Химики-теоретики предложили новую стратегию по использованию карбида кальция в синтезе органических соединений
7 ноября 2020
При словах «карбид кальция», многие вспомнят уроки химии в школе, реакцию белого твердого вещества с водой и выделение ацетилена . Исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета и Института органической химии РАН имени Н.Д. Зелинского моделировали процессы, происходящие при взаимодействии карбида кальция с водой и диметилсульфоксидом на атомарном масштабе. Проанализировав результаты этого моделирования, они предложили подход, стратегию, как можно разрабатывать новые органические реакции с этим хорошо известным веществом. Подробно c работой можно ознакомиться в статье, недавно опубликованной в журнале Chemical Science Королевского химического общества. Это новая работа в рамках проекта по актуальной химии карбида кальция, поддержанного грантом СПбГУ, который ведется в Лаборатории кластерного катализа университета.
:no_upscale()/imgs/2020/11/07/11/4329405/a8e7aae2336a257be070376e5506a0e43583eb3c.png)
Карбид кальция – желтовато-белое или серое твердое вещество, используя которое в школе демонстрируют получение ацетилена в результате реакции карбида с водой.
Общественное достояние
«Карбид кальция известен уже более ста лет, и все это время его производят в промышленных масштабах для получения газообразного ацетилена. Углерод для синтеза карбида добывают в шахтах. Так, количество углерода над поверхностью планеты постоянно растет, а под поверхностью – снижается, т.е. подобный углеродный цикл не является нейтральным, что ведет к очевидным проблемам», − говорит Константин Родыгин, научный сотрудник Лаборатории кластерного катализа СПбГУ.
Один из соавторов статьи, Михаил Полынский рассказал порталам Mendeleev.Info и Indicator.ru о работе более подробно.
Сам карбид можно рассматривать как соль ацетилена, а ацетилен HC≡CH – как очень слабую двухосновную кислоту. К сожалению, в органических растворителях, даже полярных, как диметилсульфоксид, карбид кальция не растворяется. А с водой он интенсивно реагирует. Для синтеза сложных органических веществ интересны именно ацетилениды −C≡C− и HC≡C−, то есть кислотные остатки. Получается, что ацетилениды очень сложно получить в растворе, а органические реакции чаще всего проводят именно в растворах.
Любопытно, что хоть часть расчетов мы проводили на вычислительных серверах Ресурсного центра СПбГУ, также использовали и относительно простой лабораторный компьютер, какой можно было бы использовать для компьютерных игр. Современные «геймерские», игровые компьютеры оснащаются мощными процессорами и видеокартами – именно они нужны для квантово-химических вычислений, и, порой, игровых процессоров и видеокарт вполне достаточно.
Слева: Фото вычислительных серверов ресурсного центра СПбГУ, на которых проводились расчеты. Справа: «геймерский» компьютер с открытой крышкой корпуса, на котором выполняли симуляцию борн-оппенгеймеровской молекулярной динамики. Все торговые марки, имена и логотипы которых видны на фото, принадлежат правообладателям.
Мы оценили кислотные свойства ацетилена, воды и некоторых других соединений в растворителе диметилсульфоксиде, а также оценили, может ли образоваться раствор из карбида кальция или продукта его неполного гидролиза. В ходе гидролиза кислотный остаток −C≡C− превращается в HC≡C−, этот процесс называется протонированием, и именно второй ацетиленид может образовываться в растворе. Анализ кислотности показал, что в растворителе диметилсульфоксиде реализуется необычная ситуация: вода более слабая кислота, чем HC≡C−, поэтому вода не может интенсивно протонировать ацетиленид HC≡C−. После проведения такого анализа стало понятно, что вместо воды можно использовать и другие вещества, способные участвовать в протонировании −C≡C−, для перевода ацетиленида в раствор, а в качестве растворителя для реакций с карбидом кальция можно искать альтернативные диметилсульфоксиду, еще менее токсичные и «зеленые» растворители.
Текст: Михаил Полынский
