til stede inde i zeolitporerne, som primer alkanen til tilsætning af en benzen, som er en organisk forbindelse i form af en ring. Dette producerer målet:alkylbenzen.

Under denne proces fjernes to hydrogenatomer (H) fra alkanen og benzenen. For at regenerere de aktive steder inde i zeolitten, bør disse brintatomer rekombineres til et brintmolekyle (H₂ ). Et "brintspillover"-fænomen opstår, når brintatomer bevæger sig fra aktiveringsstederne til palladiumnanopartiklerne på den ydre overflade, som understøtter rekombinationen til H₂ .

Ifølge forskerne ligger skønheden ved direkte alkylering ikke kun i dens effektivitet, men også i dens selektivitet - at være i stand til at producere en bestemt ønsket type output frem for andre, mindre ønskede mulige output. Forskerne var i stand til at opnå en selektivitet på 95,6 % for de ønskede alkylerede produkter.

På trods af effektivitetsgevinsterne er det samlede udbytte fra processen stadig for lavt til industrielle anvendelser, sagde forskerne, så holdet sigter nu mod at tilpasse deres teknik for at øge dens produktivitet.

Flere oplysninger: Satoshi Misaki et al., Pd Nanopartikler på den ydre overflade af mikroporøse aluminiumsilikater til direkte alkylering af benzener ved hjælp af alkaner, ACS-katalyse (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c02309

Journaloplysninger: ACS-katalyse

Leveret af Yokohama National University