Слово «химия» часто ассоциируется у нас с чем-то опасным и вредным. Но именно химические реакции лежат в основе всех процессов нашего организма — от дыхания до пищеварения. На химии во многом построена и современная экономика. Откуда же тогда взялся стереотип об угрозе, которую несут достижения этой фундаментальной науки? Причем здесь промышленная революция? И могут ли на смену керосину, фенолу и метанолу прийти мед, лимонная, щавелевая и яблочная кислоты?
На эти и другие вопросы ответил кандидат химических наук, профессор Кафедры аналитической химии Санкт-Петербургского государственного университета Андрей Шишов. Вместе со своими коллегами он выясняет, как «химичит» сама природа и старается подсмотреть у нее секреты безопасных для нас и окружающей среды соединений — развивает методы «зеленой» химии.
Тысяча и одна проба
В современном мире реагенты нужны не только для производства товаров, но и для анализа сырья и уже готовых продуктов. Химический анализ позволяет понять, достаточно ли они эффективны, безопасны и готовы ли к выходу на рынок. Как рассказал Андрей Шишов, на заводе каждый день могут брать около тысячи проб. Если даже для одной такой пробы берут сто миллилитров раствора, то ежедневно на производстве используют до ста литров этого химического соединения. А таких предприятий только в России более шестидесяти тысяч.
«Человечество производит огромное количество очень опасных веществ. Вопрос, почему мы это делаем? Ответ очень простой — потому что эти вещества достаточно хорошо и эффективно решают те задачи, которые нам необходимы. То есть они позволяют добывать нефть, синтезировать лекарства, проводить химический анализ», — объяснил эксперт.
Он отметил, что эта история опасной химии началась еще во времена промышленной революции. Тогда исследователи были нацелены на научный прорыв, а вопросы экологии уходили на второй план. Более того — не сразу люди поняли, что новые вещества могут быть опасны. Например, в XVI–XVII вв. не было известно о вреде ртути и свинца. Ученый напомнил, что в то время девушки использовали свинцовые белила, наносили их на тело и лицо.
Токсичные, опасные и даже взрывоопасные реагенты — например, метанол, ацетон, углеводороды — сегодня используют в нефтехимии, фармацевтике, в сельском хозяйстве, на производстве пищевых продуктов. По словам Андрея Шишова, модернизировать эти процессы очень сложно и дорого, так как они отработаны годами и наиболее выгодны для предприятий.
Мед вместо метанола
Существует 12 принципов зеленой химии. Их сформулировали американские ученые Пол Анастас и Джон Уорнер в книге «Зеленая химия: Теория и практика» в 1998 году. Среди этих принципов — снижение опасности процессов и продуктов синтеза, использование возобновляемого сырья, энергосбережение, развитие аналитических методов. Все это позволят контролировать химические процессы.
«Зеленая химия использует подходы, методы, реагенты, „подсмотренные“ из природы. И они позволяют не вредить экологии. Но, на самом деле, самый экологический растворитель — это вода. И сложно придумать что-то более безвредное, чем она», — поделился ученый. Но, по его словам, нужные для нашей промышленности процессы либо не протекают в воде, либо протекают в этой среде недостаточно эффективно. Так, Андрей Шишов занимается изучением так называемых глубоких эвтектических растворителей — это альтернатива органическим экстрагентам, то есть этанолу, метанолу, углеводородам, растворам ацетона. Кстати, самый простой пример «зеленого» растворителя — это мед.
«Мы знаем, что мед состоит из сахаров. Сахара при комнатной температуре твердые, но если мы смешаем их в определенном соотношении, то эта смесь станет жидкой, достаточно вязкой. И ее можно будет использовать для решения промышленных задач», — объяснил эксперт.
Глубокие эвтектические растворители можно изготовить, например, из различных фруктовых кислот — петербургские исследователи используют молочную, лимонную, винную, малоновую и яблочную кислоты для этих целей. Недавно они разработали метод, который помогает с помощью этих природных соединений обнаружить тяжелые металлы в мясе.
Дизайн по науке
«У ацетона есть определенные свойства — плотность, вязкость, растворимость. И мы никак не можем на них повлиять. А вот наши растворители мы можем смешать в любом соотношении — и получить разные соединения. То есть у нас есть возможность собирать их, как конструктор», — привел пример ученый. Поэтому с помощью «зеленой» химии задачи можно решать даже эффективнее. Правда, на разработку экологичных соединений может уйти до года. Зато эти растворители универсальны — например, если создать соединение для оценки содержания свинца, с его помощью можно будет изучать и почву, и питьевую воду, и бензин, и даже фармацевтические препараты.
Кроме того, такие растворители пригодятся в персонифицированной медицине. Например, изучая плазму крови с помощью «зеленых» соединений уже можно проверить, насколько эффективны препараты против туберкулеза, которые принимает человек.
«Зеленая» химия для изучения зеленых экстрактов
По словам химика СПбГУ, один вид ромашки, выращенный в центральной России и на Дальнем Востоке будет иметь разный химический состав. Такое вещество может поменять свои свойства и после экстракции — например, в случае неправильного хранения. Поэтому для их изучения нужно неоднократно брать пробы. И «зеленые» растворители позволяют делать это без вреда для окружающей среды.
«Мы поставили себе целью использовать наши экологически безопасные растворители для того, чтобы извлекать биологически активные вещества из растений и использовать их в производстве лекарств, косметики, биологически активных пищевых добавок», — поделился эксперт. Сейчас исследования растительных экстрактов проводят в Китае, Индии, где развита традиционная медицина. Но, как отметил Андрей Шишов, в России тоже есть преимущество — на ее территории есть уникальные растения — например, на Алтае или на Байкале.
Домашняя лаборатория
Кроме того, сегодня активно развиваются также тест-методы для определения антибиотиков в молоке. Компании — в том числе российские — создают специальные аппараты, которые позволяют провести такое тестирование вне лаборатории, прямо на предприятии. И, возможно, в будущем такие компактные установки смогут поставить у себя дома и люди, которые хотят следить за качеством продуктов в своем рационе.
Будет спрос – будет и предложение
«Например, мы можем перерабатывать до 90% мусора уже сейчас, нам не надо ничего изобретать для этого. Но почему-то мы это не делаем, почему-то нам проще выкинуть пластиковый стаканчик в мусорку, чем сдать его на переработку», — поделился эксперт. Поэтому, как только общество будет готово к изменениям, а предприятия все чаще будут посылать запросы лабораториям — например, по изготовлению «зеленых» тест-систем, начнет меняться и мир вокруг нас.
Уже сейчас мы можем купить моющие средства на основе яблочной кислоты, заправить транспорт не бензином, а биодизельным топливом — оно оставляет после себя нулевой углеродный след, а при его сгорании образуется вода.
Так, «химия» постепенно уходит от своих «опасных» корней, заложенных в эпоху промышленной революции, и приближается к своим естественным — природным формам. И новые «зеленые» соединения будут намного безопаснее и для нас, и для нашей планеты. Возможно, тогда у нашего будущего будет приятное послевкусие, а не бьющий в нос запах вредных химикатов.
Полина Казакова
