Петр Образцов - Мир, созданный химиками. От философского камня до графена

После нескольких веков сжигания, сублимирования, плавления, обработки веществ жуткими по силе кислотами и щелочами, проведения реакций при адских давлениях и температурах химия подошла к идее жить в мире с природой и попытаться ей подражать. Не секрет, что одними из самых опасных загрязнителей природы стали химические предприятия и химические вещества, миллионами тонн выпускаемые промышленностью, а потом отравляющие атмосферу и грунтовые воды на примитивных свалках. Но те же химики, что во многом породили эту отраву, оказались в состоянии сформулировать основные принципы «зеленой» химии, которая со временем должна занять место традиционной опасной «коричневой» химии.

Сам термин «зеленая» химия придумали не зеленые, а химики, хотя и под воздействием пресловутых зеленых. Ничего не поделаешь, это название прижилось, стало почти официальным и его придется использовать, хотя к большей части деятельности зеленых у научного сообщества накопилось огромное количество претензий.

Главная задача «зеленых» химиков — найти такие пути производства необходимых соединений, чтобы в результате не происходило загрязнение окружающей среды продуктами «коричневой» химии. Конечно, можно задачу решить иначе — уничтожить эти вредные продукты, но «зеленая» химия предполагает не уничтожение, а прекращение их производства. Это означает, что придется искать иные способы получения полимеров, строительных материалов, красок и прочих товаров бытовой и промышленной химии. Саму задачу синтеза нового вещества придется ставить иначе.

Вот простейший пример непродуманного решения. Требуется получить новый краситель красного цвета. Химик-органик отлично знает, как это сделать, — он придумает, а потом и проведет синтез ароматического соединения с определенными заместителями, которые обеспечат поглощения света этим соединением в красной области спектра. Все отлично, уже построили цех по производству нового красителя и начали окрашивать им футболки и флаги для съездов КПРФ. Но через некоторое время — совсем не сразу — обнаруживается, что это вещество является сильным канцерогеном. Какие уж тут футболки!

И это не умозрительная схема. Подобных неприятных, часто трагических историй известно много. Классический пример — выпуск прекрасного болеутоляющего средства для беременных талидомида (о нем рассказано подробно в главе 3). Другое болеутоляющее средство было названо героином — после приема этого полусинтетического вещества у человека заметно повышался болевой порог, героин можно было использовать как анестезирующее средство. А первоначально героин, этот страшный наркотик, использовался как средство против кашля!

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 удалось-таки заставить азот перейти в растворимую форму при комнатной температуре, азотобактер догнать не удается. Кстати, аммиак — один из важных предметов отечественного экспорта.

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.

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.