Наука

Трендовая химия

Ученые Томского политеха ищут экологичные решения проблем

ОДНА ИЗ САМЫХ РАСПРОСТРАНЕННЫХ ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ В ОКРУЖАЮЩЕМ НАС МИРЕ — СОЕДИНЕНИЕ ЧАСТИЦ УГЛЕРОДА МЕЖДУ СОБОЙ. РЕАКЦИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ТАКИХ СВЯЗЕЙ ПРОТЕКАЕТ В ЛЮБОМ ПРОЦЕССЕ ОРГАНИЧЕСКОГО СИНТЕЗА НА ТОЙ ИЛИ ИНОЙ СТАДИИ, А ЕЕ ПРОДУКТЫ (СЛОЖНЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ) МОЖНО НАЙТИ В САМЫХ РАЗНЫХ МЕСТАХ — ОТ АПТЕЧКИ ДО КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ. ОДНАКО, ЧТОБЫ ПОЛУЧИТЬ СЛОЖНУЮ ОРГАНИЧЕСКУЮ МОЛЕКУЛУ, НЕОБХОДИМО УМЕТЬ «СШИВАТЬ» РАЗЛИЧНЫЕ АТОМЫ УГЛЕРОДА МЕЖДУ СОБОЙ С ТОЧНОСТЬЮ, МНОГОКРАТНО ПРЕВОСХОДЯЩЕЙ ЮВЕЛИРНУЮ. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ ЭТИХ РЕАКЦИЙ СЕЙЧАС ЗАНИМАЮТСЯ ХИМИКИ ИЗ РАЗНЫХ СТРАН. УЧЕНЫЕ ТОМСКОГО ПОЛИТЕХА НЕ ТОЛЬКО ИЩУТ НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАЗОВАНИЯ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ СВЯЗЕЙ, НО И СТАРАЮТСЯ СДЕЛАТЬ ИХ «ЗЕЛЕНЫМИ».

Ксения Кутонова поясняет, что сегодня ученые во всем мире стараются усовершенствовать химические процессы и наносить как можно меньший вред окружающей среде.

«Укрощение» углерода

В конце прошлого года молодые химики кафедры биотехнологии и органической химии Института физики высоких технологий ТПУ получили поддержку Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ): они выиграли почти миллионный грант сроком на два года. Сейчас ученые разрабатывают новые методики построения углеродных связей.

Основная проблема построения углеродных связей в том, что для создания сложных органических молекул требуется несколько стадий, каждая из которых уменьшает выход конечного продукта. К концу цепочки реакций эффективность процесса снижается в два раза и более, а кроме ценного соединения химики получают массу отходов.

— В большинстве реакций органического синтеза используются токсичные растворители. Они и составляют наибольший объем отходов. На кафедре ранее были получены уникальные соли диазония, водорастворимые и экологически безопасные. Они позволяют использовать в качестве растворителя обычную воду вместо токсичных веществ. Она и становится единственным отходом в таких химических реакциях, — рассказывает лауреат гранта РФФИ, ассистент кафедры биотехнологии и органической химии Ксения Кутонова.

Ароматические соли диазония, получаемые в Томском политехе, отличаются не только способностью растворяться в воде, но и своей стабильностью и безопасностью. А все вещества, которые используются для их синтеза, дешевые и доступные.

Ксения Кутонова поясняет, что работа над получением диазониевых солей началась на кафедре еще в 2008 году, когда была опубликована первая статья по этой теме. Теперь молодые ученые ищут новые пути использования уникального реагента.

— Мы стараемся добиться большей эффективности реакций образования углерод-углеродных связей с участием солей диазония, чтобы потери реагентов были минимальные, а конечного продукта удавалось получать как можно больше, — добавляет Ксения. — Создаваемые на основе этих реакций вещества можно будет применять повсеместно: в синтезе лекарств, косметических средств, производстве пластмасс, мономеров для последующей полимеризации.

Молодые ученые кафедры проводят фундаментальное исследование, привлекающее внимание ученых по всему миру. Они используют палладиевую систему, чтобы получить новые биологически активные препараты, макромолекулы. Исследования палладиевых систем активно развиваются с 2010 года,когда эта тема оказалась в центре внимания Нобелевского комитета.
Марина Трусова, кандидат химических наук, инженер-исследователь кафедры биотехнологии и органической химии ИФВТ.

Зеленые молекулы

Традиционно в реакциях соединения атомов углерода в качестве растворителей применяются ароматические галогениды. Как поясняют политехники, эти вещества не только сильно загрязняют окружающую среду, разрушают озоновый слой, но, как и любые токсичные соединения, вредят здоровью человека.

— Поскольку мы используем соли диазония, единственным побочным продуктом реакций является азот, — поясняют ученые. — Именно из этого газа в основном состоит атмосфера нашей планеты. Человек постоянно находится в его окружении, и никакой опасности для здоровья это не представляет. Поэтому наши методы «зеленее», чем общепринятые.

Зеленая химия — тренд, набирающий популярность с начала этого века. Именно тогда человечество пришло к осознанию того, что химическая промышленность оказывает серьезное негативное влияние на окружающую среду. С тех пор ученые во всем мире стараются усовершенствовать химические процессы, чтобы наносить меньший вред окружающей среде.

— Наша задача — уже известные методы, предполагающие большое количество отходов и вредных выбросов, модифицировать таким образом, чтобы они стали более экологически безопасными. В перспективе это позволит широко применять «зеленые» методы образования углеродных связей в промышленности. По окончании работы над этой темой мы получим протестированные, воспроизводимые методы использования ароматических солей диазония. При этом реакции будут протекать в мягких условиях, с большей скоростью и максимальным выходом конечного продукта. Благодаря этому будет образовываться минимальное количество отходов, — поясняет Ксения Кутонова.

Справка

Палладиевая Нобелевская премия

В 2010 г. Нобелевскую премию по химии присудилиамериканцу Ричарду Хеку и японцам Эй-Ити Нэгиси и Акира Судзукидали заразработку методик палладиевого катализа, позволяющих очень точно, с минимумомпобочных продуктов «сшивать» атомы углерода.

Зеленая химия (Green Chemistry) — научноенаправление в химии, стремящееся к усовершенствованию химических процессов сцелью сокращения пагубного влияния на окружающую среду.

Соли диазония — органические азотсодержащиесоединения. Обычно они неустойчивы, не могут сохраняться длительное время ни вводных растворах, ни в твердом состоянии, однако ученым Томскогополитехнического университета удалось получить стабильные и безопасные солидиазония.

Как говорит научный руководитель Ксении инженер-исследователь кафедры биотехнологии и органической химии ИФВТ Марина Трусова, экологичность — главное отличие. Органическую химию нельзя сделать полностью безопасной, но снизить риск использования вредных растворителей — в силах ученых. Таким образом, они пытаются направить традиционную химию в новое русло. Эту работу политехники завершат уже через два года, именно на такое время рассчитан грант. Средства, выделенные Российским фондом фундаментальных исследований, ученые хотят потратить на покупку нового оборудования и реагентов. Ведь, как говорят химики, совершенствование реакций образования углеродных связей — тема бесконечная.

Елизавета Муравлева