Бионеорганический катализатор для аэробного окисления углеводородов

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Углеродные нанотрубки могут быть использованы в качестве активной матрицы для размещения и переноса биомодулирующих компонентов. Представляется, что область применения таких систем может распространяться и на реакции аэробного и пероксидного окисления углеводородов. В работе исследованы железосодержащие многостенные углеродные нанотрубки (Fe@MУНТ) и дигидрат глицината марганца [NH2CH2COO]2Mn∙2H2O в качестве активной каталитической системы аэробного окисления углеводородов. Идентификацию полученных исходных соединений проводили с помощью инфракрасной спектроскопии, электронной микроскопии и элементного анализа. В качестве модельной тестовой реакции использован процесс аэробного окисления кумола. Установлено, что соединения, взятые отдельно, ускоряют реакцию в 10–12 раз по сравнению с контрольным образцом, тогда как при совместном использовании Fe@MУНТ и дигидрата глицината марганца скорость реакции возрастает многократно, достигая значения 373 мм3 О2/мин. Предложена схема процесса окисления, описывающего наблюдаемый синергический эффект. Использование таких каталитических систем имеет интересную перспективу для дальнейших исследований в области бионеорганического катализа.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Э. Б. Зейналов

Институт катализа и неорганической химии им. академика М. Нагиева Министерства науки и образования Азербайджана

Author for correspondence.
Email: iradam@rambler.ru
Azerbaijan, пр. Г. Джавида, 113, Баку, AZ-1143

Э. Р. Гусейнов

Институт катализа и неорганической химии им. академика М. Нагиева Министерства науки и образования Азербайджана

Email: iradam@rambler.ru
Azerbaijan, пр. Г. Джавида, 113, Баку, AZ-1143

С. К. Шарифова

Институт катализа и неорганической химии им. академика М. Нагиева Министерства науки и образования Азербайджана

Email: iradam@rambler.ru
Azerbaijan, пр. Г. Джавида, 113, Баку, AZ-1143

А. Б. Гусейнов

Институт катализа и неорганической химии им. академика М. Нагиева Министерства науки и образования Азербайджана

Email: iradam@rambler.ru
Azerbaijan, пр. Г. Джавида, 113, Баку, AZ-1143

Ф. А. Абдуллаева

Институт катализа и неорганической химии им. академика М. Нагиева Министерства науки и образования Азербайджана

Email: iradam@rambler.ru
Azerbaijan, пр. Г. Джавида, 113, Баку, AZ-1143

Э. И. Сулейманова

Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности

Email: iradam@rambler.ru
Azerbaijan, пр. Азадлыг, 20, Баку, AZ-1010

References

  1. Moro-oka Y., & Akita M. Bio-inorganic Approach to Hydrocarbon Oxidation // Catal. Today. 1998. V. 41. № 4. P. 327–338. https://doi.org/10.1016/S0920-5861(98)00023-6
  2. Матиенко Л.И., Мосолова Л.А., Заиков Г.Е. Металлокомплексный катализ в окислительных процессах. Кинетика и механизм // Вестн. МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 2009. Т. 4. № 6. С. 3–32.
  3. Matienko L.I., Mosolova L.A., Zaikov G.E. Selective Catalytic Hydrocarbons Oxidation: New Perspectives. N. Y.: Nova Science, 2010.
  4. Shulpin G.B., Kozlov Y.N., Shulpina L.S. Metal Complexes Containing Redox-Active Ligands in Oxidation of Hydrocarbons and Alcohols: A review // Catalysts. 2019. V. 9. № 12. P. 1046. https://doi.org/10.3390/catal9121046
  5. Shulpin G.B., Shulpina L.S. Oxidation of Organic Compounds with Peroxides Catalyzed by Polynuclear Metal Compounds // Catalysts. 2021. V. 11(186). P. 1–37. https://doi.org/10.3390/catal11020186
  6. Ma Z., Mahmudov K.T., Aliyeva V.A., Gurbanov A.V., da Silva M.F.C.G., Pombeiro A.J. Peroxides in Metal Complex Catalysis // Coord. Chem. Rev. 2021. V. 437. P. 213859. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2021.213859
  7. Зейналов Э.Б., Гусейнов Э.Р. Нанокатализ. Акценты // Азерб. хим. журн. 2018. № 2. C. 40–43.
  8. Зейналов Э.Б., Алиева А.З., Нуриев Л.Г., Ибрагимов Х.Д., Ищенко Н.Я. Многостенные углеродные нанотрубки, содержащие металл в качестве катализатора // Нефтегазовые технологии. 2011. Т.6. C. 69–72.
  9. Zeynalov E.B., Friedrich J.F., Hidde G., Ibrahimov H.J., Nasibova G.G. Brominated Carbon Nanotubes as Effective Catalysts for Petroleum Hydrocarbons Aerobic Oxidation // Oil Gas Eur. Mag. 2012. № 1. P.45–48.
  10. Zeynalov E.B., Allen N.S., Salmanova N.I., Vishnyakov V.M. Carbon Nanotubes Catalysis in Liquid-Phase Aerobic Oxidation of Hydrocarbons: Influence of Nanotube Impurities // J. Phys. Chem. Solids. 2019. V. 127. № 4. P. 245–251. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2018.12.031
  11. Zeynalov E.B., Huseynov A.B., Huseynov E.R., Salmanova N.I., Nagiyev Ya.M., Abdurakhmanova N.A. Impact of as-Prepared and Purified Multi-Walled Carbon Nanotubes on the Liquid-Phase Aerobic Oxidation of Hydrocarbons // Chem. Chem. Technol. 2021. V. 15. № 4. P. 479–485. https://doi.org/10.23939/chcht15.04.479
  12. Зейналов Э.Б., Нагиев Я.М., Гусейнов А.Б., Надири М.И., Гулиев А.Д., Салманова Н.И., Аббасов М.Х., Назаров Ф.Б., Апаева Р.Р. Аэробно-пероксидное окисление нафталина в присутствии переходного металла на наноуглеродном носителе // SOCAR Proc. 2022. № 4. P. 142–149.
  13. Нагиев Я.М., Апаева Р.Р., Салманова Н.И., Надири М.И., Гусейнов А.Б., Зейналов Э.Б. Каталитическая активность железосодержащих углеродных нанотрубок в реакции окисления фракции дизельного топлива // SOCAR Proc. 2023. № 3. P. 182–189.
  14. Efendieva L.M., Aliyeva L.I., Ismailov E.G., Nuriev L.G., Suleimanova S.A., Abbasov V.M. Aerobic Oxidation of a Naphtene–Paraffin Concentrate in the Presence of Reduced Graphene Oxide // Pet. Chem. 2018. V. 58. P. 542–547.
  15. Kobotaeva N.S., Skorokhodova T.S., Ryabova N.V. Catalytic Systems of Cumene Oxidation Based on Multiwalled Carbon Nanotubes // Russ. J. Phys. Chem. A. 2015. V. 89. № 3. P. 462–468. https://doi.org/10.1134/S0036024415030164
  16. Зейналов Э.Б., Нуриев Л.Г., Агаев Б.К., Алиева А.З., Кабеткина Ю.П. Применение фуллеренов и нанотитан диоксидов в качестве перспективных катализаторов жидкофазного окисления углеводородов до карбоновых кислот // Процессы нефтехимии и нефтепереработки (спец. выпуск, посвященный 90-летнему юбилею академика Зейналова Б.К.) 2007. Т. 3. № 30. C. 34–37.
  17. Siegbahn P.E., Blomberg M.R. Transition-Metal Systems in Biochemistry Studied by High-Accuracy Quantum Chemical Methods // Chem. Rev. 2000. V. 100. № 2. P .421–438. https://doi.org/10.1021/cr980390w
  18. Crabtree R.H., Loch J.A., Gruet K., Lee G.-H., Borgmann C. Substrate Binding and Activation Via Pendant Hydrogen-Bonding Groups as an Approach to Biomimetic Homogeneous Catalysis // J. Organomet. Chem. 2000. V. 600. № 7–11. P. 14995.
  19. Dunietz B.D., Beachy M.D., Cao Y., Whittington D.A., Lippard S.J., Friesner R.A. Large Scale Ab-Initio Quantum Chemical Calculation of the Intermediate in the Soluble Methane Monooxygenase Catalytic Cycle // J. Am. Chem. Soc. 2000. V. 122. P. 2828–2839.
  20. Shulpin B.G. Metal-Catalyzed Hydrocarbon Oxygenations in Solutions: the Dramatic Role of Additives: A Review // J. Mol. Catal. A: Chem. 2002. V. 189(1). P. 39–66. https://doi.org/10.1016/S1381-1169(02)00196-6
  21. Filizola M., Loew G.H. Probing the Role of Protein Environment in Compound I Formation of Chloroperoxidase (CPO) // J. Am. Chem. Soc. 2000. V. 122. P. 3599–3605.
  22. Himo F., Eriksson L.A., Maseras F., Siegbahn P.E.M. Catalytic Mechanisms of Galactose Oxidase: A Theoretical Study // J. Am. Chem. Soc. 2000. V. 122. P. 8031–8036. https://doi.org/10.1021/ja994527r
  23. Moenne-Loccoz P., Richter O.-M.H., Huang H.-W., Wasser J.M., Ghiladi R.A., Karlin K.D., Vries S. de. Nitric Oxide Reductase from Paracoccus Denitrificans Contains an Oxo-Bridged Heme/Nonheme Diiron Center // J. Am. Chem. Soc. 2000. V. 122. P. 9344–9345.
  24. Hay B.P. & Hancock R.D. The Role of Donor Group Orientation as a Factor in Metal Ion Recognition by Ligands // Coord. Chem. Rev. 2001. V. 212. № 1. P. 61–78.
  25. Shulpin G.B. Metal-Catalysed Hydrocarbon Oxidations // C. R. Chim. 2003. V. 6. № 2. P. 163–178. https://doi.org/10.1016/S1631-0748(03)00021-3
  26. Гусейнов Э.Р., Шарифова С.К., Зейналов С.Б., Абдуллаева Ф.А., Садыхова Г.К. Комплексная соль кобальта (II) с триптофаном как биомиметический катализатор в реакциях окисления углеводородов // Сб. тез. докл. XII Междунар. конф. молодых ученых по нефтехимии. 2018. C. 429–431.
  27. Zeynalov S.B., Huseynov E.R., Sharifova S.K., Abdullayeva F.A., Abbasov M.G., Sharifova A.K. Synthesis and Study of Complex Compounds Based on Ferric Chloride (FeCl3) Reactions with Amino Acids // Chem. Probl. 2020. № 2 (18). P. 229–236. https://doi.org/
  28. Abdullayeva S., Musayeva N.N., Frigeri C., Huseynov A.B., Jabbarov R.B., Abdullayev R.B., Sultanov Ch.A., Hasanov R.F. Characterization of High Quality Carbon Nanotubes Synthesized Via Aerosol–CVD // Adv. Phys. 2015. V. 11. № 4. P. 3229–3240. https://doi.org/10.24297/jap.v11i3.6943
  29. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Ушакова А.Е. Способы получения упорядоченных углеродных нанотрубок и нановолокон методом химического осаждения из пара // Углеродные наноструктуры. 2006. № 2. C. 45–51.
  30. ГОСТ Р 58356-2019. Нанотрубки углеродные одностенные. Технические требования и методы испытаний.
  31. Tsepalov V.F., Kharitonova A.A., Gladyshev G.P., Emanuel N.M. Determination of the Rate Constants and Inhibition Coefficients of Phenol Antioxidants with the Aid of Model Chain Reactions // Kinet. Catal. 1977. V. 18. № 5. P. 1034–1041.
  32. Zeynalov E.B., Vasnetsova O.A. Kinetic Screening of Inhibitors of Radical Reactions. Baku: Elm, 2015. 228 p.
  33. Zeynalov E.B., Allen N.S. Simultaneous Determination of the Content and Activity of Sterically Hindered Phenolic and Amine Stabilizers by Means of an Oxidative Model Reaction // Polym. Degrad. Stab. 2004. V. 85. № 2. P. 847–853.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Optical images of manganese glycinate [NH2CH2COO]2Mn∙2H2O during its melting: a − 25°C, b − 230°C and c − 270°C.

Download (267KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. SEM images of synthesized Fe@MWCNTs.

Download (394KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Results of EDX analysis of the elemental composition of synthesized Fe@MWCNTs.

Download (103KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Schematic representation of a gasometric setup for measuring the amount of oxygen absorbed in oxidation reactions [18, 19].

Download (177KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Kinetic dependences of oxygen absorption during aerobic oxidation of cumene in the absence of additives (2) and in the presence of [NH2CH2COO]2Mn∙2H2O (1), Fe@MWCNTs (4) and a mixture of [NH2CH2COO]2Mn∙2H2O + Fe@MWCNTs (3) (reaction mixture volume 10 cm3, temperature 100°C; amount of additives: [NH2CH2COO]2Mn∙2H2O – 2 g/l (2), [NH2CH2COO]2Mn∙2H2O and Fe@MWCNTs – 1 g/l each (3), Fe@MWCNTs – 2 g/l (4)).

Download (166KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. General scheme of the reaction of aerobic oxidation of liquid hydrocarbon (RH) in the presence of amino acid salts and metal-containing carbon nanotubes (M – metal).

Download (81KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences