Координационный полимер помог разделить смесь изомерных ксилолов

Химики из Китая и США синтезировали координационный полимер на основе марганца, способный при разных температурах селективно адсорбировать каждый из трех изомерных ксилолов. С помощью полученного полимера можно разделить три ксилола с близкими температурами кипения как в жидкой, так и в газовой фазе, пишут ученые в Science.

Молекулы ксилолов (диметилбензолов) построены из шестичленного углеродного кольца, к которому присоединены две метильные группы. Причем метильные группы могут располагаться относительно друг друга тремя способами: в случае орто-изомера они находятся на соседних атомах углерода, в случае пара-изомера — на противоположных, а в случае мета-изомера — через один углерод. Так, существуют три изомерных диметилбензола с разным расположением метильных групп.

В промышленном синтезе все три изомерных ксилола получаются одновременно, и их необходимо разделять. Но из-за похожей структуры и близких температур кипения поделить их хроматографией или перегонкой очень трудно. Поэтому сейчас для разделения ксилолов применяют пористые материалы, способные селективно адсорбировать один изомер в присутствии других.

Химики под руководством Ли Цзиня (Li Jing) из Ратгерского университета обнаружили, что известный ранее координационный полимер на основе марганца и 2,5-дигидрокси-1,4-бензохинона может выступать таким адсорбентом. Они синтезировали этот полимер из ацетата марганца (II) и бензохинона в воде, а затем нагревали его при 423 кельвинах в течение суток — благодаря этому адсорбционная способность полимера увеличилась.

Затем химики исследовали, как полимер адсорбирует пары каждого из изомерных ксилолов при разных температурах. Оказалось, что при 333 кельвинах лучше всего адсорбируются пара- и мета-изомеры. А при повышении температуры до 393 кельвинов мета-изомер перестает поглощаться, и адсорбируется только пара-изомер. При этом поглощающая способность полимера оказалась рекордной среди известных материалов, использующихся для разделения: она превысила отметку в 200 миллиграммов ксилола на грамм полимера.

Далее химики взяли газовые смеси ксилолов и протестировали на них свой полимер. При температуре в 369 кельвинов селективность адсорбции пара-изомера к мета-изомеру составила 34,8 к одному, а пара-изомера к орто-изомеру — 37,9 к одному. Эти значения также оказались рекордными среди известных пористых материалов.

В случае же смесей жидких ксилолов селективность изменилась незначительно. Так, пара-изомер адсорбировался очень эффективно — примерно в 40 раз лучше, чем два других. Причем селективность оставалась высокой при повышении температуры до 393 кельвинов, что нехарактерно для известных пористых адсорбентов.

Чтобы выяснить, можно ли разделять ксилолы с помощью полученного полимера, химики пропускали смеси трех ксилолов через сосуд, набитый гранулами полимера. Ученым удалось подобрать температуру окружающей среды так, чтобы разделение происходило наиболее эффективно. При температуре 363 кельвина поглощался практически только пара-ксилол, а при температуре в 303 кельвина — только мета-ксилол. Выделить ксилолы обратно оказалось несложно — достаточно было нагреть полимер до температуры около 420 кельвинов.

Химики показали, как смесь трех очень похожих по физическим и химическим свойствам изомерных ксилолов можно разделить с помощью пористого координационного полимера, который легко получить из коммерчески доступных исходников. Причем поглощающая способность полимера не упала после 20 последовательных циклов адсорбции-десорбции пара-ксилола.

Пористые материалы нужны не только для разделения веществ. Например, недавно мы рассказывали о том, как пористый органический полимер защитил мороженое и ледник от таяния.

Михаил Бойм