Учёные КФУ совместно с КНЦ РАН нашли экологически-безопасные пути использования белого фосфора

Группа учёных и аспирантов Научно-исследовательской лаборатории «Промышленный катализ» в рамках проекта «Гомогенный катализ» исследовали пути реакций гидрирования белого фосфора, который является крайне токсичным веществом.

История любого научного открытия всегда полна риска и захватывающе интересна. И фосфор не исключение, тем более, если учитывать колоссальную роль данного элемента в существовании планеты и её населения.  Сфер человеческой деятельности, в которых применяется данное вещество  колоссальное множество. Являясь одним из наиболее важных биогенных элементов, его отсутствие сделало бы попросту невозможным развитие промышленности.  На сегодняшний день ученые владеют многими методами, посредством которых можно его синтезировать. Но особый интерес в химии фосфорорганических соединений представляет синтез органических фосфинов и фосфиноксидов – уникальных молекул для катализаторов, экстрагентов радиоактивных химических элементов, а также многих других практически востребованных фосфорорганических соединений.

Так, например,  в качестве «присадок» к смазочным маслам и жидкому топливу, выступают такие соединения как триалкил- и триарилфосфаты, они же служат добавкой к полимерам для придания огнестойкости и способности окрашиваться красителем, а вот металлокомплексы, содержащие фосфорорганические лиганды,  могут быть использованы в качестве исходных соединений для получения функциональных материалов.

Несмотря на немалый перечень положительных свойств, учёные признают, что существующая индустриальная технология синтеза фосфорорганических соединений полностью устарела, поскольку основана на прямом окислении белого фосфора хлором. Одним из первых этапов данного процесса является фосфорилирование, органических субстратов хлоридом фосфора. В следствии чего происходит выделение хлора и хлористого водорода в атмосферу, что способно вызвать серьезные экологические проблемы.  Второй значительный минус индустриальной технологии является то, что описанный выше процесс является дорогостоящей процедурой.

Растущий коммерческий интерес и строгие экологические законы, стали основной причиной поиска ученых приоритетного направления «Эконефть»безопасных химических путей превращения белого фосфора непосредственно в разнообразные фосфорорганические соединения. Результаты исследования были опубликованы в немецком научном издательстве  Walter de Gruyter .

Стоит отметить, что белый фосфор – чрезвычайно ядовитое воскоподобное бесцветное вещество с удушливым запахом. Летальная доза белого фосфора для взрослого человека составляет 0,05—0,15 г. Высокая реакционная способность данного вещества объясняется некрепкими связями, которые достаточно легко разрываются, в результате чего белый фосфор при нагревании или в процессе длительного хранения переходит в более устойчивые полимерные модификации: он становится красным или черным.  По этим причинам его хранят без доступа воздуха под слоем очищенной воды или в специальных инертных средах. Активно белый фосфор применяется и в военной технике, например, ещё со времён Первой мировой войны он входил в состав дымовых гранат.

«После проведенных исследований, нами был предложен эффективный способ селективного электросинтеза соединений с P-H (фосфор-водород), Р-С (фосфор-углерод) связями из белого фосфора в мягких условиях, полностью избегая использования “хлорных” технологий. Нам удалось получить принципиально новые способы получения востребованных фосфорорганических соединений непосредственно из белого фосфора с хорошим выходом, минуя традиционные стадии его хлорирования.»,– объяснил суть исследования куратор данной научной работы Зуфар Гафуров.

Технологический процесс, запущенный исследователями, заключается в электролизе смеси белого фосфора, а также кислоты на свинцовом катоде с промежуточным образованием высокореакционоспособных радикалов водорода. Процесс отрабатывался в электролизере новой конструкции объемом 0.5 литров. Данный аппарат представляет собой непроточную ячейку без диафрагмы, работающую с переменной загрузкой. Это принципиально новый подход к решению проблемы, соответствующий жестким экологическим требованиям современной химии, сообщают учёные.

«С точки зрения промышленной реализации, полученные результаты исследования демонстрируют ряд преимуществ: мягкие условия, высокие скорости и, в определенных пределах, селективность процесса, а также легкий контроль с использованием таких параметров, как плотность тока и потенциал. При этом достигается высокая экологическая чистота, особенно в сравнении с традиционными методами органической химии.», – поясняет молодой учёный.  

Однако на полученных результатах исследования не завершаются. В планы лаборатории входит дальнейшее детальное изучение «спецэффектов» и дополнительных сфер применения белого фосфора.  Выбор для  применения данного вещества был сделан учеными в силу его низкой цены, доступности и многообразия химических превращений, которые уже вряд ли утратят свою актуальность.