Дело в химии. Как все устроено?

Возможность использования воды в качестве растворителя – далеко не мелочь, поскольку органические растворители часто ядовиты, легко возгораются, канцерогенны и утилизируются с большим трудом. Учитывая, что они могут составлять 80 % всей массы расходных материалов в фармацевтическом производстве – притом что потом их приходится удалять во время фазы очистки и подготовки активного вещества, – легко представить себе, какой эффект для окружающей среды несет работа по снижению использования растворителей и замене токсичных растворителей на экологичные.

Развивая дальше эту тему, давайте внесем ясность в терминологию. Когда мы растворяем поваренную соль в воде, мы готовим раствор, состоящий из растворимого вещества (соль) и растворителя (вода). Раствор представляет собой однородную (гомогенную) смесь двух веществ, в которой одно присутствует в большем количестве – растворитель, а другое – в меньшем. Смесь воды и песка, в отличие от смеси воды и соли, раствором не является, это неоднородная смесь (гетерогенная), поскольку песок в воде не растворяется. Воздух, которым мы дышим, логично назвать раствором, в котором кислород (21 %) растворен в азоте (78 %), но обычно термин «раствор» применяется к смеси веществ, в которых растворителем служит жидкость, а твердая фаза – растворимое вещество, а растворы из двух жидкостей или двух газов называются «смесью». Отдельное название существует и для твердых «растворов», например двух металлов: в этих случаях в основном используется название сплав, а когда одним из металлов выступает ртуть – амальгама. Одним из примеров сплава является бронза, смесь меди и олова, а смесь меди с цинком издавна называется латунью. Растворы и сплавы не имеют химической формулы, поскольку они не образуют новых веществ, – в сочетании «формула латуни» нет никакого смысла, так же как и нет смысла в «формуле» соленой воды. Это просто смеси разных веществ, имеющих однородный вид.

В то время как одни вещества растворяются в воде, другим это не дано, и им приходится искать иные растворители. Например, красители для фломастеров или лак для ногтей не растворимы в воде, но они растворяются в этиловом спирте или ацетоне. А другим веществам для растворения необходимы производные углеводородов, такие как хлороформ, трихлорэтилен или тетрахлорэтилен, которые сегодня используются в обычной жизни довольно редко из-за их токсичности; однако в прошлом они применялись активно в качестве обезжиривания или сухой химчистки.

Некоторые из этих органических растворителей, присутствующих во всех химических лабораториях мира, чрезвычайно токсичны для человека и для окружающей среды и требуют особых мер безопасности – к примеру дихлорметан и хлороформ. Эти растворители, называемые галогенированными (галогенами именуют фтор, хлор, бром и йод), следует хранить в специальных контейнерах, отдельно от всех других органических растворителей, именно из-за их потенциальной опасности для окружающей среды.

Несмотря на многочисленные недостатки, они до сих пор необходимы для многих производств, хотя в некоторых случаях уже заменены на экологически безопасные альтернативы. В качестве примера можно привести извлечение кофеина из кофе, которое одно время осуществлялось с помощью трихлорэтилена, очень токсичной и канцерогенной субстанции[45]: сегодня этот процесс совершают посредством углекислого газа в сверхкритичном состоянии, совершенно безвредного. Сверхкритичное состояние вещества – это состояние, при котором исчезают различия между жидким и газовым состояниями, оно получается путем помещения его в особые условия температуры и давления: сверхкритичная жидкость обладает массой преимуществ, в том числе повышенной вязкостью и выдающейся способностью растворять. Углекислый газ достаточно нагреть до 30 °C и подвергнуть давлению в семь атмосфер, чтобы он стал сверхкритичной жидкостью, – вполне выполнимые условия, позволяющие без слишком больших энергетических затрат и мер безопасности сделать его идеальным растворителем не только в пищевой промышленности, но и в химчистках.

В 2019 году команда французских исследователей решила пойти дальше и заменить такие растворители, как диэтиловый эфир или толуол, эссенцией эвкалипта. Эфирное масло этого растения, помимо того, что служит надежным экологичным репеллентом против комаров, может использоваться для некоторых химических реакций в фармацевтике, что приведет к отказу от токсичных и с трудом утилизируемых веществ: возможно, его трудно будет использовать в широких промышленных масштабах, но может играть важную роль в более локальных процессах.