Химия становится дешевле и безопаснее

Химия становится дешевле и безопаснее

В поисках новых источников производства ценных продуктов

Молодые ученые Тульского государственного университета усовершенствовали методику получения фурановых «соединений-платформ».

Фото: Алексей Смагин, Коммерсантъ

Несмотря на долгую историю развития химии возобновляемого сырья, по ряду причин, в том числе связанных с доступностью и распространенностью нефти и природного газа, эти технологии до сих пор не приобрели широкого распространения в промышленности. Однако времена меняются: с каждым годом разведка и добыча невозобновляемых источников сырья становятся все более и более затруднительными, что требует поиск новых источников энергии и химикатов. Особенно актуальны подобные исследования для регионов с высокой долей лесистых земель и аграрной активностью, как в Тульской области, поскольку целлюлозосодержащие отходы предприятий сельского хозяйства могут не только сжигаться или захораниваться, но и использоваться для получения ценных соединений и биотоплива.

Коллектив молодежной лаборатории химической конверсии возобновляемой биомассы и органического синтеза Биохимтехцентра ТулГУ изучает процесс превращения органического материала из растений (древесины, соломы, отходов сельскохозяйственных культур) в энергию или другие вещества, например фураны. На основе фурановых соединений могут быть получены новые биологически активные вещества и полимерные материалы с выдающимися свойствами.

Но, чтобы поставить на службу человечеству это дешевое и легкодоступное сырье, требуются предварительные фундаментальные исследования. Предложенная молодыми учеными методика по получению фурановых «соединений-платформ» не только существенно снижает экономические затраты на их производство, но и увеличивает экологичность самой реакции, что было подтверждено через проведение расчетов, соответствующих «зеленых» метрик.

В фокусе внимания молодых ученых — фурановые «соединения-платформы». Наиболее перспективным ученые считают соединение 5-(гидроксиметил)фурфурол (ГМФ). Новый метод, разработанный заведующим лабораторией, к.х.н. Богданом Карлинским и младшими научными сотрудниками аспирантом Денисом Колыхаловым и магистрантом Анастасией Голышевой, позволяет синтезировать данное вещество и его ближайшее производное 2,5-диформилфуран (ДФФ) из фруктозы без использования дорогостоящих реактивов и сложного оборудования.

Оптимизация методики синтеза велась на протяжении полугода: для получения позитивного результата требовалась постановка большого числа синтезов с использованием катализаторов (веществ, ускоряющих реакции), а также определение влияния времени и температуры на реакцию. Кроме того, важно было понять кинетику реакции для составления правильного механизма: протекание этой реакции на меньшем объеме экспериментальных данных ранее изучала группа европейских ученых, но предложенный ими механизм отличается от описанного российскими исследователями.

Как отметила младший научный сотрудник лаборатории Анастасия Голышева, «фурановые “соединения-платформы” — 5-(гидроксиметил)фурфурол и его производные — с точки зрения синтетического и рыночного потенциала выступают наиболее многообещающими среди продуктов, на основе которых можно получить новые вещества и материалы взамен тех, что сейчас получают из невозобновляемых источников. Перспективы нашей работы связаны с переходом от линейной экономики к экономике замкнутого цикла, достижением углеродной нейтральности, переходом от невозобновляемого сырья к возобновляемому как основе человеческой деятельности и технологий. Это большой путь, который открывает перспективы для производства ценных химических продуктов. Но нет предела совершенству, и разработанный нами подход можно и нужно улучшать для достижения максимальной эффективности использования природных ресурсов в интересах людей».

Стоит отметить, что снижение стоимости синтеза ценных и перспективных веществ может повысить интерес ученых и предпринимателей к этой научной отрасли, особенно в тех лабораториях и регионах, где прежде получение ГМФ представлялось излишне дорогой задачей. В дальнейшем вещества, синтезированные из ГМФ или ДФФ по разработанной методике, могут использоваться для разработки новых лекарственных препаратов, полимерных материалов, а также возобновляемого биотоплива.

Результат работы молодых ученых был опубликован в спецвыпуске «Катализ для устойчивой конверсии биомассы и пластиков» в журнале Catalysis Communications (IF = 3.7, Q2).

Богдан Карлинский, к.х.н., заведующий лабораторией химической конверсии возобновляемой биомассы и органического синтеза Биохимтехцентра ТулГУ, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Что такое фураны?

— Фураны — простые молекулы, получаемые в ходе переработки возобновляемого растительного сырья (целлюлоза, сахароза, фруктоза и т. д.), они могут выступать основой для синтеза различных биологически активных соединений.

— Что такое «соединения-платформы»?

— «Соединениями-платформами» исследователи в начале XXI века обозначили ряд веществ (в настоящий момент их чуть больше десяти), которые могут быть получены из возобновляемых источников и при этом обладают таким синтетическим потенциалом, что могут соперничать с повсеместно используемыми продуктами переработки нефти, природного газа и каменноугольной смолы. Поскольку практически все крупнотоннажно производимые продукты в настоящий момент получают из невозобновляемых источников, они являются достаточно ненадежной «опорой» для человечества, ведь и через десятки лет, когда запасы нефти истощатся, нам потребуется производить новые лекарства, полимерные материалы, топливо для автомобилей и энергетики, а потому переход и «опора» на возобновляемую «платформу» сейчас важны как никогда.

Среди возобновляемых «соединений-платформ» стоит выделить ароматические вещества фуранового ряда. Со школьной скамьи всем наверняка знакома молекула бензола — шесть атомов углерода, соединенные в кольцо, при этом связи между атомами чуть более прочные, чем в других молекулах,— это и называется «ароматичностью». Фурановое ядро похоже на бензольное, однако состоит не из шести атомов, а из пяти, одно из которых — атом кислорода. По этой причине их называют «гетероциклами» — они состоят не только из углерода, но включают в цепочку другой элемент таблицы Менделеева. Эти фурановые производные образуются при кислотной обработке природных углеводов, таких как целлюлоза, крахмал, сахароза или фруктоза: эти молекулы под действием кислоты отщепляют несколько молекул воды (процесс называется дегидратацией), а затем замыкаются в пятичленные фурановые циклы.

— Как можно в дальнейшем использовать наработки ученых в этой области?

— Для одного из фурановых производных, 2,5-фурандикарбоновой кислоты, уже нашлось промышленное применение: в Европе более десяти лет работает производство полимерного материала на ее основе, который вполне может заместить полиэтилентерефталат (ПЭТ) в качестве основного сырья для производства пластиковых бутылок и других упаковочных материалов. 5-(гидроксиметил)фурфурол, в свою очередь, интересен наличием сразу двух функциональных групп в своей структуре, обладающих очень разной реакционной способностью и перечнем процессов, в которых их можно вовлечь. Другими словами, это вещество представляет собой уникальный «конструктор» с огромным потенциалом, который можно функционализировать, модифицировать и соединять с другими веществами огромным количеством способов. Именно в ходе подобных процессов можно получить вещества, которые ранее никто и никогда в пробирке не получал, и стать настоящим первооткрывателем. Конечно, далеко не факт, что у нового вещества будут уникальные и интересные свойства, но каждый маленький шажок в эту сторону добавляет нам немного знаний о свойствах этой возобновляемой платформы и ее производных, а значит, приближает нас в сторону «зеленого» и экологичного будущего.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки