CC BY
72
УДК 541.6
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ЦЕОЛИТОВ И УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК В РЕАКЦИИ ПРИНСА
© И. В. Вакулин, О. Ю. Купова, Г. Р. Талипова, Э. Р. Латыпова*, Р. Ф. Талипов
Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.
Тел.: +7 (347) 229 97 29.
*Етай: lelvirar@mail.ru
Теоретическими методами впервые показана возможность применения цеолитов типа Сах[Л12х*ИуОг]•пНО и углеродных нанотрубок (УНТ) для избирательного катализа образования 1,3-диоксанов по реакции Принса. Методами молекулярной динамики показано, что наибольшая избирательность должна достигаться при значениях диаметра УНТ 9.4-10.9 А или сечении пор цеолитов 5.1-5.4 А. Показано, что максимум стабилизации переходных состояний реакций образования 1,3-диоксанов и гидрированных пиранов наблюдается при различных значениях диаметров УНТ.
Ключевые слова: реакция Принса, расчеты методом MP2(fc)/6-31G(d,р), молекулярная динамика, катализ цеолитами или нанотрубками, избирательный синтез 1,3-диоксанов и гидрированных пиранов.
Введение
Ранее нами показано, что образование 1,3-диоксанов по реакции Принса [1] протекает как одностадийное присоединение олигомеров формальдегида по кратной связи [2] в условиях кинетического контроля [3, 4].
Также удалось теоретически обосновать возможность образования с участием олигомеров формальдегида не только 1,3-диоксанов, но и гидрированных пиранов [3-5] и фуранов [6, 7], продуктов конкурирующих каналов реакции Принса [8]. Отметим, что образование заметных количеств гидрированных пиранов является одним из серьезных недостатков промышленного способа производства изопрена по «диоксановому» методу. Поэтому изучение путей повышения селективности образования 1,3-диоксанов по реакции Принса представляется актуальной задачей.
Одним из перспективных подходов для решения указанной задачи является применение принципов молекулярного импринтинга [9-16]. С этой целью нами использовалось квантово-химическое моделирование взаимодействия переходных состояний образования кислородсодержащих гетероциклов по реакции Принса с цеолитами структурного типа Caх[Al2хSiyOг] nH2O и углеродными нанотрубками (УНТ), содержащими полости различного диаметра.
Квантово-химические расчеты проводились в программе РС GAMESS v7.1 с использованием метода последовательного приближения до МР2(А:)/6-
31G(d,p) [17]. В качестве модельных соединений были рассмотрены этилен (1), пропилен (2), бутен-1 (3), изобутилен (4) и транс-2-бутен (5). Энергетические параметры и характер взаимодействия переходных состояний с цеолитами и углеродными нанотрубками определялись с использованием модуля Adsorption Locator, включенного в программный пакет Accelrys Material Studio 5.5.
Обсуждение результатов
Необходимым условием повышения селективности образования 1,3-диоксанов по реакции Принса является избирательное снижение энергии активации этого канала реакции. Одним из наиболее перспективных подходов к решению указанной проблемы является использование «молекулярного импринтинга». В частном случае избирательное снижение энергии активации достигается за счет избирательного взаимодействия переходного состояния (ПС) с поверхностью, содержащей полости заданного строения. Адсорбенты, содержащие полости необходимого размера и строения, могут быть не только сформированы специальным образом [9, 18-20], но и подобраны из набора готовых адсорбентов на основе сведений о строения полости и размеров адсорбируемого ПС [21].
Ниже приведены расчетные значения геометрических параметров ПС реакции образования 1,3-диоксанов из димера формальдегида и алкенов (табл. 1). Согласно представленным данным, форма и линейные размеры ПС по двум сечениям
ISSN 1998-4812
Вестник Башкирского университета. 2014. Т. 19. №4
1165
практически не зависят от строения исходного ал-кена. Заметно изменятся только один из параметров, что связано с увеличением размера алкильного заместителя в исходном алкене.
Таблица 1
Линейные размеры переходных состояний реакций образования 4-алкил-1,3-диоксанов из модельных алкенов, А
| Алкен 1 Г1 | Г2 1 Г3 |
Этилен 5.191 4.216 3.010
Пропилен 5.335 4.915 3.024
Бутен-1 4.123 5.292 4.185
Изобутилен 6.214 4.803 3.826
Транс-2-бутен 6.697 5.941 3.206
Поэтому в первом приближении адсорбент, способный к селективной адсорбции ПС образования 1,3-диоксанов, может быть описан как вещество, содержащее полости, минимальное сечение которых составляет 5.5 Ä.
Нами было рассмотрено взаимодействие ПС с рядом цеолитов с различным размером пор, обладающих одинаковым элементным составом. Энергия адсорбции ПС определялась с использованием модуля Adsorption Locator в программе Accelrys Material Studio 5.5. Результаты расчетов взаимодействия ПС с модельным рядом цеолитов представлены в табл. 2, рис. 1.
Таблица 2
Зависимость энергии адсорбции переходных состояний от диаметра пор цеолитов, кДж/Моль_
d, Ä Этилен Пропилен Бутен-1 Изобутилен Транс-2 бутен
ANA 3.8 -49.5 -57.6 -59.2 -56.9 -63.8
NAT 4.0 -49.6 -60.2 -53.6 -52.1 -62.6
BEA 5.1 -107.3 -121.3 -140.3 -139.2 -140.1
STI 5.4 -90.6 -98.1 -134.6 -96.6 -137.3
GIS 5.8 -63.0 -72.6 -68.6 -77.9 -73.8
YUG 6.2 -52.6 -59.9 -65.3 -66.1 -70.2
PAR 6.6 -49.5 -57.6 -59.2 -56.9 -63.8
Согласно представленным данным, стабилизация ПС реакции образования 1,3-диоксана становится наиболее выгодной на цеолитах с порами диаметром 5.1-5.4 А. Очевидно, что в этом случае ПС может помещаться внутрь поры цеолита и стабилизироваться за счет межмолекулярных взаимодействий со всей внутренней поверхностью поры.
При диаметре поры меньше 5 А, ПС уже не способно помещаться внутрь и стабилизируется только частично за счет взаимодействия с поверхностью цеолита. В случае цеолитов с большим диаметром пор межмолекулярные взаимодействия могут осуществляться с фрагментом внутренней или внешней поверхности поры.
О 3 4 5 6 7 4А
Рис. 1. Зависимость энергии адсорбции переходных состояний от диаметра пор цеолитов.
При моделировании адсорбции ПС на УНТ нами рассматривались нанотрубки с диаметрами от 8 до 24 А (табл. 2, рис. 1).
Таблица 3
Зависимость энергии адсорбции переходных состояний от диаметра пор углеродных нанотрубок, кДж/Моль
Этилен Пропилен Бутен-1 Изобутилен Транс-2-бутен
-65.6 -67.1 -66.6 -67.9 -58.1
-125.7 -140.8 -146.0 -149.5 -125.4
-106.0 -124.0 -143.6 -139.3 -140.6
-87.5 -100.8 -120.8 -117.2 -120.5
-78.6 -89.8 -100.8 -99.4 -109.4
-73.1 -83.3 -91.9 -89.8 -101.3
-69.7 -78.8 -86.9 -83.9 -95.4
-67.2 -75.6 -83.0 -79.6 -90.8
-65.2 -73.4 -80.0 -76.5 -87.2
-63.7 -71.7 -77.7 -74.0 -84.3
-62.5 -70.2 -75.8 -72.1 -82.0
-61.5 -69.1 -74.2 -70.6 -80.1
-60.6 -67.7 -73.0 -69.4 -78.5
8.1
9.5
10.9
12.2
13.6
14.9
16.3
17.6 18.9
20.3
21.7 23.1
24.4
Стабилизация ПС реакции образования 1,3-диоксана становится наибольшей при диаметрах нанотрубки 9.4-10.9 А. Очевидно, что в этом случае ПС может помещаться внутрь нанотрубки и стабилизироваться за счет межмолекулярных взаимодействий со всей внутренней поверхностью трубки.
При диаметре нанотрубки меньше 9А, ПС уже не способно помещаться внутрь и стабилизируется только частично за счет взаимодействия с фрагментом внешней поверхности трубки. Аналогичная картина наблюдается и в случае нанотрубки, имеющей диаметр значительно больший, чем линейные размеры ПС. Даже при формировании такого ПС внутри нанотрубки межмолекулярные взаимодействия могут осуществляться только с фрагментом внутренней поверхности трубки.
Отметим, что во всех случаях наилучшее взаимодействие между ПС и нанотрубками достигается при диаметре трубки 9.4-10.9 А, что согласуется с постоянством двух линейных размеров ПС вне зависимости от строения участвующего в реакции алкена.
Зависимости энергии адсорбции ПС реакций образования 4,4-диметил-1,3-диоксана и 4-метил-5,6-дигидро-2Н-пирана из изобутилена и димера формальдегида от диаметра нанотрубки представлена на рис. 3.
Адсорбция на нанотрубках снижает энергию активации обеих реакций, однако максимальный
эффект достигается при разных значениях диаметра нанотрубки - 9.5 А в случае образования 4,4-диме-тил-1,3-диоксана и 10.9 А в случае образования 4-метил-2Н-дигидропирана. Таким образом, скорость образования 1,3-диоксанов может быть избирательно увеличена при использовании нанотрубок соответствующего диаметра, что должно способствовать повышению селективности их образования.
0 5 10 15 20 25 30 d. А
Рис. 2. Зависимость энергии адсорбции переходных состояний от диаметра нанотрубки.
Рис. 3. Зависимость энергии адсорбции ПС от диаметра пор углеродных нанотрубок.
Выводы
Квантово-химическими расчетами и методами молекулярной динамики установлено, что наибольшая степень взаимодействия переходных состояний реакции образования 4-алкил-1,3-диоксанов с цеолитами и углеродными нанотрубками наблюдается при диаметрах полостей близких к размерам переходного состояния: 5.1-5.4 А для цеолитов структурного типа Сах[АЪ>£^0г]-яН20 и 9.5-10.9А для углеродных нанотрубок. Это должно приводить к наибольшему снижению энергии активации и, как следствие, увеличению селективности образования 4 -алкил-1, 3 -дио ксанов.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Ибатуллин У. Г., Талипов Р. Ф., Файзрахманов И. С., Сафа-ров М. Г. Кетоны в сопряженной реакции Принса // Химия гетероциклических соединений. 1985. №12. С. 1688-1689.
2. Вакулин И. В., Купова О. Ю., Талипов Р. Ф. Квантовохи-мическое изучение особенностей присоединения олигоме-ров формальдегида к алкенам // Вестник Башкирского университета. 2010. Т. 15. №2. С. 294-297.
3. Kupova O. Y., Vakulin I. V., Talipov R. F. Ab initio study of 1,3-dioxanes formation from formaldehyde dimer and alkenes // Computational and Theoretical Chemistry. 2013. 1013. pp. 57-61.
4. Kupova O. Y., Vakulin I. V., Talipov R. F., Talipova G. R., Morozkin N. D. Theoretical investigation of the role of formaldehyde dimers in the Prins reaction // Reaction kinetics, mechanisms and catalysis. 2013. V. 110. №1. рр. 41-52.
5. Купова О. Ю., Вакулин И. В., Талипова Г. Р., Талипов Р. Ф. Квантовохимическое изучение образования 1,3-дилксанов из димера формальдегида и алкенов // Бутле-ровские сообщения. 2012. Т. 32. №13. С. 123-127.
6. Сырлыбаева Р. Р., Вакулин И. В., Талипов Р. Ф. Квантовохимическое изучение образования 1,3-диоксанов из димера формальдегида и алкенов // Вестник Башкирского университета. 2007. Т. 12. №3. С. 20-22.
7. Шепелевич И. С., Талипов Р. Ф., Султанаева С. Х., Малинов Е. С. Синтез гидрированных производных фурана // Вестник Башкирского университета. 2009. Т. 14. №1. С. 5-18.
8. Вакулин И. В., Купова О. Ю., Талипов Р. Ф. Квантовохимическое изучение особенностей присоединения димеров формальдегида к алкенам // Вестник Башкирского университета. 2011. Т. 16. №3. С. 694-697.
9. Лисичкин Г. В., Крутяков Ю. А. Материалы с молекулярными отпечатками: синтез, свойства, применение // Успехи химии.2006. Т. 75. №10. С. 998-1017.
10. Mizuki Tada, Yasuhiro Iwasawa Design of molecular-imprinting metal-complex catalysts // Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 2003. 199. pp. 115-137.
11. Shimada T., Nakanishi K., Morihara K. Footprint Catalysis. IV. Structural Effects of Templates on Catalytic Behavior of Imprinted Footprint Cavities // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1992. 65. pp. 954-958.
12. Matsuishi T., Shimada T., Morihara K. Definitive Evidence for Enantioselective Catalysis over "Molecular Footprint" Catalytic Cavities Chirally Imprinted on a Silica(Alumina) Gel Surface // Chem. Lett., 1992. V.21. №10. pp. 1921-1924.
13. Shimada T., Kurazona R., Morihara K. Footprint Catalysis. V. Substituent Effects of Template Molecules on the Catalytic Behavior of Imprinted Molecular Footprint Cavities // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1993. 66. pp. 836-840.
14. Morihara K., Kawasaki S., Kofuji M., Shimada T. Footprint Catalysis. VI. Chiral "Molecular Footprint" Catalytic Cavities Imprinted by a Chiral Template, Bis(N-benzyloxycarbonyl-L-alanyl)amine, and Their Stereoselective Catalyses // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1993. 66. pp. 906-913.
15. Morihara K., Doi S., Takiguchi M., Shimada T. Footprint Catalysis VII. Reinvestigation of the Imprinting Procedures for Molecular Footprint Catalytic Cavities: The Effects of Imprinting Procedure Temperature on the Catalytic Characteristics // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1993. 66. pp. 2977-2982.
16. Morihara K., Iijima T., Usui H., Shimada T. Footprint Catalysis.
VIII. Molecular Imprinting for Footprint Cavities on an Active Clay Surface // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1993. 66. pp. 3047-3052.
17. Талипов Р. Ф., Сырлыбаева Р. Р., Вакулин И. В. Изучение факторов, влияющих на точность комбинированных методов расчета // Вестник Башкирского университета. 2008. Т. 13. №3 (1). С. 754-757.
18. Shimada T., Hirose R., Morihara K. Footprint Catalysis. X. Surface Modification of Molecular Footprint Catalysts and Its Effects on Their Molecular Recognition and Catalysis // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1994. 67. pp. 227-235.
19. Morihara K., Takiguchi M., Shimada T. Footprint Catalysis. XI. Molecular Footprint Cavities Imprinted with Chiral Amines and Their Chiral Molecular Recognition // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1994. 67. pp. 1078-1084.
20. Matsuishi T., Shimada T., Morihara K. Footprint Catalysis.
IX. Molecular Footprint Catalytic Cavities Imprinted with Chiral Hydantoins; Enantioselective Hydantoinase Mimics // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1994. 67. pp. 748-756.
21. Emil Dumitriu, Vasile Hulea, Ioana Fechete, Cezar Catrinescu, Aline Auroux, Jean-Francois Lacaze, Claude Guimon. Prins condensation of isobutylene and formaldehyde over Fe-silicates of MFI structure // Applied Catalysis A: General. 1999. V. 181. Issue 1. p. 15-28.
Поступила в редакцию 08.10.2014 г. После доработки - 21.10.2014 г.
ISSN 1998-4812
BeciHHK EamKHpcKoro yHHBepcHTeTa. 2014. T. 19. №4
1167
THEORETICAL ASPECTS OF CATALYTIC EFFECT OF ZEOLITES AND CARBON NANOTUBES IN PRINS REACTION
© I. V. Vakulin, O. Y. Kupova, G R. Talypova, E. R. Latypova*, R. F. Talypov
Bashkir State University 32 Zaki Validi St., 450076 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.
Phone: +7 (347) 229 97 29.
*Еmail: lelvirar@mail.ru
The possibility of application of carbon nanotubes (CNTs) and zeolites type Cax [Al2xSiyOz]*nH2O for a selective catalysis of formation of 1,3-dioxanes by Prins reaction is studied by theoretical methods and molecular dynamics. We considered interaction of TS with a sample of CNT and zeolites of same element structure with various diameter of pores. The structure of TS was studied by ab initio calculation in PC GAMESS FireFly 8.0. Stabilization energy of TS was determined by use of the Adsorption Locator module in the Accelrys Material Studio 5.5 program. The CNT with a diameter of porous 8.1-24.4 A and zeolites with a diameter of porous 3.8-6.4 A were used in this investigation. All used microporous materials can downgrade activation energy of reactions of formation of 1,3 dioxanes. This effect is maximal when TS is placed in porous of CNT and zeolites with determinate diameter. Therefore, the greatest selectivity of 1.3-dioxane formation has to be reached at values of diameter of CNTs 9.4-10.9A or frame size of zeolites 5.1-5.4 A. Also we compared catalytic effect of CNT and zeolites on competing reactions of formation of 1.3 dioxanes and the hydrogenated pyrans. It is shown that the maximum of stabilization of TS of reactions of formation of 1,3 dioxanes and the hy-drogenated pyrans was reached at various values of diameters of CNTs - 9.5 A in case of formation of 4,4-dimetil-1,3-dioxane and 10.9 A in case of education 4-methyl-2H-digidropyrane.
Keywords: Prins reaction, MP2(fc)/6-31G(d,р) calculations, molecular dynamics, catalysis by zeolites or carbon nanotubes, selective synthesis of 1,3-dioxane and hydrogenated pyrans.
Published in Russian. Do not hesitate to contact us at bulletin_bsu@mail.ru if you need translation of the article.
REFERENCES
1. Ibatullin U. G., Talipov R. F., Faizrakhmanov I. S., Safarov M. G. Khimiya getorotsiklicheskikh soedinenii. 1985. No. 12. Pp. 16881689.
2. Vakulin I. V., Kupova O. Yu., Talipov R. F. Vestnik Bashkirskogo universiteta. 2010. Vol. 15. No. 2. Pp. 294-297.
3. Kupova O. Y., Vakulin I. V., Talipov R. F. Computational and Theoretical Chemistry. 2013. 1013. Pp. 57-61.
4. Kupova O. Y., Vakulin I. V., Talipov R. F., Talipova G. R., Morozkin N. D. Reaction kinetics, mechanisms and catalysis. 2013. Vol. 110. No. 1. rr. 41-52.
5. Kupova O. Yu., Vakulin I. V., Talipova G. R., Talipov R. F. Butlerovskie soobshcheniya. 2012. Vol. 32. No. 13. Pp. 123-127.
6. Syrlybaeva R. R., Vakulin I. V., Talipov R. F. Vestnik Bashkirskogo universiteta. 2007. Vol. 12. No. 3. Pp. 20-22.
7. Shepelevich I. S., Talipov R. F., Sultanaeva S. Kh., Malinov E. S. Vestnik Bashkirskogo universiteta. 2009. Vol. 14. No. 1. Pp. 5-18.
8. Vakulin I. V., Kupova O. Yu., Talipov R. F. Vestnik Bashkirskogo universiteta. 2011. Vol. 16. No. 3. Pp. 694-697.
9. Lisichkin G. V., Krutyakov Yu. A. Uspekhi khimii.2006. Vol. 75. No. 10. Pp. 998-1017.
10. Mizuki Tada, Yasuhiro Iwasawa Design of molecular-imprinting metal-complex catalysts Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 2003. 199. Pp. 115-137.
11. Shimada T., Nakanishi K., Morihara K. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1992. 65. Pp. 954-958.
12. Matsuishi T., Shimada T., Morihara K. Chem. Lett., 1992. Vol. 21. No. 10. Pp. 1921-1924.
13. Shimada T., Kurazona R., Morihara K. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1993. 66. Pp. 836-840.
14. Morihara K., Kawasaki S., Kofuji M., Shimada T. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1993. 66. Pp. 906-913.
15. Morihara K., Doi S., Takiguchi M., Shimada T. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1993. 66. Pp. 2977-2982.
16. Morihara K., Iijima T., Usui H., Shimada T. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1993. 66. Pp. 3047-3052.
17. Talipov R. F., Syrlybaeva R. R., Vakulin I. V. Vestnik Bashkirskogo universiteta. 2008. Vol. 13. No. 3 (1). Pp. 754-757.
18. Shimada T., Hirose R., Morihara K. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1994. 67. Pp. 227-235.
19. Morihara K., Takiguchi M., Shimada T. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1994. 67. Pp. 1078-1084.
20. Matsuishi T., Shimada T., Morihara K. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1994. 67. Pp. 748-756.
21. Dumitriu E., Hulea V., Fechete I., Catrinescu C., Auroux A., Lacaze J.-F., Guimon C. Applied Catalysis A: General. 1999. Vol. 181. Is. 1. Pp. 15-28.
Received 08.10.2014. Revised 21.10.2014.
