Мир, созданный химиками. От философского камня до графена
Шрифт:
Пожалуй, важнейшая проблема, которая стоит перед «зеленой» химией уже много десятилетий и которую решить никак не удается, — это фиксация азота, процесс связывания атмосферного азота в усвояемую полезными растениями форму. Азот воздуха — чрезвычайно инертный газ, для перевода его в аммиак (растворимое соединение) химики построили огромные колонны, в которых при высоких давлениях и температурах с использованием катализаторов протекает реакция соединения азота с водородом:
N 2+ 3H 2= 2NH 3
Жуткое, сложное производство! А микроб азотобактер, проживающий на корнях бобовых, переводит азот в усвояемую форму при обычных атмосферных условиях. И хотя прошло уже более 50 лет с тех пор, как отечественным ученым
В России необходимость перехода от традиционной к «зеленой» химии определяется еще и особым географическим положением страны. Половина территории нашей страны расположена в зоне вечной мерзлоты, огромные металлургические и нефтедобывающие предприятия находятся за полярным кругом. Отходы этих предприятий особенно опасны, но и весьма стабильны при низких температурах. Безотходное производство, а это один из принципов «зеленой» химии, — единственный способ предотвратить превращение Арктики в мертвую зону.
Одним из важнейших процессов, использующихся сейчас в «зеленой» химии, является реакция метатезиса (перестановки), в которой происходит разрыв двойной связи между атомами углерода и некоторая группа атомов занимает другое место в молекуле. За подробное исследование этой реакции в 2005 году была присуждена Нобелевская премия по химии. В своем пресс-релизе Шведская академия наук уподобляет метатезис танцу, в котором танцующая пара меняет своих партнеров. Как и в танце, такой процесс требует вмешательства третьих лиц, которыми в данном случае являются молибденовые и вольфрамовые катализаторы, а также промышленные рутениевые катализаторы.
Сейчас с помощью реакций метатезиса производят массу фармацевтических препаратов и полимеров. Благодаря исследованиям лауреатов этой Нобелевской премии, процессы перестановки становятся более эффективными, уменьшается количество вредных отходов, не требуется использование высоких температур, давления и опасных для окружающей среды реагентов.
Золото без философского камня
Другим примером модной «зеленой» химии является получение микроскопических частиц золота (наночастиц) при восстановлении солей благородного металла — чем бы вы думали? — черным чаем сорта «Дарджилинг». Вообще-то изобретатели этого метода неоригинальны: в Средние века алхимики напряженно трудились над получением золота из ртути, а королевские лекари истирали золото в порошок и затем использовали его как лекарство для царственных особ. Хотя, конечно, частицы того порошка не достигали наноразмеров.
Надо сказать, особого успеха у средневековых лекарей при лечении монархов не наблюдалось. Если серебро проявило себя как бактерицидный агент, то физиологически инертное золото до последнего времени в медицине почти никак не использовалось. Только после открытия радиоактивных изотопов золота дьявольский металл стали активно применять в онкологии — изотоп можно ввести непосредственно в опухоль и уничтожать ее, при этом быстро выводить инертное золото из организма не обязательно.
Известен также и метод введения в клетки опухоли наночастиц золота, покрытых противоопухолевыми препаратами. Например, в опухоли предстательной и молочной желез. Однако наночастицы золота нужно еще получить. И вот в одном из американских университетов придумали восстанавливать золото из его растворов с помощью чая сорта «Дарджилинг». Не надо удивляться выбору химиков — все 9 авторов методики по происхождению индийцы. Заварка добавляется в раствор соли золота (хлороаурат натрия Na[AuCl 4]) и в результате получается темно-красный коллоидный раствор наночастиц золота. Чаинки приходится отфильтровывать. Вообще-то коллоидные растворы золота получают уже более ста лет, но авторы этой работы настаивают на «экологичности» метода и соответствии его принципам «зеленой» химии.
Как сложившееся понятие «зеленая» химия возникла не так давно, когда были сформулированы основные двенадцать принципов проведения химических процессов, не наносящих вреда природе и человеку:
1. Лучше предотвратить выброс загрязнений, чем потом
2. Синтез следует планировать так, чтобы в конечный продукт вошло максимальное количество использованных материалов.
3. Следует планировать синтез так, чтобы реагентами и конечными продуктами служили вещества, которые малотоксичны или совсем нетоксичны для человека и природы.
4. Среди целевых химических продуктов следует выбирать такие, которые наряду с требуемыми свойствами обладают максимально низкой токсичностью.
5. Необходимо по возможности избегать использования в синтезе вспомогательных веществ, например растворителей, или выбирать безвредные.
6. При планировании синтеза нужно учитывать экономические и экологические последствия производства энергии, необходимой для проведения синтеза, и стремиться к их минимизации. То есть стремиться проводить синтез при температуре окружающей среды и нормальном давлении.
7. Следует использовать возобновляемое сырье там, где это технически и экономически обосновано.
8. Необходимо сокращать число стадий процесса.
9. Следует максимально использовать катализ, желательно избирательный.
10. Химические продукты надо применять такие, чтобы после использования они не сохранялись в окружающей среде, а разлагались до безопасных веществ.
11. Нужно следить в режиме реального времени за образованием продуктов реакции, среди которых могут оказаться опасные.
12. Вещества для химических процессов следует выбирать такие, чтобы свести к минимуму возможные аварии, включая разливы, взрывы и пожары.
К этим принципам декан химического факультета МГУ академик Валерий Васильевич Лунин и его сотрудники добавили тринадцатый принцип: если вы все делаете так, как привыкли, то и получите то, что обычно получаете.
Но скоро мы будем получать необычное. Это и будет химия XXI столетия.
Сейчас часто говорят, что этот век будет, да уже и есть, веком биологии, точнее, так называемой «лайф сайенс» — науки о жизни человека. В основе этой науки лежит генетика, успехи которой в XX веке позволили разработать лекарства для лечения врожденных заболеваний, создавать сорта полезных растений с невиданной урожайностью и клонировать животных. Уже в начале XXI века был расшифрован геном человека, и теперь чуть не каждый месяц появляются сообщения о выделении генов доброты или скупости, гена предрасположенности к сонливости и чуть ли не генов любви и счастья. (Правда, насколько можно верить этим результатам — пока не совсем ясно.) Однако мало кто догадывается, что по сути все замечательные открытия генетиков — дело рук химиков, просто притворившихся генетиками. Дело в том, что в основе современных методов генетических исследований лежат самые обычные, только что предельно усовершенствованные методы проведения химического анализа и химического синтеза. Химия XXI века — это наука, без методов и теоретических представлений которой не сможет обойтись ни один ученый, изучающий самый интересный объект во Вселенной — человека. Химики будущего создадут эффективные лекарства против самых банальных болезней вроде гриппа и самых экзотических вроде болезни легионеров, вырежут из генома человека гены врожденных болезней и продлят жизнь людей до ста лет, а может быть, и до ста пятидесяти. Они синтезируют такие виды топлива, что на стакане этого вещества можно будет проехать от Москвы до Крыма на автомобиле с корпусом из полученной ими же хитроумной пластмассы. Химики создадут новые материалы с невиданными свойствами, таким образом резко ускорив промышленный прогресс и украсив нашу обыденную жизнь. И скорее всего, читать эту книгу будут на еще неведомых электронных носителях, сделанных из еще неизвестных материалов. И тогда ее можно будет «включить» и проверить, сбываются ли наши предсказания.
Библиография
1. Д. И. Менделеев. Рассуждение о соединении спирта с водою, представленное въ физикоматематическiй факультетъ И. С.-Петербургского университета для получения степени доктора химii. Типография Товарищества «Общественная Польза», Санкт-Петербургъ, 1865.
2. Всеобщая история химии. Возникновение и развитие химии с древнейших времен до XVII века. М.: Наука, 1983.
3. Э. Г. Раков. Вещества и люди. Заметки и очерки о химии. ИКЦ «Академкнига», 2003.