Группа российских химиков из МГУ и ИНХС РАН под руководством профессора РАН Михаила Нечаева смогла разработать реакции, катализируемые комплексами палладия и золота без использования органических растворителей, из-за которых химическое производство, в том числе лекарств, оказывается таким неэкологичным. В будущем эти разработки позволят сделать фармацевтику и производство материалов для органической электроники более «зелеными».
«Зеленая химия» — современное направление химических исследований, цель которых добиться, чтобы химические технологии отвечали растущим экологическим требованиям и стандартам. Есть разные способы сделать химические производства более экологичными: можно снижать количество побочных продуктов, или снизить токсичность реагентов и продуктов синтеза, можно работать над уменьшением нежелательных выбросов в окружающую среду, а можно делать фокус на снижении энергозатрат.
Есть один количественный показатель, позволяющий учитывать экологичность в цифрах — это так называемый Е-фактор Шелдона. Величина Е-фактора, рассчитанная для химического процесса, равна отношению количества отходов к количеству целевого продукта. Интересно отметить, что считающиеся «грязными» производства основных химических веществ характеризуются значениями Е-фактора порядка 1–10, а для фармацевтической промышленности значения Е-фактора достигают величин 100–1000. Таким образом, при учете масштабов производства, оказывается, что экологический урон от «чистых» фармацевтических технологий вполне сопоставим с уроном от «грязных» химических гигантов.
Химики из МГУ и ИНХС РАН провели цикл исследований по разработке методов проведения важнейших органических реакций, катализируемых комплексами благородных металлов. «Наша цель — убрать органические растворители из органической химии. Заменить токсичные растворители на экологически безопасную воду либо проводить процессы синтеза вообще без растворителей», — рассказывает руководитель научной группы, профессор РАН Михаил Нечаев.
Действительно, получение сложных органических субстанций — многостадийный процесс, в котором растворители многократно используются, как на стадиях химических превращений, так и на стадиях выделения и очистки веществ. Если удастся найти способ синтезировать сложные органические субстанции без использования растворителей, производство станет значительно экологичнее. А еще — безопаснее с точки зрения возможности пожара. Кроме того, будет потреблять меньше электроэнергии на очистку и регенерацию растворителей.
Эта группа ученых уже опубликовала результаты цикла работ по разработке новых типов катализаторов для реакций образования связей углерод-углерод (реакция Сузуки-Мийауры, Нобелевская премия 2010 года), связей углерод — азот (реакции Бухвальда-Хартвига и присоединение аминов к ацетиленам), связей углерод — бор (реакция Мийауры). Эти реакции являются одними из важнейших для построения основного скелета сложных органических молекул. Проведение таких реакций без растворителя требует специальной настройки катализаторов и условий проведения реакций. Этого можно добиться за счет введения к металлам специальных лигандов — молекул, которые при соединении с металлом делают катализатор одновременно и стабильным, и активным. Такими лигандами могут быть стабильные карбены, химия которых активно исследуется в научной группе.
Несмотря на прикладной характер исследований, направленный на решение актуальных промышленных задач, решение было найдено на основе фундаментальных исследований структуры и реакционной способности комплексов палладия и золота. Для «расшифровки» закономерностей протекания сложных химических реакций был использован весь арсенал современных методов исследований в рамках сотрудничества с рядом подразделений РАН.
Химические процессы на молекулярном уровне были промоделированы с использованием квантово-химических вычислений в Межведомственном Суперкомпьютерном Центре РАН; синтез лигандов и комплексов металлов проводился в ИНХС РАН с использованием техники работы в инертной атмосфере; исследования кинетики реакций был проведен в ИОХ РАН в лаборатории член-корр. РАН, профессора Валентина Ананикова. «Несомненно, залогом успеха в нашей работе являются междисциплинарный подход и совместная работа со специалистами из разных областей химии», — отмечает Михаил Нечаев.
Контроль за направлением химической реакции на уровне атомарной точности — последнее слово химических технологий и важнейшая задача современных методов синтеза органических веществ. Именно в этой области фундаментальные научные исследования, которые обычно так далеки от нашей частной жизни, могут совсем скоро напрямую влиять на чистоту воздуха, которым мы дышим.
