Микроволновый синтез: эффективный подход к созданию наноматериалов и органических соединений

Источник: Microwave-Assisted Chemistry: Synthetic Applications for Rapid Assembly of Nanomaterials and Organics // Accounts of Chemical Research, Vol. 47/Issue 4

В данном обзоре рассматривается текущее состояние MW-синтеза, включая различные типы оборудования, классы органических реакций с использованием наноматериалов, а также синтез уникальных многофункциональных наноструктур — от нуль- до трехмерных (сферы, гексагоны, нанопризмы, звездообразные формы, наностержни). Создание точно заданных наноматериалов и нанокатализаторов — ключевая задача нанотехнологий и катализа, поскольку их свойства зависят от контроля размера, формы и состава, что важно для применения в органическом синтезе.

MW-методы позволяют удобно и воспроизводимо получать наночастицы типа «ядро-оболочка» благородных и переходных металлов с регулируемой толщиной оболочки. Особое внимание уделяется MW-селективному нагреву в синтезе магнитных нанокатализаторов.

Синтез наноматериалов с использованием микроволн

Микроволновый (MW) синтез неорганических наноматериалов и нанокатализаторов быстро развиваются. К неорганическим наноматериалам относятся различные классы функциональных материалов, такие как металлы, оксиды, сульфиды, фосфаты и галогениды. В данном обзоре представлены избранные примеры синтеза наночастиц, демонстрирующие универсальность MW-подхода для получения разнообразных наноматериалов. Также рассмотрены примеры их применения под действием MW-излучения.

Синтез наночастиц палладия с использованием витамина B₁

Разработан простой и удобный метод получения нанолент, нанопластин и древовидных наноструктур палладия (Pd) с использованием витамина B₁. Примечательно, что метод не требует стабилизаторов, а в качестве растворителя используется вода (Рисунок 4). Полученные структурированные Pd-материалы применялись в различных реакциях C–C-связывания, таких как реакции Хека, Сузуки и Соногаширы, под действием MW-излучения.

Синтез нанокристаллических 3D-оксидов металлов в водной среде

Интересно отметить, что под MW-излучением оксиды металлов самоорганизуются в различные 3D-наноструктуры (октаэдры, сосновидные, треугольные стержни, сферы и гексагональные снежинкоподобные морфологии), причем форма определяется природой металла.

Синтез наночастиц благородных металлов в водной среде

Размер металлических наночастиц можно контролировать, изменяя мольное соотношение реагентов. Разработан эффективный MW-метод синтеза золотых наночастиц заданной формы с использованием 2,7-дигидроксинафталина (2,7-DHN) в качестве восстановителя. Варьируя соотношение ПАВ к ионам металла и концентрацию 2,7-DHN, можно получать наночастицы различной морфологии: сферы, полигоны, стержни и треугольные призмы.

Заключение

Методы микроволнового (MW) нагрева, применимые в различных форматах, позволяют решить проблему неравномерного нагрева, характерную для традиционных термических методов. MW-нагрев обеспечивает ускоренную кинетику реакций, быстрое начальное нагревание и, как следствие, повышенную скорость реакций, что приводит к получению чистых продуктов при почти полном расходовании исходных веществ и высоких выходах. Несомненно, MW-химия значительно сокращает время реакций и повышает выход продуктов, минимизируя образование нежелательных побочных соединений. Эта технология уже нашла применение в разработке лекарств, фармацевтической промышленности, а также в синтезе пептидов и белков.

MW-синтез внес значительный вклад в создание 3D-материалов и точно заданных наноматериалов в водных средах без использования стабилизаторов или восстановителей. Этот метод открывает уникальные возможности для получения наночастиц с однородным и малым размером, что трудно достичь другими способами синтеза.