КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-73-30010

НазваниеСовременные органические материалы: от развития теории катализа к дизайну востребованных продуктов из углеводородного и растительного сырья

РуководительНифантьев Илья Эдуардович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2021 г. - 2024 г. 

Конкурс№53 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-403 - Гомогенный катализ и гетерогенный катализ

Ключевые словаполиолефины, одноцентровые катализаторы полимеризации, цирконоцены, металлоцены, селективная олигомеризация этилена, синтетические масла, противотурбулентные присадки, биоразлагаемые полимеры, композиционные материалы

Код ГРНТИ31.25.19


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Одним из элементов рациональной стратегии в развитии отечественной нефтехимии, включая углубление переработки углеводородного и возобновляемого сырья, является создание на базе отечественных научных лабораторий мирового уровня Центров Компетенции, фокусирующихся на решении наиболее актуальных научных и прикладных задач общего и нефтехимического катализа и демонстрирующих способность и желание вести свою деятельность совместно с российскими профильными компаниями, выражающими интерес в развитии инноваций. Настоящий конкурс проектов РНФ нацеливает именно на поддержку таких коллективов. В последние годы на базе Лаборатории металлоорганического катализа ИНХС РАН (Лаборатория), сформировался Центр Компетенции в области каталитического синтеза органических материалов, деятельность которого направлена, главным образом, на развитие теории гомогенного катализа, создание перспективных органических материалов и разработку прорывных научных решений актуальных задач стоящих перед отечественным бизнесом. Центр действует в тесном контакте как с крупнейшими отечественными нефтехимическими компаниями, так и с рядом мировых химических компаний - лидеров отрасли. Первым реализованным проектом Лаборатории явилось создание инновационного подхода к каталитическому синтезу во фторорганической среде сверхвысокомолекулярных полиальфаолефинов (С6-С12), способных гасить турбулентность жидкости в потоке и используемых для интенсификации трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. На базе предложенного научного решения совместно со специалистами ПАО "Транснефть", ООО "НИКА-ПЕТРОТЕК", МГУ имени М.В.Ломоносова и ИОС УрО РАН была разработана технология производства противотурбулентных присадок (ПТП), включая синтез катализатора этого процесса. Для коммерциализации этой технологии ПАО "Транснефть" создала компанию ООО "Транснефть-синтез", которая построила и ввела в строй завод по производству ПТП в ОЭЗ "Алабуга" производительностью 3 тыс.тонн в год. Лаборатория предполагает наращивать свою активность в области создания инноваций. Деятельность Лаборатории в ближайшие годы будет направлена на поиск оригинальных каталитических решений для процессов, сопровождающихся образованем С-С и С-О связей и на разработку перспективных углеводородных и сложноэфирных низкомолекулярных и полимерных материалов. Учитывая важность фундаментально-научной базы для успеха в разработке конкурентоспособных технологий, мы надеемся, что успех в наших научных исследованиях позволит коммерциализировать найденные решения совместно с российскими нефтехимическими компаниями. Учитывая, что сложноэфирные полимерные материалы широко применяются в медицине, предполагается распространить деятельность Лаборатории и на создание перспективных материалов биомедицинского назначения. Основными точками приложения усилий по проекту являются те области гомогенного катализа, актуальность технологического прорыва в которых для РФ, на наш взгляд, в настоящее время наиболее велика: 1. Разработка теории и практики одноцентрового катализа Циглера-Натта, включая разработку оригинальных подходов к контролю степени олигомеризации/полимеризации этих процессов. Успешное решение обозначенных фундаментальных задач позволит сформировать технологические принципы создания гомогенных и суппортированных одноцентровых металлоценовых катализаторов производства ряда высокомаржинальных полиолефинов, а также разработать каталитическую систему и реализовать в промышленном масштабе селективную олигомеризацию этилена (наиболее эффективный на настоящий момент метод синтеза гексена-1 и октена-1) и олигомеризацию α-олефинов (с целью производства синтетических масел); 2. Углубление научных представлений о синтезе сложных эфиров и их переэтерификации. Успешное решение обозначенных фундаментальных задач позволит создать современные биоразлагаемые полимеры и масла, а также разработать серию востребованных продуктов из растительного сырья; 3. Разработка современных подходов к дизайну природоподобных синтетических биоразлагаемых материалов биомедицинского назначения на основе полиэфиров и полифосфатов, что позволит создать отечественные композиционные и/или волокнистые и высокопористые материалы для медицины, развить современные технологии адресной доставки лекарств. Деятельность Лаборатории по проекту будет проходить при участии студентов и аспирантов ведущих московских ВУЗов (МГУ, МФТИ, ВШЭ и др.), а также коллег из ведущих отечественных нефтехимических компаний (СИБУР, ТАТНЕФТЬ, ТРАНСНЕФТЬ) и крупных медицинских центров (Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии имени почётного академика Н. Ф. Гамалеи, ФГБУ "НЦ акушерства, гинекологии и перинатологии им. В.И. Кулакова", ФГБУ "Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени Н.Н. Приорова" и др.).

Ожидаемые результаты
Согласно концепции настоящего конкурса, его ориентации на создание научных основ прорывных отечественных технологий, результатами выполнения Проекта будут фундаментальные концепции и данные, с применением которых будут разработаны востребованные в РФ технологии производства органических материалов из нефтехимического и возобновляемого сырья: 1. Противотурбулентные присадки (ПТП) из этилена На основании разработанных заделов по синтезу полиальфаолефинов и селективной олигомеризации этилена будет разработан индустриально применимый тандемный подход к синтезу поли-α-олефинов из этилена (рис. 1.1). Коммерческий успех этой технологии обеспечит использование более дешевого и доступного сырья (стоимость этилена в 2-3 раза ниже стоимости гексена-1, октена-1 и децена-1). В случае выполнения проекта это будет первый в РФ реализованный современный процесс по селективной олигомеризации этилена на хромовых катализаторах. Эта часть проекта будет осуществлена в сотрудничестве с коллегами из ООО "НИКА-ПЕТРОТЕК", ООО "ТРАНСНЕФТЬ-СИНТЕЗ" и ИОС УрО РАН. 2. Суппортированные металлоценовые катализаторы, включая разработку алюминиевых и борных сокатализаторов Высокомаржинальные полиэтилены обычно получают газофазной сополимеризацией этилена с подходящими сомономерами (рис. 1.2). Технологии производства таких катализаторов, обычно, не лицензируются. Для создания оригинального отечественного суппортированного металлоценового катализатора необходимо одновременно решить три крупные научные и организационные проблемы: - разработка эффективных и оригинальных прекатализаторов, представляющих собой металлоцены или металлоценоподобные структуры; - разработка и реализация отечественной технологии производства метилалюмоксановых и/или перфторфенилборатных сокатализаторов; - разработка оригинальных и эффективных подходов к суппортированию металлоценовых катализаторов (рис. 1.3), включая доскональное исследование каталитических особенностей их функционирования. В случае выполнения проекта это будет первый в РФ реализованный процесс по синтезу металлоценового гетерогенизованного катализатора для газофазной полимеризации. Эта часть проекта будет осуществлена в сотрудничестве с коллегами из ПАО "СИБУР". 3. Синтетические масла каталитической олигомеризацией децена-1, включая синтез масел из растительного сырья. Наиболее прогрессивная технология производства премиальных синтетических полиальфаолефиновых масел (ПАОМ) заключается в гомогенной олигомеризации децена-1 на металлоценовых катализаторах с последующим гидрированием (рис. 1.4). Этой технологией владеют Chevron, Exxon Mobil и Idemitsu. Естественно, эта технология не лицензируется. Вместе с тем, высококачественные ПАОМ крайне необходимы, особенно для эксплуатации различных изделий и механизмов при пониженных температурах, в условиях Арктики, а также для ряда стратегических целей. В ходе выполнения настоящего проекта будут разработаны оригинальные и эффективные металлоценовые катализаторы, на которых будет можно получать низко-, средне- и высоковязкие ПАОМ и будет реализован первый в РФ процесс по синтезу металлоценовых ПАОМ, то есть, фактически в РФ будет реализован первый в истории гомогенный металлоценовый процесс. Интересным развитием темы ПАОМ является разработка их синтеза из растительного сырья. Идея заключается в том, что олеиновая кислота может быть превращена в децен-1 реакцией метатезиса с этиленом (рис. 1.5). В том случае, если удастся изобрести технологически и коммерчески применимый катализатор этого процесса (на настоящий момент этот вопрос не решен), то схема производства ПАОМ окажется не только каталитически эффективной, но и экологически привлекательной. Эта часть проекта будет осуществлена в сотрудничестве с коллегами из ПАО "ТАТНЕФТЬ". 4. Биоразлагаемые полимеры (БРП) В настоящее время остро стоит проблема борьбы с отходами пластика. Поэтому, обычно организации, вовлеченные в полиолефиновый бизнес, вынуждены заниматься исследованиями по созданию биоразлагаемых пластиков упаковочного назначения, как правило, сложноэфирной природы, а также по переработке пластика. В РФ необходимость организации производства биоразлагаемых пластиков назрела давно, однако, таких производств создано не было. В ходе выполнения настоящего проекта будут разработаны научные основы технологии производства полиэфирных биоразлагаемых полимеров на основе диолов и дикарбоновых кислот с регулируемой архитектурой (рис. 1.6). Реализация этой технологии позволит существенно улучшить качество жизни в РФ. Эта часть проекта будет осуществлена в сотрудничестве с коллегами из ООО "НИКА-ПЕТРОТЕК", ООО "ТРАНСНЕФТЬ-СИНТЕЗ" и ИОС УрО РАН. 5. Костные протезы с повышенной остеогенностью Биоразлагаемые полимеры широко используются в биомедицинских целях. Особенно объемным является их применение для создания биоразлагаемого протезного материала, использование которого существенно облегчает реабилитацию больного. Для получения биоразлагаемых полимеров биомедицинского профиля обычно применяют каталитическую полимеризацию с раскрытием цикла лактонов, лактидов и этиленфосфатов (рис. 1.7). Для производства костных протезов часто используют композитные материалы на основе полилактидов и различных фосфатов кальция. В ходе выполнения настоящего проекта будут разработаны оригинальные композиты полилактид/гидроксиаппатит и полилактид/трикальцийфосфат, в частности, с улучшенной остеогенностью, а также созданы композиты на основе лактидных материалов и антибиотиков, факторов роста и других физиологически активных соединений для их применения в костной хирургии. Эта часть проекта будет осуществлена в сотрудничестве с коллегами из ФГБУ "Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени Н.Н. Приорова". 6. Синтез "умных" сополимеров и их использование для создания скаффолдов (3D-печать, электроспиннинг) с повышенной клеточной адгезией, доставки лекарств и генетических векторов Синтез полимеров "живой" каталитической полимеризацией с раскрытием цикла позволяет получать различные "умные" блок-сополимеры, в частности, заряженные и незаряженные амфифильные блок-сополимеры. Такие полимеры вызывают огромный интерес, так как на их основе можно создавать уникальные материалы биомедицинского назначения. В ходе выполнения настоящего проекта будет предпринята попытка разработать амфифильные блок-сополимеры на основе полиэтиленфосфорной кислоты для доставки лекарств-аминов, амфифильные блок-сополимеры на основе биоразлагаемых полиаминов для доставки нуклеиновых кислот, а также разработать скаффолды (3D-печать, электроспиннинг) с повышенной клеточной адгезией для их использования в тканевой инженерии. Успешное выполнение этих работ позволит расширить перечень высокотехнологичных лекарственных средств и улучшить качество жизни в РФ. Эта часть проекта будет осуществлена в сотрудничестве с коллегами из Национального исследовательского центра эпидемиологии и микробиологии имени почётного академика Н. Ф. Гамалеи, ФГБУ "НЦ акушерства, гинекологии и перинатологии им. В.И. Кулакова" и ФГБНУ "Научно-исследовательского институт морфологии человека". Для успешной реализации поставленных целей необходимо решить ряд актуальнейших каталитических задач. Отметим, что именно синтез полиолефинов и биорезорбируемых полиэфиров являются в настоящее время наиболее серьезно изучаемыми гомогенно-каталитическими процессами (учитывая количество и уровень научных публикаций). Поэтому многие научные группы – мировые лидеры в области гомогенного катализа (например, коллективы под руководством R. Waymouth, J.-F.Carpentier, B.Rieger и др.) проводят или проводили свои исследования по обеим тематикам. Часть предполагаемых работ, например, разработка синтеза сокатализаторов для металлоценовой полимеризации и получение суппортированных металлоценовых прекатализаторов, носит импортозамещающий характер. Без успешного выполнения этих работ никакая практическая деятельность в области металлоценового катализа в РФ не имеет смысла из-за высокой вероятности органичений импорта металлоценовых катализаторов и сокатализаторов. Все другие исследования носят фундаментальный и инновационный характер, планируемые результаты не имеют аналогов. Учитывая высокий потенциал коммерциализации, по материалам работы предполагается получить десятки патентов РФ. Заметим, что продукт-ориентированный характер настоящего проекта подразумевает проведение исключительно исследований прорывного международного уровня. Действительно, любой гражданский продукт обречен на конкуренцию на открытых рынках. Именно поэтому, как мы считаем, реально востребованными для внедрения в условиях РФ являются только такие работы, научные основы которых могут/должны быть опубликованы в журналах уровня Q1. Именно в журналах Q1 мы и предполагаем публиковать результаты деятельности Лаборатории, что, на наш взгляд, естественно для лабораторий именно мирового уровня, и соответствует духу условий настоящего конкурса РНФ.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Современные органические материалы: от развития теории катализа к дизайну востребованных продуктов из углеводородного и растительного сырья Углубление переработки углеводородного и растительного сырья является одной из амбициозных задач современной химии и стратегической научно-технической проблемой для РФ. Успешное решение этой задачи связано с достижением прогресса во внедрении современных каталитических технологий, а также с созданием востребованных органических материалов, организация производства которых приведет к качественному повышению уровня жизни граждан нашей страны и устойчивости развития бизнеса в РФ. Помимо разработки актуальных продуктов нефтехимии, важным направлением органического материаловедения является создание разнообразных биоразлагаемых материалов на основе сложных эфиров. Интерес к этим продуктам продиктован не только перспективами их использования в различных биомедицинских приложениях, но и актуальным трендом на запрет полиолефиновой упаковки. Настоящий проект направлен на создание научных основ серии взаимосвязанных каталитических технологий переработки нефтехимического и растительного сырья с целью создания востребованных материалов технического и биомедицинского назначения, а также изделий из них. Научная программа проекта предполагает проведение исследований по шести основным направлениям, посвященных разработке: – научных основ тандемной технологии производства полиолефиновых противотурбулентных присадок; – научных основ получения высокомаржинальных полиэтиленов; – поли-α-олефиновых масел с опережающими характеристиками (в том числе – из возобновляемого сырья); – биоразлагаемых полиэфиров упаковочного назначения; – композитных материалов для костной хирургии; – средств доставки и высвобождения физиологически активных соединений. В ходе работ по проекту, в 2021 году: Выполнены исследования селективной олигомеризации этилена с образованием гексена-1, октена-1 и разветвленных С10 и С12 α-олефинов на хром-дифосфиновых катализаторах, показана возможность использования олигомеризата в последующей циглер-наттовской полимеризации без дополнительной подготовки, продемонстрированы более высокая противотурбулентная эффективность при пониженной температуре сверхвысокомолекулярных полиолефинов, полученных на основе олигомеризата этилена, по сравнению с полимерами на основе линейных α-олефинов. Выполнен синтез серии полусэндвичевых комплексов Ti (IV) на основе замещенных циклопентадиенов, сконденсированных с гетероциклическими фрагментами, исследована их молекулярная структура, а также каталитическая активность в гомогенной гомополимеризации этилена и сополимеризации этилена с 1-гексеном. Продемонстрирована более высокая активность вновь полученных комплексов по сравнению с коммерческими одноцентровыми катализаторами. Разработаны реологические и спектральные методы идентификации длинноцепочечных разветвлений в полиэтиленах, установлен факт образования подобных разветвлений при катализе полусэндвичевыми комплексами Ti с гетероциклическими фрагментами. Продемонстрирована высокая эффективность сэндвичевых анса-комплексов циркония на основе замещенных циклопентадиенов, сконденсированных с гетероциклическими фрагментами – гетероценов – в гомополимеризации этилена и этилен-октеновой сополимеризации при низких соотношениях МАО/Zr и в отсутствие МАО. Показано, что полученные сополимеры этилена и октена-1 (PEO) даже при низких соотношениях этилен-октен (до 2:1) сохраняют высокую статистичность, без образования олигооктеновых и полиэтиленовых блоков, качественно отличаясь от коммерческих PEO, полученных с использованием традиционного металлоценового катализа. Разработаны эффективные катализаторы олигомеризации децена-1 – анса-цирконоцены с этиленовым мостиком на основе дигидроиндено[1,2-b]индола. При соотношении [децен-1]/[Zr] = 100000 достигнуты выходы ~70% фракции низших олигомеров (DPn = 3–5). Разработаны методы каталитического гидрирования олигомеров, не требующие использования дорогостоящих катализаторов на основе платиновых металлов, с получением гидрированных олигомеров – основы высококачественных полиолефиновых моторных масел, ПАОМ. Принципиально новый каталитический подход к синтезу ПАОМ, разработанный в ходе исследований по проекту, вызвал интерес отечественных нефтехимических компаний, начаты работы по его промышленному внедрению. Разработаны научные основы технологии производства полибутилен-адипат-терефталата (PBAT), предложены новые эффективные катализаторы синтеза PBAT на основе стерически затрудненных фенолятов алюминия, продемонстрированы преимущества данных катализаторов для использования в производстве PBAT. Разработан метод получения нетканных волокнистых материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита и поли-ε-капролактона (PCL) с использованием блок-сополимеров PCL-b-PEPA в качестве компатибилизаторов, экспериментально подтвержден положительный эффект от использования PEPA-содержащих компатибилизаторов в связывании и контролируемом высвобождении антибиотика ванкомицин. Впервые выполнен синтез микро- и наноразмерного карбонат-апатита (CAp) с различной морфологией (пластинки, гексагональные призмы, гексагональные стержни, наноразмерные сфероиды и др.). В ходе исследований термолиза микрокристаллов CAp получены мезопористые материалы с уникальной морфологией, способные эффективно связывать антибиотики. Впервые предложен подход к синтезу разветвленных биоразлагаемых полимеров на основе циклических фосфатов. С целью разработки этого подхода синтезирован ряд новых замещенных этиленфосфатов, содержащих (CH2)nCOOR и CH2CONMe2 заместители, и выполнено сравнительное экспериментальное и теоретическое исследование полимеризации этих фосфатов при катализе BHT-Mg комплексами. Исследована сополимеризация этилэтиленфосфоната с гликолат-замещенным этиленфосфатом, спектральными и реологическими методами доказано формирование разветвленных сополимеров. Синтезированы блок-сополимеры гликолида, содержащего разветвленные липофильные фрагменты, с замещенными морфолинонами, продемонстрирована высокая эффективность вновь полученных сополимеров в трансфекции мРНК. Результаты исследований 2021 г представлены в научных публикациях: 1. Nifant’ev I., Tavtorkin A., Chinova M., Besprozvannykh V., Komarov P., Zaitsev V., Podoprigora I., Ivchenko P. Antibacterial Poly(ε-CL)/Hydroxyapatite Electrospun Fibers Reinforced by Poly(ε-CL)-b-poly(ethylene phosphoric acid). International Journal of Molecular Sciences, 2021, 22, 14, 7690. DOI: 10.3390/ijms22147690. IF = 5.923 (Q1). 2. Nifant’ev I.E., Ivchenko P.V. Polymer Cold-Flow Improvers for Biodiesel. Polymers, 2021, 13, 10, 1580. DOI: 10.3390/polym13101580. IF = 4.329 (Q1). 3. Nifant’ev I.E., Tavtorkin A.N., Vinogradov A.A., Korchagina S.A., Chinova M.S., Borisov R.S., Artem’ev G.A., Ivchenko P.V. Tandem Synthesis of Ultra-High Molecular Weight Drag Reducing Poly-α-Olefins for Low-Temperature Pipeline Transportation. Polymers, 2021, 13, 22, 3930 DOI: 10.3390/polym13223930. IF = 4.329 (Q1). 4. Nifant'ev I.E., Tavtorkin A., Legkov S.A., Korchagina S.A., Shandryuk G.A., Kretov E.A., Dmitrienko A.O., Ivchenko P.V. Hydrothermal synthesis of perfectly shaped micro- and nanosized carbonated apatite. Inorganic Chemistry Frontiers, 2021, 8, 23, 4976–4989. DOI: 10.1039/d1qi01094h. IF = 6.569 (Q1). 5. Nifant'ev I.E., Shlyakhtin A.V., Bagrov V.V., Tavtorkin A.N., Ilyin S.O., Gavrilov D.E., Ivchenko P.V. Cyclic ethylene phosphates with (CH2)nCOOR and CH2CONMe2 substituents: Synthesis and mechanistic insights of diverse reactivity in aryloxy-Mg complex–catalyzed (co)polymerization. Polymer Chemistry, 2021, 12, 27, 6937-6951. DOI: 10.1039/d1py01277k. IF = 5.582 (Q1). 6. Salakhov I.I., Shaidullin N.M., Chalykh A.E., Matsko M.A., Shapagin A.V., Batyrshin A.Z., Shandryuk G.A., Nifant’ev I.E. Low-Temperature Mechanical Properties of High-Density and Low-Density Polyethylene and Their Blends. Polymers, 2021, 13, 11, 1821. DOI: 10.3390/polym13111821. IF = 4.329 (Q1). 7. Nifant'ev I.E., Bagrov V.V., Komarov P.D., Ovchinnikova V.I., Ivchenko P.V. Aryloxy 'biometal' complexes as efficient catalysts for the synthesis of poly(butylene adipate terephthalate), PBAT. Mendeleev Communications, 2022, принята к публикации. IF = 1.786 (Q2).

 

Публикации

1. Нифантьев И., Тавторкин А., Чинова М., Беспрозванных В., Комаров П., Зайцев В., Подопригора И., Ивченко П. Antibacterial Poly(ε-CL)/Hydroxyapatite Electrospun Fibers Reinforced by Poly(ε-CL)-b-poly(ethylene phosphoric acid) International Journal of Molecular Sciences, 22, 14, 7690 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/ijms22147690

2. Нифантьев И.Э., Багров В.В., Комаров П.Д., Овчинникова В.И., Ивченко П.В. Aryloxy 'biometal' complexes as efficient catalysts for the synthesis of poly(butylene adipate terephthalate), PBAT Mendeleev Communications, - (год публикации - 2022)

3. Нифантьев И.Э., Тавторкин А., Виноградов А.А., Корчагина С.А., Чинова М.С., Борисов Р.С., Артемьев Г.А., Ивченко П.В. Tandem Synthesis of Ultra-High Molecular Weight Drag Reducing Poly-α-Olefins for Low-Temperature Pipeline Transportation Polymers, 13, 22, 3930 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/polym13223930

4. Нифантьев И.Э., Тавторкин А., Легков С.А., Корчагина С.А., Шандрюк Г.А., Кретов Е.А., Дмитриенко А.О., Ивченко П.В. Hydrothermal synthesis of perfectly shaped micro- and nanosized carbonated apatite Inorganic Chemistry Frontiers, 8, 23, 4976–4989 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1039/d1qi01094h

5. Нифантьев И.Э., Шляхтин А.В., Багров В.В., Тавторкин А.Н., Ильин С.О., Гаврилов Д.Е., Ивченко П.В. Cyclic ethylene phosphates with (CH2)nCOOR and CH2CONMe2 substituents: Synthesis and mechanistic insights of diverse reactivity in aryloxy-Mg complex–catalyzed (co)polymerization Polymer Chemistry, 12, 27, 6937-6951 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1039/d1py01277k

6. Салахов И.И., Шайдуллин Н.М., Чалых А.Е., Мацько М.А., Шапагин А.В., Батыршин А.З., Шандрюк Г.А., Нифантьев И.Э. Low-Temperature Mechanical Properties of High-Density and Low-Density Polyethylene and Their Blends Polymers, 13, 11, 1821 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/polym13111821

7. Нифантьев И.Э., Ивченко П.В. Polymer Cold-Flow Improvers for Biodiesel Polymers, 13, 10, 1580 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/polym13101580

8. - Опытный выпуск упаковки из биоразлагаемого пластика запустят в РФ до конца года Федерал Пресс, - (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Научная программа проекта, направленного на создание научных основ взаимосвязанных каталитических технологий переработки нефтехимического и растительного сырья с целью создания востребованных материалов технического и биомедицинского назначения, а также изделий из них, изначально предполагало проведение исследований по шести основным направлениям, посвященных разработке: – тандемной технологии производства полиолефиновых противотурбулентных присадок исходя из этилена; – научных основ получения высокомаржинальных полиэтиленов; – поли-α-олефиновых масел с опережающими характеристиками (в том числе – из возобновляемого сырья); – биоразлагаемых полиэфиров упаковочного назначения; – композитных материалов для костной хирургии и ортопедии; – средств доставки и высвобождения физиологически активных соединений. В ходе исследований по проекту, в 2022 году: Оптимизирован синтез полусэндвичевых комплексов Ti (IV) на основе замещенных циклопентадиенов, сконденсированных с гетероциклическими фрагментами, исследована их каталитическая активность в гетерогенной гомополимеризации этилена и сополимеризации этилена с 1-гексеном. Разработаны эффективные реологические методы идентификации длинноцепочечных разветвлений в полиэтиленах, установлен факт образования подобных разветвлений при катализе полусэндвичевыми комплексами Ti с гетероциклическими фрагментами, и отсутствие разветвлений при использовании коммерческих одноцентровых катализаторов [5]. Продемонстрирована высокая эффективность сэндвичевых анса-комплексов циркония на основе замещенных циклопентадиенов, производных инденоиндола и дитиофеноциклопентадиена – гетероценов – в этилен-октеновой сополимеризации в отсутствие МАО и при низких соотношениях МАО/Zr. Показано, что полученные высокостатистические сополимеры этилена и октена-1 (PEO) даже при низких соотношениях этилен-октен (до 2:1) не содержат OEO фрагментов и представляют собой эластомеры, которые могут быть использованы в композициях с полиэтиленом высокой плотности. Установлено, что благодаря высокостатистической микроструктуре, минимальные (~5%) количества разработанных PEO существенно улучшают низкотемпературные физико-механические характеристики полиолефиновых композиций. Разработаны эффективные катализаторы олигомеризации децена-1 – анса-гетероцены с этиленовым мостиком на основе дигидроиндено[1,2-b]индола. При соотношении [децен-1]/[Zr] до 400000 достигнуты выходы >60% фракции низших олигомеров (DPn = 3–4), гидрирование которой привело к получению основ полиолефиновых моторных масел с опережающими характеристиками. При изучении активации гетероценов экспериментально доказано участие Zr–(μ–Cl)2–Al катионного комплекса в обратимом формировании каталитических частиц, строение комплекса подтверждено РСА [1]. Важность M–(μ–Cl)–Al связывания в каталитической химии α-олефинов и диенов продемонстрирована в аналитическом обзоре [8]. Исследовано влияние агентов-разветвителей различной природы на синтез полибутилен-адипат-терефталата (PBAT) и реологические характеристики образующегося полимера, найден оптимальный разветвитель, при использовании которого достигаются максимальные выходы PBAT с требуемыми молекулярно-массовыми характеристиками и реологией расплава, обеспечивающей эффективное формование [6]. В качестве катализаторов гликолиза поли(бисфенол А карбоната) (BPAC) исследованы ацетаты щелочных, щелочноземельных металлов и Zn(II). Показано, что в реакции с этиленгликолем (1–2 ч при 180 °C) даже 0.01% ацетатов Mg(II) и Zn(II) обеспечивают полную конверсию полимера в бисфенол А и этиленкарбонат, при использовании Zn(OAc)2 доля побочных продуктов составляет не более 5%. С использованием DFT расчетов и модельных экспериментов обоснован механизм реакции, установлены причины качественного отличие ацетатов Mg(II) и Zn(II) от неактивных ацетатов щелочных металлов и Ca(II). Изучено взаимодействие BPAC с различными диолами, продемонстрирована возможность использования реакции в синтезе замещенных пяти- и шестичленных циклических карбонатов [3]. Исследована биорезорбция in vitro карбонат-апатитов (CAp) с различной морфологией, показано, что гексагональный CAp демонстрирует гидролитическую анизотропию и более высокую скорость резорбции. Изучен эффект от использования N-оксисукцинимид-функционализированного поли(ε-капролактона) (PCL-NHS) в композитах PCL/желатин, продемонстрирован положительный эффект ковалентного связывания PCL-NHS и желатина на морфологию скаффолдов, полученных методом электроспиннинга, их гидролитическую стабильность и физико-механические характеристики, а также клеточную пролиферацию [2]. Получены первые образцы композитов полиэфиров и фосфатов кальция с использованием блок-сополимеров полиэфир-b-поли(этиленфосфорная кислота) в качестве компатибилизаторов, продемонстрировано существенное увеличение прочности при растяжении и модуля упругости для композитов, содержащих блок-сополимерный компатибилизатор. Подготовлен аналитический обзор по синтезу и практическому применению полифосфодиэфиров [7]. На основе новых мономеров – производных природной аминокислоты тирозина – разработаны эффективные полимерные средства доставки генов. Установлено, что коллоидные характеристики полимеров и комплексов полимеров с мРНК коррелируют с результатами экспериментов по трансфекции [4]. Результаты исследований 2022 г представлены в научных публикациях: 1. Nifant’ev I.E., Vinogradov A.A., Vinogradov A.A., Bagrov V.V., Churakov A.V., Minyaev M.E., Kiselev A.V., Salakhov I.I., Ivchenko P.V. A competetive way to low-viscosity PAO base stocks via heterocene-catalyzed oligomerization of dec-1-ene. Mol. Catal., 2022, 529, 112542. DOI:10.1016/j.mcat.2022.112542. IF = 5.089, Q1. 2. Nifant’ev I., Besprozvannykh V., Shlyakhtin A., Tavtorkin A., Legkov S., Chinova M., Arutyunyan I., Soboleva A., Fatkhudinov T., Ivchenko P. Chain-End Functionalization of Poly(ε-caprolactone) for Chemical Binding with Gelatin: Binary Electrospun Scaffolds with Improved Physico-Mechanical Characteristics and Cell Adhesive Properties. Polymers, 2022, 14, 9, 4203. DOI:10.3390/polym14194203. IF = 4.967, Q1. 3. Nifant'ev I.E., Pyatakov D.A., Tavtorkin A.N., Ivchenko P.V. Chemical recycling and upcycling of poly(bisphenol A carbonate) via metal acetate catalyzed glycolysis. Polym. Degrad. Stab., 2023, 207, 110210. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2022.110210. IF = 5.204, Q1. 4. Shaputkin E.D., Nifant'ev I.E., Bagrov V.V., Shlyakhtin A.V., Abashkin D.A., Galiakberova A.A., Ivchenko P.V. Lipophilic poly(glycolide) blocks in morpholin-2-one-based CARTs for plasmid DNA delivery: Polymer regioregularity, sequence of lipophilic/polyamine blocks, and nanoparticle stability as factors of transfection efficiency. Eur. Polym. J., 2022, 181, 111644. DOI:10.1016/j.eurpolymj.2022.111644. IF = 5.546, Q1. 5. Nifant'ev I.E., Vinogradov A.A., Vinogradov A.A., Sadrtdinova G.I., Komarov P.D., Minyaev M.E., Ilyin S.O., Kiselev A.V., Samurganova T.I., Ivchenko P.V. Synthesis, molecular structure and catalytic performance of heterocycle-fused cyclopentadienyl-amido CGC of Ti (IV) in ethylene (co)polymerization: The formation and precision rheometry of long-chain branched polyethylenes. Eur. Polym. J., 2022, 176, 111397. DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2022.111397. IF = 5.546, Q1. 6. Nifant’ev I.E., Bagrov V.V., Komarov P.D., Ilyin S.O., Ivchenko P.V. The Use of Branching Agents in the Synthesis of PBAT. Polymers, 2022, 14, 9, 1720. DOI:10.3390/polym14091720. IF = 4.967, Q1. 7. Nifant'ev I.E., Ivchenko P.V. Design, Synthesis and Actual Applications of the Polymers Containing Acidic P–OH Fragments: Part 1. Polyphosphodiesters. Int. J.Mol. Sci., 2022, 23, 23, 14857. DOI:10.3390/ijms232314857. IF = 6.208, Q1. 8. Nifant’ev I.E., Salakhov I.I., Ivchenko P.V. Transition Metal–(μ-Cl)–Aluminum Bonding in α-Olefin and Diene Chemistry. Molecules, 2022, 27, 21, 7164. DOI:10.3390/molecules27217164. IF = 4.927, Q1.

 

Публикации

1. Нифантьев И., Беспрозванных В., Шляхтин А., Тавторкин А., Легков С., Чинова М., Арутюнян И, Соболева А., Фатхудинов Т., Ивченко П. Chain-End Functionalization of Poly(ε-caprolactone) for Chemical Binding with Gelatin: Binary Electrospun Scaffolds with Improved Physico-Mechanical Characteristics and Cell Adhesive Properties Polymers, 14, 9, 4203 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/polym14194203

2. Нифантьев И.Э., Багров В.В., Комаров П.Д., Ильин С.О., Ивченко П.В. The Use of Branching Agents in the Synthesis of PBAT Polymers, 14, 9, 1720 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/polym14091720

3. Нифантьев И.Э., Виноградов А.А., Виноградов А.А., Багров В.В., Чураков А.В., Миняев М.Е., Киселев А.В., Салахов И.И., Ивченко П.В. A competetive way to low-viscosity PAO base stocks via heterocene-catalyzed oligomerization of dec-1-ene Molecular Catalysis, 529, 112542 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.mcat.2022.112542

4. Нифантьев И.Э., Виноградов А.А., Виноградов А.А., Садртдинова Г.И., Комаров П.Д., Миняев М.Е., Ильин С.О., Киселев А.В., Самурганова Т.И., Ивченко П.В. Synthesis, molecular structure and catalytic performance of heterocycle-fused cyclopentadienyl-amido CGC of Ti (IV) in ethylene (co)polymerization: The formation and precision rheometry of long-chain branched polyethylenes European Polymer Journal, 176, 111397 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2022.111397

5. Нифантьев И.Э., Пятаков Д.А., Тавторкин А.В., Ивченко П.В. Chemical recycling and upcycling of poly(bisphenol A carbonate) via metal acetate catalyzed glycolysis Polymer Degradation and Stability, 207, 110210 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2022.110210

6. Шапуткин Е.Д.. Нифантьев И.Э., Багров В.В., Шляхтин А.В., Абашкин Д.А.. Галиакберова А.А., Ивченко П.В. Lipophilic poly(glycolide) blocks in morpholin-2-one-based CARTs for plasmid DNA delivery: Polymer regioregularity, sequence of lipophilic/polyamine blocks, and nanoparticle stability as factors of transfection efficiency European Polymer Journal, 181, 111644 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2022.111644

7. Нифантьев И.Э., Ивченко П.В. Design, Synthesis and Actual Applications of the Polymers Containing Acidic P–OH Fragments: Part 1. Polyphosphodiesters International Journal of Molecular Sciences, 23, 23, 14857 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/ijms232314857

8. Нифантьев И.Э., Салахов И.И., Ивченко П.В. Transition Metal–(μ-Cl)–Aluminum Bonding in α-Olefin and Diene Chemistry Molecules, 27, 21, 7164 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/molecules27217164

9. - Полимеры на основе этилена помогут снизить энергопотери при транспортировке нефти https://rscf.ru/news, - (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Научная программа проекта, направленного на создание научных основ взаимосвязанных каталитических технологий переработки нефтехимического и растительного сырья с целью создания востребованных материалов технического и биомедицинского назначения, а также изделий из них, предполагала проведение исследований по шести основным направлениям, посвященных разработке: – перспективных продуктов малотоннажной химии; – научных основ получения полиэтиленов с опережающими характеристиками; – каталиаторов и процессов производства актуальных смазочных материалов (в том числе – из возобновляемого сырья); – биоразлагаемых полиэфиров упаковочного назначения; – композитных материалов для костной хирургии и ортопедии; – средств доставки и высвобождения физиологически активных соединений. В ходе исследований по проекту, в 2023 году: Разработаны эффективные цирконоценовые катализаторы селективной димеризации α-олефинов, представляющие собой гомолигандные и гетеролигандные анса-комплексы с –SiMe2OSiMe2– мостиком, производные дигидроиндено[1,2-b]индола, дигидроиндено[2,1-b]индола и флуорена. В экспериментах по олигомеризации октена-1 ряд вновь полученных соединений продемонстрировал высокую производительность (TON ~30000) и селективность в образовании димера октена-1. Исследованы физико-механические свойства композиций этилен-октеновых эластомеров (POE), полученных с использованием гетероценовых катализаторов, с полиэтиленом высокой плотности (HDPE). Интерферометрическое исследование процессов на границе раздела фаз POE и HDPE выявило качественные различия между высокостатистическим POE, полученным с использованием гетероценового катализа в отсутствие МАО и POE, синтезированными традиционными методами (коммерческие образцы и лабораторный образец, полученный с использованием MAO). По результатам исследований с использованием кислородно-плазменного травления и ДМА высокостатистический POE продемонстрировал худшую совместимость с HDPE при высоких концентрациях (15%), однако при низких концентрациях (5%) высокостатистический POE обеспечивал существенное улучшение низкотемпературных механических характеристик композита по сравнению с другими эластомерами [4]. Разработаны новые эффективные катализаторы олигомеризации децена-1, анса-цирконцены с этиленовым мостиком на основе дигидроиндено[1,2-b]индола, позволяющие получать с высокими выходами основы низковязких и средневязких ПАОМ. В ходе исследования влияния температуры олигомеризации на состав продуктов выявлено непропорциональное увеличение содержания димерной фракции при проведении олигомеризации при постоянной температуре, что может быть объяснено ускорением обрыва цепи по механизму β-гидридного элиминирования по мере расходования децена-1. Показано, что использовании градиента температур – постепенное снижение реакционной температуры по мере расходования децена-1 – позволяет увеличить выходы C30+ олигомерных фракций [3]. Новые катализаторы и градиентный способ олигомеризации защищены патентами РФ. Микрокристаллические карбонат-апатиты с однородной гексагональной (hCAp) и пластинчатой (pCAp) морфологией впервые изучены in vitro и in vivo в сравнении с коммерческим гидроксиапатитом (HAp) и β-трикальцийфосфатом (βTCP). Эксперименты in vitro по растворению кальцийфосфатных керамик в ацетатном и Трис-буферных растворах показали следующий порядок скоростей растворения: βTCP > hCAp > pCAp > HAp. Более высокая скорость растворения hCAp по сравнению с pCAp обусловлена химической анизотропией кристаллитов. Пятинедельный эксперимент по подкожной имплантации кальцийфосфатных керамик показал следующий порядок скоростей биорезорбции: βTCP > pCAp > hCAp > HAp. pCAp продемонстрировал наивысшую биосовместимость, подтвержденную гистоморфологическим анализом. Трехмесячные эксперименты по регенерации костной ткани с использованием модели дефекта большеберцовой кости крысы были проведены с использованием гранул pCAp и pCAp-PEPA (pCAp, предварительно обработанный 2 мас.% поли(этиленфосфорной кислоты)). Показано, что имплантаты pCAp-PEPA резорбировались с более высокой скоростью и индуцировали формирование более зрелой костной ткани – компактной кости с Гаверсовой системой [1]. С использованием PLLA и PCL в качестве полиэфирных компонентов, методом литья под давлением приготовлены композиты PLLA с содержанием неорганического наполнителя 10–60 мас.% и композиты на основе PCL с содержанием неорганического наполнителя 50 мас.%. В качестве наполнителя использовали микроразмерный коммерческий βTCP и синтезированные карбонат-апатиты hCAp и pCAp. Образцы на основе PLLA/pCAp показали наилучшие механические характеристики, дополнительное улучшение свойств композита было достигнуто добавлением 5 мас.% блок-сополимера PEPA-b-PLLA в качестве компатибилизатора. Положительное влияние от использования PCL-b-PEPA на механические характеристики композита PCL/pCAp было еще более выраженным; композит с 50 мас.% наполнителя имел почти удвоенные значения прочности по сравнению с σt и σf PCL при почти четырехкратном увеличении модулей [2]. Разработаны простые и эффективные методы синтеза 3-замещенных морфолинонов-2 исходя из природных α-аминокислот L-аланина, L-фенилаланина, L-тирозина, L-валина и L-лейцина. Эти соединения могут быть использованы при разработке следующего поколения полимерных средств доставки нуклеиновых кислот с регулируемой липофильностью [5]. Результаты исследований, выполненных в 2023 г, представлены в научных публикациях: 1. Nifant’ev I.E., Tavtorkin A.N., Ryndyk M.P., Gavrilov D.E., Lukina Yu.S., Bionyshev-Abramov L. L., Serejnikova N.B., Smolentsev, D.V., Ivchenko P.V. Crystalline Micro-Sized Carbonated Apatites: Chemical Anisotropy of the Crystallite Surfaces, Biocompatibility, Osteoconductivity, and Osteoinductive Effect Enhanced by Poly(ethylene phosphoric acid). ACS Appl. Bio Mater., 2023, 6, 11, 5067-5077. DOI: 10.1021/acsabm.3c00753. IF: 4.2, Q1. 2. Nifant'ev I., Tavtorkin A., Komarov P., Kretov E., Korchagina S., Chinova M., Gavrilov D., Ivchenko P. Dispersant and Protective Roles of Amphiphilic Poly(ethylene phosphate) Block Copolymers in Polyester/Bone Mineral Composites. Int. J. Mol. Sci., 2023, 24, 11175. DOI: 10.3390/ijms241311175. IF: 5.6, Q1. 3. Nifant’ev I.E., Vinogradov A.A., Vinogradov A.A., Bagrov V.V., Kiselev A.V., Minyaev M.E., Samurganova T.I., Ivchenko P.V. Heterocene Catalysts and Reaction Temperature Gradient in Dec-1-ene Oligomerization for the Production of Low Viscosity PAO Base Stocks. Ind. Eng. Chem. Res., 2023, 62, 6347. DOI: 10.1021/acs.iecr.3c00755. IF: 4.2, Q1. 4. Nifant’ev I.E., Vinogradov A.A., Vinogradov A.A., Minyaev M.E., Bagrov V.V., Salakhov I.I., Shaidullin N.M., Chalykh A.E., Shapagin A.V., Ivchenko P.V. Heterocene-catalyzed ethylene/oct-1-ene copolymerization under MAO-free and low-MAO conditions: The synthesis of highly statistical copolymers and their use in blending with HDPE. Polymer, 2023, 272, 125836. DOI: 10.1016/j.polymer.2023.125836. IF: 4.6, Q1. 5. Shaputkin E.D., Nifant'ev, I.E. Ivchenko P.V. Natural α-amino acid based synthesis of morpholin-2-ones, prospective monomers for new-generation polymeric lipofectants. Mendeleev Commun., Принята в печать. 6. Nifant’ev I.E., Komarov P.D., Kostomarova O.D., Kolosov N.A., Ivchenko P.V. MAO- and Borate-Free Activating Supports for Group 4 Metallocene and Post-Metallocene Catalysts of α-Olefin Polymerization and Oligomerization. Polymers, 2023, 15, 3095. DOI: 10.3390/polym15143095. IF: 5.0, Q1.

 

Публикации

1. Нифантьев И.Э., Виноградов А.А., Виноградов А.А., Багров В.В., Киселев А.В., Миняев М.Е., Самурганова Т.И., Ивченко П.В. Heterocene Catalysts and Reaction Temperature Gradient in Dec-1-ene Oligomerization for the Production of Low Viscosity PAO Base Stocks Industrial & Engineering Chemistry Research, 62, 15, 6347-6353 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1021/acs.iecr.3c00755

2. Нифантьев И.Э., Виноградов А.А., Виноградов А.А., Миняев М.Е., Багров В.В., Салахов И.И., Шайдуллин Н.М., Чалых А.Е., Шапагин А.В., Ивченко П.В. Heterocene-catalyzed ethylene/oct-1-ene copolymerization under MAO-free and low-MAO conditions: The synthesis of highly statistical copolymers and their use in blending with HDPE Polymer, 272, 125836 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.polymer.2023.125836

3. Нифантьев И.Э., Тавторкин А.Н., Комаров П.Д., Кретов Е.А., Корчагина С.А., Чинова М.С., Гаврилов Д.Е., Ивченко П.В. Dispersant and Protective Roles of Amphiphilic Poly(ethylene phosphate) Block Copolymers in Polyester/Bone Mineral Composites International Journal of Molecular Sciences, 24, 13, 11175 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ijms241311175

4. Нифантьев И.Э., Тавторкин А.Н., Рындык М.П., Гаврилов Д.Е., Лукина Ю.С., Бионышев-Абрамов Л.Л., Сережникова Н.Б., Смоленцев Д.В., Ивченко П.В. Crystalline Micro-Sized Carbonated Apatites: Chemical Anisotropy of the Crystallite Surfaces, Biocompatibility, Osteoconductivity, and Osteoinductive Effect Enhanced by Poly(ethylene phosphoric acid) ACS Applied Bio Materials, 6, 11, 5067-5077 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1021/acsabm.3c00753

5. Шапуткин Е.Д., Нифантьев И.Э., Ивченко П.В. Natural α-amino acid based synthesis of morpholin-2-ones, prospective monomers for new-generation polymeric lipofectants Mendeleev Communications, - (год публикации - 2024)

6. Нифантьев И.Э., Комаров П.Д., Костомарова О.Д., Колосов Н.А., Ивченко П.В. MAO- and Borate-Free Activating Supports for Group 4 Metallocene and Post-Metallocene Catalysts of α-Olefin Polymerization and Oligomerization Polymers, 15, 14, 3095 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/polym15143095

7. Нифантьев И.Э.,Ивченко П.В., Виноградов А.А., Виноградов А.А., Багров В.В. Катализатор олигомеризации децена-1 -, RU 2788002 C1 (год публикации - )