Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи
Подход зеленой химии инновационен, поскольку делает упор на предупреждение: она не только стремится ограничить ущерб или снизить выбросы путем создания сложной системы устранения отходов, но и вообще избежать их образования.
Датой рождения зеленой химии принято считать 1998 год, когда Пол Анастас вместе со своим другом и коллегой Джоном Уорнером опубликовали книгу, в которой сформулировали основы новой дисциплины: «Зеленая химия: Теория и практика» (Green Chemistry: Theory and Practice)[42]. Пол Анастас, сегодня уже директор Центра зеленой химии и инженерии Йельского университета, предложил эту концепцию еще в начале девяностых, когда работал руководителем отделения промышленной химии Агентства по охране окружающей среды США (EPA). Термин «зеленая химия» быстро прижился. Уже в 1995 году Билл Клинтон основал Президентскую премию за воплощение в химические технологии принципов зеленой химии (Presidential Green Chemistry Challenge Awards), предназначенную для награждения как производителей, так и академических ученых за разработку и внедрение изобретений, позволивших сделать процессы более надежными и эффективными. Интерес возрос еще значительнее после публикации книги Анастаса и Уорнера, и в 1999 году Королевское химическое общество, одно из самых уважаемых издательств научных публикаций в области химии, учредило журнал «Зеленая химия» (Green Chemistry), целиком посвященный статьям, подходящим под это определение.
В своей знаменитой книге 1998 года Анастас и Уорнер сформулировали двенадцать принципов зеленой химии[43], которые вы прочтете ниже. Не беспокойтесь, если не покажутся понятными сразу: мы их потом проанализируем.
1. Лучше предотвратить потери, чем перерабатывать и чистить отходы.
2. Методы синтеза надо выбирать таким образом, чтобы все материалы, использованные в процессе, были максимально переведены в конечный продукт.
3. Методы синтеза по возможности следует выбирать так, чтобы используемые и синтезируемые вещества были как можно менее вредными для человека и окружающей среды.
4. Создавая новые химические продукты, надо стараться сохранить эффективность работы, достигнутую ранее, при этом токсичность должна уменьшаться.
5. Вспомогательные вещества при производстве, такие как растворители или разделяющие агенты, лучше не использовать совсем, а если это невозможно, их использование должно быть безвредным.
6. Обязательно следует учитывать энергетические затраты и их влияние на окружающую среду и стоимость продукта. Синтез по возможности надо проводить при температуре, близкой к температуре окружающей среды, и при атмосферном давлении.
7. Исходные и расходуемые материалы должны быть возобновляемыми во всех случаях, когда это технически и экономически выгодно.
8. Где возможно, надо избегать получения промежуточных продуктов (блокирующих групп, присоединение и снятие защиты и т. д.).
9. Всегда следует отдавать предпочтение каталитическим процессам (по возможности наиболее селективным).
10. Химический продукт должен быть таким, чтобы после его использования он не оставался в окружающей среде, а разлагался на безопасные продукты.
11. Нужно развивать аналитические методики, чтобы можно было следить в реальном времени за образованием опасных продуктов.
12. Вещества и формы веществ, используемые в химических процессах, нужно выбирать таким образом, чтобы риск химической опасности, включая утечки, взрыв и пожар, были минимальными.
Вместо того чтобы анализировать эти принципы один за другим, попробуем выявить то, что их объединяет, поскольку они все так или иначе связаны между собой.
Предотвращение появления отходов вместо их утилизации является фундаментальным принципом зеленой химии, что вполне четко выражено в первом принципе и косвенно подтверждено во втором, пятом и восьмом. Концепция экономии на атомном уровне непосредственно связана с разработкой химических реакций, соединяющих все реагирующие атомы в одну конечную молекулу, и позволяет избежать образования побочных продуктов, бесполезных с коммерческой точки зрения и подлежащих утилизации. Под отходами я подразумеваю не только токсичные сточные воды: даже совсем почти безвредные вещества могут стать проблемой, поскольку очистка конечного продукта от них тоже требует энергии. И даже самое безобидное вещество при неправильном использовании может оказать катастрофическое влияние на окружающую среду.
Восьмой принцип знакомит нас с новой концепцией блокирующих групп. В некоторых случаях молекула может вступить в реакцию с другим реагентом сразу в нескольких точках, в то время как нам может быть необходимо модифицировать только определенную часть; блокирующие группы служат для защиты некой части молекулы, вступления в реакцию которой мы не желаем. Использование блокирующих групп похоже на укладку газет на пол во время окраски стен: это помогает избежать пятен на полу, но требует расхода газет и времени. То же самое происходит и в химическом синтезе, и чтобы сократить количество отходов, разрабатываются чрезвычайно специфические и чистые реакции, которые действуют только на определенные группы атомов, игнорируя другие, и количество отходов и побочных продуктов снижается.
Чтобы избежать образования отходов и для оптимизации эффективности в 2001 году была предложена концепция клик-химии. Приставка «клик» намекает на звукоподражание щелчку, например защелкиванию карабина или соединению деталей лего: клик-химия предлагает развивать химические процессы, в которых молекулы соединяются «одним щелчком», не производя при этом отходов и не требуя большого количества реагентов. Одним из самых знаменитых примеров стала циклическая переходная реакция Хьюсгена, представленная на рисунке ниже.
Посредством этой реакции соединяются две молекулы, изображенные темно-серым и светло-серым пятнами, и одна из них содержит группу, именуемую «азидом» и состоящую из трех атомов азота, соединенных между собой (-N3), а другая – тройную углерод-углеродную связь. В соответствующих условиях эти две молекулы могут вступить в реакцию, чтобы образовать циклическое соединение, в котором два атома углерода алкина (алкины – общее название для органических веществ, содержащих тройную связь между атомами углерода) образуют два ребра пятиугольника, в то время как азотные группы – остальные ребра. Это особое циклическое расположение атомов, называющееся «1,2,3-триазол», представляет большой интерес для фармацевтики, поскольку позволяет «имитировать» поведение других групп, более токсичных и менее стабильных. По этой причине оно часто встречается в соединениях, используемых в фармацевтике, например в лекарстве Tazobactam (тазобактам), антибиотике, получаемом на основе пенициллина, или в лекарствах для лечения ВИЧ[44].
Стандартная версия этой реакции требует повышенных температур и органических растворителей, и в результате образуются не только нужное
