Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи
Современная версия этой реакции происходит при температуре, близкой к температуре окружающей среды (80–90 °C), в качестве растворителя используется вода, а самое главное, в результате образуется только нужное вещество: эта революция стала возможной благодаря развитию технологии медных катализаторов, которые, вдобавок еще и в микроскопических количествах, позволяют реакции пойти более эффективным и экологичным путем. Это соотносится вполне с девятым принципом из списка, касающегося использования катализаторов. Несмотря на то что поиск подходящего катализатора на самом деле процесс весьма трудоемкий, как мы уже видели в истории с аммиаком, катализаторы обладают властью над химическими процессами, переоценить которую невозможно, – достаточно совсем небольшого их количества, чтобы реакция пошла в более мягких условиях и без образования нежелательных отходов.
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.
Замена органических растворителей позволяет снизить и степень другого риска, всегда присутствующего в химической индустрии, – риска пожара или взрыва. Многие органические растворители обладают высокой возгораемостью, и их использование опасно не только для окружающей среды и работников в случае разлива или вдыхания паров – они могут просто взорваться. Замена их «зелеными» растворителями типа воды или CO2 сделает для всех доброе дело.
Еще один важный момент – помимо исследований по оптимизации самого процесса, необходим поиск возможностей модификации и исходных материалов, стремление использовать только возобновляемые их источники.
По этой причине многие химические вещества сегодня синтезируются не «в пробирке» путем взаимодействия реагентов, но все чаще с использованием действия микроорганизмов, которые могут питаться органическими отходами, превращая их в нечто полезное.
Можно привести массу примеров – ванилин, пенициллин, этиловый спирт, уксусная кислота или полигидроксиалканоаты, исходное вещество для производства биоразлагающегося пластика. С помощью сложных техник генной инженерии можно создать микроорганизмы, которые способны синтезировать достаточно значительное количество разнообразной продукции из сельскохозяйственных или домашних органических отходов, превращая таким образом бросовые материалы, которые при этом достаточно затратно утилизировать, в полезные для общества. Пример этому уже работает в медицине – зеленый синтез Симвастатина, одного из самых используемых в мире холестериновых препаратов;
