Зеленая химия — это фундаментальные исследования, которые ложатся в основу технологий, направленных на то, чтобы снизить негативное влияние химической промышленности на окружающую среду.
"Я желал бы, чтобы первым семенем, из которого должны вырасти традиции учебного заведения, было бы сознание необходимости постоянного систематического труда". С такими словами обратился к студентам только что открытого Томского практического технологического института его первый директор, профессор Ефим Лукьянович Зубашев. Слово «практический» из названия института со временем ушло, но смысл не поменялся. Традиции, заложенные основателями, первыми профессорами и первыми выпускниками института, оказались весьма стойкими.
В первом составе института было два отделения — механическое и химическое. По современным представлениям, химическое отделение скорее всего называлось бы химико-технологическим. Именно на технологические аспекты подготовки студентов делался здесь упор. Заметим, что и в этом плане традиции института (а теперь уже исследовательского университета) вполне сохранились. И тогда, и сейчас студентов обучают самым современным технологиям, разве что технологии за век с небольшим изменились не просто сильно, но принципиально.
Производители химических продуктов прошлого века спокойно относились к использованию опасных реагентов, легко мирились с опасными отходами. В какой-то степени это объясняется несовершенством самих технологий, но не в меньшей —
уверенностью в том, что суммарное количество выбросов относительно невелико и природа легко с ними справится. Осознание опасности такого подхода пришло уже в первой четверти XX в., но еще долго производственные технологии
получения целевых продуктов пребывали в катастрофическом отрыве от технологий переработки отходов, очистки выбросов и защиты окружающей среды от воздействия производственных факторов.
Первыми спохватились европейцы. Плотность населения в Европе весьма высока, и дымящие заводы этому населению категорически не нравились. Не нравились ему и реки, в которых вместо воды текла жидкость странного цвета и непонятного состава. О прекрасном голубом Дунае и чистом Рейне пришлось забыть.
С начала 1960-х гг. в европейских странах, СССР, США и Японии начали активно проводиться работы по совершенствованию технологий в двух основных направлениях: экономия ресурсов (в первую очередь сырья, во вторую — энергии) и снижение, а в идеале — полная ликвидация выбросов.
Большие надежды в то время возлагали на только что появившиеся микробиологические технологии. Толчок им дало открытие антибиотиков. Оказалось, что кроме производства пекарских дрожжей и уксусной кислоты (точнее, пищевого уксуса) очень близким по технологической сути способом можно получать сложные химические соединения. Причем в нормальных условиях — при температуре человеческого тела и атмосферном давлении. А еще выяснилось, что получить эти вещества традиционным химическим способом или вовсе не удается, или получается трудноразделимая смесь изомеров, совершенно непригодная для практического использования.
Биотехнологические исследования обнадеживали. Казалось, вот-вот можно будет отказаться от энергоемкого обогащения
руд — его должно заменить микробное выщелачивание, синтезом полимеров смогут заниматься бактерии и они же переработают нефть в топливо, попутно наращивая собственную биомассу и превращаясь в отличный корм для птиц и животных. Да и мечты о производстве человеческой пищи из выращенной в искусственных условиях биомассы микроорганизмов и водорослей представлялись вполне реальными, нужно только правильно подобрать культуры и субстраты.
Не тут-то было.
Обогащать руду микроорганизмы могут, но очень медленно, и для крупнотоннажных металлургических производств такая скорость совершенно неприемлема. С белково-витаминными концентратами (БВК) тоже все вышло далеким от идеала. Прежде всего, полученная биомасса оказалась не такой безобидной, как виделось вначале. Да и сырье для производства БВК, и тем более отходы, представляются с современной точки зрения продуктами весьма и весьма вредными. Тем не менее микробиологические технологии продолжают развиваться. Акцент, правда, теперь делается не на многотоннажные производства, а на тонкий синтез, на процессы переработки отходов, биологическую очистку воды, уничтожение скопившихся многолетних промышленных выбросов, в том числе рекультивацию грунта, загаженного нефтепродуктами. Одновременно с микробиологическим направлением активно развивались исследования собственно химических технологий. Главной проблемой долгое время представлялось наличие громадного количества отходов в самых разнообразных видах. Газовые и пылевые выбросы приводили к кислотным дождям. И это только наиболее известный феномен. Но были и щелочные дожди, и оседание потенциально опасной пыли, и вторичное загрязнение водоемов осадками. Не полностью очищенные сточные воды загрязняли водоемы напрямую, бесконтрольное использование удобрений и ядохимикатов отравляло воду опосредованно, разливы нефтепродуктов портили почву, а в местах добычи (особенно на наших отечественных северных промыслах) губили тонкие и чувствительные экосистемы болот. Анализ процессов «производства загрязнений» привел исследователей к выводу, что значительная часть отходов образуется из-за несовершенства производства. Из-за того что исходные реагенты недостаточно чисты, из-за того что реакции в производственном процессе проходят в неоптимальных условиях, из-за того что некоторые из образующихся промежуточных продуктов не перерабатываются... Перечислять можно еще долго.
Второй серьезной проблемой было массовое использование для производства многих химических продуктов материалов, представляющих серьезную опасность и для человека, и для окружающей среды. Некоторые из них из-за несовершенства технологий практически напрямую попадали в производственные выбросы.
Примерно с середины 1950-х гг. химики-технологи, в особенности работавшие в сфере технологии органических веществ, начали обширные исследования селективных и гетерогенных процессов. На фоне ухудшения состояния природы, страхов, вызванных изменениями климата, роста понимания крайне негативной роли промышленности в этих бедах появилось понятие «зеленая химия», сначала малозаметное, но со временем выросшее в серьезную мировую тенденцию. Постепенно сформировались вполне определенные принципы такого рода технологий. Химические исследования на протяжении всей
истории Томского политеха были его сильной стороной. Одной из знаковых черт томской химической школы был и остается комплексный подход к решению научных и технологических задач.
С 1990-х гг. в ТПУ начали активно развивать работы в области зеленой химии. Причем в отличие от многих других исследовательских лабораторий именно комплексно, рассматривая не только отдельные стадии процесса синтеза, но и всю технологическую цепочку. Своей главной задачей ученые считают замену вредных и дорогостоящих материалов, входящих в состав химической продукции или применяемых при ее производстве, на безопасные и экономически доступные. Исследования в этом направлении имеют фундаментальный характер и практически невозможны без широкого международного сотрудничества. Сейчас университет активно взаимодействует с исследователями из Великобритании, Германии, США, Чехии, Японии, с целым рядом международных научных объединений. Недавно в ТПУ презентовали международный сетевой центр «Химия будущего». В рамках этого объединения сотрудники университета вместе со своими зарубежными коллегами, ведущими специалистами в области зеленой химии, работают над созданием технологий, дружественных к окружающей среде, то есть не наносящих ей вред. Вторым важным направлением центра станет работа над созданием новых «умных» материалов для инновационных применений и полимеров, предназначенных для использования в экстремальных условиях, например в Арктике, в условиях высокогорья или многолетнемерзлых грунтов.
Главный корпус Томского политехнического университета
«Зеленая химия — это фундаментальные исследования, которые ложатся в основу технологий, направленных на то, чтобы снизить негативное влияние химической промышленности на окружающую среду. Томский политех — лидер в России в этой научной области. Дело в том, что во многих университетах ведутся фрагментарные исследования, здесь же работы проводятся методично и последовательно, что дает прогрессивные результаты. Кроме того, мы связаны научными проектами с ведущими специалистами в этой области», — рассказал руководитель центра, заведующий кафедрой технологии органических веществ и полимерных материалов ТПУ М.С. Юсубов.
Технологии, которые сегодня разрабатывают томские химики вместе со своими зарубежными коллегами, предназначены для самых разнообразных отраслей науки, промышленности, медицины. Например, разработанный здесь способ получения фторсодержащих соединений для позитронно-эмиссионной томографии с использованием в качестве прекурсоров иодониевых солей можно использовать для изготовления радиофармпрепаратов, предназначенных для диагностики и тераностики (медицинского подхода, при котором препараты и методики их применения выступают одновременно и средством ранней диагностики, и лечением). Очень интересен он и для производства лекарственных средств.
«Мы активно сотрудничаем с Томским политехническим университетом. Цель совместной работы — создание таких химических технологий, в которых токсичные для окружающей среды соединения тяжелых металлов полностью исключены из процесса. Это особенно актуально в органическом синтезе, в фармацевтической промышленности. Здесь тяжелые металлы используются в качестве катализаторов в важных реакциях, и наша цель — заместить их на абсолютно нетоксичный йод. Нам уже удалось доказать, что некоторые реакции, в частности для синтеза фармацевтических препаратов с противораковой активностью, прекрасно проводятся с йодом», — отметил профессор В.В. Жданкин из Миннесотского университета в Дулуте (США).
«Работая с йодом, мы используем его не только для замещения тяжелых металлов, но и для создания новых химических реакций. В этом отношении йод — очень перспективный элемент. В дальнейшем эти реакции можно будет использовать для создания новых препаратов и новых материалов. Отмечу, что для сотрудничества между нашими коллективами и вузами есть прочная не только научная, но и образовательная основа. Студенты из Томска приезжают в Великобританию, наши студенты приезжают в ТПУ», — рассказал профессор Томас Вирт из Кардиффского университета (Великобритания).
Кстати, приезжающие в Томск иностранные специалисты не только работают в лабораториях, но и читают лекции для студентов и аспирантов ТПУ. Например, совсем недавно, в мае нынешнего года, с лекцией «Реагенты на основе поливалентного йода для реакций присоединения и перегруппировок» выступил профессор Томас Вирт, доктор Акира Йошимура из Южного методистского университета (США) прочел лекцию «Синтез и использование псевдоциклических реагентов на основе соединений поливалентного йода», об использовании солей диазония в палладиевом катализе
при ковалентной модификации целлюлозы рассказал профессор Франсуа-Ксавье Фелпин из Нантского университета (Франция), а профессор Фрэнсис Верпоорт из Гентского университета (Бельгия) выступил с лекцией «Синтез кристаллов металлокаркасных соединений». Завершил эту небольшую международную сессию профессор А.В. Иванов из Иркутского института химии им. А.Е. Фаворского СО РАН. Аудитории были забиты до отказа.
Лекции, кстати, читались на английском языке, но затруднений у аудитории это не вызвало. Студенты-политехники шутят: «Политех — это иняз с техническим уклоном».
Зеленая химия — принципиально новый подход к сокращению использования опасных и токсичных химических веществ в производстве или полному отказу от них. Главная задача ученых — заменить вредные и нередко дорогие компоненты
химической продукции на безопасные и экономически доступные вещества.
В рамках совместного гранта РФФИ и Королевского химического общества (Великобритания) в Томском политехе разработан метод синтеза соединений поливалентного йода с использованием доступного экологически безопасного окислителя оксона (оксон представляет собой комплексную смесь калиевых солей перкислот, безопасную и дешевую). Благодаря своей простоте, экологической чистоте и высокому выходу эта технология представляет очень большой практический интерес.
Основатель и первый декан химического отделения Томского технологического института (такое название носил универ- ситет в начале 1900-х гг.) В.А. Обручев вместе с первым ректором ТТИ Е.Л. Зубашевым в первые годы работы отделения сумел привлечь в вуз известных ученых Н.М. Кижнера, Н.П. Чижевского, Л.П. Кулева и многих других выдающихся химиков
Один из важнейших принципов зеленой химии — по возможности полное использование всех участвующих в реакциях компонентов. Для осуществления этого принципа в некоторых случаях полезно проводить реакции постадийно, с дозированным введением лабильных веществ, чтобы предотвратить их деградацию до вступления в реакцию.
«Наш метод экологичен и экономически выгоден. При его использовании не требуется дополнительной очистки продуктов реакции от отходов окислителя. Получаемые неорганические соли легко отделяются от продуктов реакции и могут в дальнейшем регенерироваться, — рассказывает М.С. Юсубов. — В производстве соединений поливалентного йода
обычно используют органические окислители. Работать с ними сложно из-за высокой летучести и, мягко говоря, неполезности для здоровья. Кроме того, продукты реакции при их использовании для создания лекарственного препарата на финишных (а иногда и на промежуточных) стадиях приходится отделять от остатков окислителя и его восстановленных форм. Для этого, в свою очередь, производителю нужно приобретать растворители, тратить дополнительно электроэнергию. Разумеется, производственные затраты растут. Да и с экологической точки зрения эти процессы весьма несовершенны, поскольку в процессе очистки целевых продуктов в атмосферу испаряются легколетучие органические растворители. Мы же предлагаем простые технологии с использованием дешевых окислителей, применяемых в промышленности и в быту, таких как, например, отбеливатели. Это помогает минимизировать расходы на очистку продуктов реакции».
Еще один принцип зеленой химии — максимальное использование каталитических процессов. Химики ТПУ нашли способ избежать образования большого количества токсичных отходов при проведении целого класса реакций органического синтеза. Новые методы стали результатом многолетних исследований палладиевого катализа — темы, за которую в 2010 г. была присуждена Нобелевская премия по химии. Заметим, что при использовании катализаторов, созданных в Томском политехе, в окружающую среду выделяется только совершенно безопасный азот, почти на 80% составляющий воздух, которым мы дышим.
Сотрудники и аспиранты кафедры биотехнологии и органической химии Института физики высоких технологий ТПУ работают над методами построения углеродных связей. Их образование — самая распространенная реакция в живой природе: она протекает в любом процессе органического синтеза. Заметим, что в природе никаких отходов при этом не возникает. В лабораторных условиях избежать образования большого количества отходов очень сложно. В реакциях соединения атомов углерода и в лабораториях, и в промышленности в качестве реагентов зачастую используются ароматические галогениды. Эти вещества токсичны, есть данные, что они либо напрямую разрушают озоновый слой, либо способствуют этому опасному явлению. Сотрудникам кафедры удалось получить уникальные соли диазония, водорастворимые и экологически безопасные. Они позволяют использовать в качестве растворителя воду вместо токсичных веществ. Обычная вода и становится отходом в таких химических реакциях.
Вещества, создаваемые с помощью разработанных в ТПУ катализаторов, можно будет применять повсеместно: в синтезе лекарств, косметических средств, производстве пластмасс, мономеров для последующей полимеризации. Сейчас ученые ТПУ модифицируют методы использования солей диазония, чтобы сделать их еще более экологически безопасными.
Подготовил Дмитрий Зыков
