Chemici z Petrohradské univerzity objevili pomocí počítačového modelu možnosti „zelenějšího“ využití karbidu vápníku | Petrohradská státní univerzita
Teoretičtí chemici z Petrohradské univerzity a Ústavu organické chemie N. D. Zelinského Ruské akademie věd vyvinuli novou strategii pro využití karbidu vápníku při syntéze organických sloučenin. Výzkumníci navrhli nový přístup založený na výsledcích modelování interakce karbidu vápníku s vodou a dimethylsulfoxidem.
Výzkum byl publikován v časopise Chemical Science Královské společnosti chemie.
Karbid vápníku je lidstvu znám již přes 150 let – je to pevná látka žlutobílé, béžové nebo šedé barvy, získaná kombinací vápníku s uhlíkem. Dnes se karbid vápníku používá k výrobě plynného acetylenu, který se hojně používá v průmyslu – od výroby kyseliny octové a ethylalkoholu až po plasty, gumu a raketové motory.
Uhlík potřebný k syntéze karbidu vápníku se netěží udržitelným způsobem – v dolech. V důsledku toho se zásoby fosilních paliv vyčerpávají (což není udržitelný přístup) a množství uhlíku nad zemským povrchem se zvyšuje. „Pracujeme na strategii uhlíkově neutrálního výrobního cyklu. Zejména uhlík vytěžený během tepelného rozkladu (pyrolýzy) odpadu lze použít k získání karbidu vápníku a výslednou látku lze využít v průmyslu k vytváření nových sloučenin,“ uvedl Konstantin Rodygin, vědecký pracovník Laboratoře klastrové katalýzy na Petrohradské státní univerzitě.
Studie byla podpořena grantem Státní univerzity v Petrohradu a proběhla v rámci projektu o současné chemii karbidu vápníku, který realizuje Laboratoř klastrové katalýzy univerzity za účasti výzkumníků z Ústavu organické chemie N. D. Zelinského Ruské akademie věd. Významná část modelování byla provedena s využitím kapacit RRC „Výpočetní centrum“ Vědeckého parku Státní univerzity v Petrohradu.
„Hlavní výzvou pro lidstvo je dnes vytvoření průmyslových procesů nové generace, které umožňují získávat nejdůležitější organické sloučeniny a materiály v rámci uhlíkově neutrálního přístupu. Zvláštní význam má nahrazení fosilních zdrojů obnovitelnými, a tím řešení environmentálních problémů. Jak ukazuje naše práce, organická syntéza založená na karbidu vápníku otevírá nové možnosti pro implementaci uhlíkově neutrálních technologií. Klíčový význam má navíc pochopení chemických procesů transformace karbidových částic v chemických procesech v roztoku,“ uvedl Valentin Ananikov, vedoucí laboratoře klastrové katalýzy na Petrohradské státní univerzitě, vedoucí laboratoře kovových komplexů a nanokatalyzátorů v Ústavu organické chemie N. D. Zelinského Ruské akademie věd.
Chemici byli schopni navrhnout novou strategii pro využití této látky modelováním procesů, které probíhají na atomové a molekulární úrovni během interakce karbidu vápníku s vodou a rozpouštědlem dimethylsulfoxidem. Karbid vápníku je v podstatě sůl, která obsahuje negativně nabité kyselé zbytky acetylenu (tzv. acetylidové anionty s nábojem -2) a kladně nabité ionty vápníku. Práce zkoumala acidobazické vlastnosti acetylidových aniontů, vody a některých dalších látek v rozpouštědle dimethylsulfoxidu. V takovém rozpouštědle lze pozorovat neobvyklou situaci: interakce acetylidových aniontů a vody, nazývaná hydrolýza, je neúplná. Vznikají anionty s nábojem -1, které pak mohou vstupovat do široké škály chemických reakcí, které jsou klíčové pro organickou syntézu.
„Po provedení analýzy se ukázalo, že místo vody lze k přeměně acetylidu do roztoku použít jiné protonizační látky a jako rozpouštědlo pro reakce s karbidem vápníku lze hledat alternativy k dimethylsulfoxidu, dokonce méně toxická a „zelená“ rozpouštědla,“ uvedl spoluautor článku, asistent na Ústavu chemie Petrohradské státní univerzity Michail Polynsky.
Výroba karbidu vápníku by se tak mohla potenciálně stát ekologičtější nejen díky potenciálně bezpečnějším metodám extrakce uhlíku, ale také proto, že karbid vápníku může reagovat s méně toxickými rozpouštědly.
Asistent Ústavu chemie Petrohradské státní univerzity Michail Polynský
Je třeba poznamenat, že jednou z autorek článku byla absolventka Petrohradské státní univerzity Maria Sapova, která na projektu začala pracovat již během magisterského studia. „Úkol mě okamžitě zaujal: myšlenka kombinace různých výpočetních metod otevírá velké možnosti pro modelování složitých procesů, jako je v našem případě proces rozpouštění. Tato práce mi pomohla nejen rozšířit obzory, ale také překročit rámec úkolů modelování krystalů, na kterých jsem pracovala, a pocítit limity použitelnosti různých metod výpočetní chemie. Myslím si, že takové složité vícestupňové přístupy k modelování by měly být dále rozvíjeny: to nám umožní přiblížit se k popisu reálných experimentů,“ uvedla Maria Sapova.
Jak upřesnil Michail Polynskyj, práce v této fázi je čistě teoretická a spočívala v počítačovém modelování procesu získávání acetylidů z karbidu vápníku. „Pro modelování jsme použili tzv. kvantově-chemické metody, Bornovu-Oppenheimerovu molekulární dynamiku. V důsledku takového modelování je možné vytvořit krátký molekulární film ukazující, jak vypadá pohyb atomů a molekul ve velmi krátkých, pikosekundových časových intervalech,“ uzavřel Michail Polynskyj.