Мир, созданный химиками. От философского камня до графена

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:

N₂ + 3H₂ = 2NH₃

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.

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.