УДК 541.128.13 Волгоградский государственный технический университет, г.Волгоград

УДК 541.128.13
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ И СТРУКТУРНЫЕ
ПРЕВРАЩЕНИЯ МОЛЕКУЛ
В ГЕТЕРОГЕННО-КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЯХ
И.Ю. Климова, В.А. Козловцев, В.А. Навроцкий, М.В. Тростянская
e-mail: [email protected]
Волгоградский государственный технический университет, г.Волгоград
Направленное изменение структуры молекул при резонансном возбуждении колебаний атомов с определенной частотой и амплитудой позволит
управлять структурными превращениями веществ в процессе их синтеза. Вероятность получения требуемой структуры зависит от резонансных условий
при передаче электромагнитных колебаний реакционной системе. В качестве
источников могут выступать лазеры [1] на основе полупроводниковых гетероструктур [2], обеспечивающих сверхвысокочастотные колебания. Мы считаем,
что эту роль могут выполнять катализаторы, частота колебания которых регулируется их составом. При этом резонансная частота колебания катализатора
должна совпадать с частотой той группы в исходной молекуле, которая подвергается изменению в ходе структурных превращений.
Целью настоящих исследований является разработка подхода
направленного изменения структуры реагирующих молекул, под действием электромагнитных полей, создаваемых гетерогенным катализатором.
В качестве объектов исследования выбраны изомерные превращения мета и орто-ксилолов в пара-ксилол и синтез дивинила из этанола по способу Лебедева.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
 определить частоты и амплитуды колебания связей, при которых
наблюдается их селективный разрыв в исходных веществах и образование в продуктах с учетом механизма реакции;
 определить качественный и количественный состав катализаторов, создающих резонансные частоты колебаний, совпадающие с частотами
разрыва и образования связей.
Результаты проведенных квантово-химических расчетов частот колебаний (ν), соответствующих разрыву и образованию С–СН3 связей в молекулах мета-, орто- и пара-ксилолов показывают, что разрыв С–СН3-связи
проходит в интервале частот 1409.53-1421.96 см-1 при амплитуде колебания
(А) 2.4983-3.7766 Å, а образование С–СН3-связи в пара-ксилоле при частоте
колебания 1156.78 см-1 и амплитуде 1.4853 Å. Следовательно, для получения пара-ксилола необходимо подобрать состав катализатора, излучающий
электромагнитные сигналы с аналогичными частотами и амплитудами.
На основании предложенного нами подхода установлены составы
гетерогенных катализаторов, позволяющих селективно разрушать и образовывать изомерные структуры ароматических углеводородов С8, посколь-
1
ку их резонансные частоты близки к частотам разрыва и образования соответствующих связей в структурах изомеров.
Результаты проведенных квантово-химических расчетов колебательных спектров свидетельствуют о том, что катализаторы, содержащие SiO2
и MgO, способны создавать резонансные колебания для селективного разрыва С–СН3 связи в изомерах. Катализаторы, содержащие Al2O3 и SiO2,
способны создавать резонансное состояние, отвечающее за образование С–
СН3 связи в молекулах пара- и орто-ксилолов. Так, например, катализатор
состава 35% Al2O3+65% SiO2 позволяет селективно получать при температуре 638 К как орто- (20.7 масс. %), так и пара-ксилолы (23.8 масс. %) из
смеси изомеров (С8), поскольку частоты образования С–СН3-связей в этих
изомерах близки [4].
При рассмотрении процесса получения дивинила из этанола исходили из наличия следующих промежуточных стадий: дегидрирование этанола в уксусный альдегид (лимитирующая стадия), альдольная конденсация
двух молекул уксусного альдегида, восстановление кротонового альдегида
в кротиловый спирт и последующая его дегидратация в дивинил.
Проведенные квантово-химические расчеты частот и амплитуд колебания связей в молекулах исходных веществ лимитирующей стадии, показывают что разрыв С-Н и С-ОН-связей в молекулах уксусного альдегида
произойдет при их колебаниях в частотном интервале 1336-1393 см-1 и амплитуде 4.8339 Å, а стабилизация С=С-связи в молекуле кротонового альдегида – при частоте колебания 1191 см-1 и амплитуде 1.3362 Å. Имеющиеся экспериментальные данные по проведению синтеза дивинила из этанола по способу Лебедева показывают, что наибольший выход дивинила (2039%) достигается на катализаторах, имеющих резонансные частоты, отвечающие за разрыв или образование связей.
Таким образом, предложенный подход изменения структуры молекулы путем резонансной передачи реакционной системе электромагнитного излучения гетерогенного катализатора, спектральный состав которого
совпадает с колебаниями трансформируемых связей, позволит селективно
получать целевой продукт и подбирать качественный и количественный
состав гетерогенного катализатора для конкретного химического превращения.
Список литературы
1. Killelea D.R.Campbell V.L., Shuman N.S. et al.//Science. 2008. V. 319. P. 790.
2.Алферов Ж.И. //Физика и техника полупроводников. 1998. Т.32. №1. С.3-18.
3.Максименко И.Ю., Козловцев В.А., Навроцкий В.А.//Изв. ВолгГТУ.
2007. №5. С. 66-69.
4.Коновальчиков О.Д., Поезд Д.Ф., Жагфарова С.Б. и др. Катализатор для
изомеризации ксилолов//Патент RU № 1821999. 1996
5.Лебедев С.В. Труды опытного завода, лит. Б, 44, 1934.
2
6. Corson B.B., Jones H.E., Welling C.E., Hinckley J.A., Stahly E.E. Butadiene
from ethyl alcohol. Ind. Eng. Chem., 41, 1949.
3