Високі і чисті. Технології зеленої хімії - майбутнє Землі?

Професор Ноттінгемського університету Мартін Поляков.

Творча група, яка зняла відеосеріал про періодичної системи елементів (www.periodicvideos.com).

<

>

Хімія - вона і в Африці хімія

- Ролі та межі фундаментальних наук в сучасному світі весь час переглядаються. Чи не розчиняється сьогоднішня хімія в прикордонних з нею областях - біології, фізики, науці про матеріали, в модних нанотехнологіях, чи не відбувається її розмивання як фундаментальної науки?

- Думаю що ні. Все-таки і в Англії, і тут, в Росії, ми продовжуємо викладати в університетах фізику, хімію як самостійні науки, а нанотехнології і подібні речі студенти вивчають пізніше, в магістратурах. Що стосується загальної ситуації з фундаментальними науками, на мій погляд, вони зараз більш популярні, ніж десять чи двадцять років тому. Наприклад, у нас на хімічному факультеті - я працюю в одній кімнаті університеті - в цьому році першокурсників буде на 30% більше, ніж рік тому. Такі області, як нанотехнології, досить модні, але модні тенденції зазвичай живуть не дуже довго. Звичайно, сьогодні різко зросло значення біології, але біологія - теж фундаментальна наука.

- І все ж в останні роки Нобелівські премії з хімії все частіше присуджують за дослідження, близькі до біології.

- Це не зовсім так. Ми щорічно робимо відеоролик про нобелівської премії з хімії: я сиджу у себе в кабінеті, по інтернету йде церемонія вручення Нобеля-ських премій, потім я пояснюю, в чому суть зазначеної роботи. У минулому році премію дали за роботу в галузі фізичної хімії, за квазікристали, роком раніше - в галузі органічної хімії, два роки тому - за каталітичну реакцію крос-поєднання в органічному синтезі. Іноді нагороджуються роботи з біохімії, але це тому, що не існує Нобелівської премії з біології. Тим часом дослідження ДНК і подібні до них дуже важливі і, звичайно, повинні бути відзначені. Знаю, що деякі мої колеги не схвалюють такого розподілу премій, але, на мій погляд, воно морально.

- З чим, на вашу думку, пов'язане зростання кількості першокурсників-хіміків, який ви відзначили?

- Важко точно сказати. Можливо, справа в тому, що ціна навчання зросла в цьому році в три рази: з трьох тисяч фунтів до дев'яти, і студенти частіше вирішують вивчати щось корисне. Може бути, точні та природничі науки вважаються їм корисними, ніж, скажімо, історія. Хоча, з іншого боку, підвищення цін відбулося зовсім недавно, занадто мало часу пройшло, щоб воно могло сущест-венно вплинути на кількість студентів. Деякі фізики думають, що в їх області позначається вплив одного молодого фізика на ім'я Брайан Кокс. У нього є ціла серія програм на телебаченні, а раніше він грав в ансамблі і виглядає на екрані відповідно - як музикант. Він дуже модно одягнений, іноді навіть здається, що це програма нема про науці, а про моду ... Багато хто вважає, що фізика зобов'язана йому зростанням своєї популярності. А може бути, в наборі в Ноттингемський університет зіграв свою роль наш канал на YouTube. Ми отримуємо багато електронних листів не тільки з Англії, але і з Кореї, Америки та інших країн: школярі пишуть, що, подивившись наш канал, вирішили вивчати хімію, тому що вона цікавіше, ніж їм раніше здавалося. Але я вчений і знаю, що не можна на підставі одного експерименту будувати цілу теорію. Треба поспостерігати протягом декількох років, щоб дізнатися, чи є статистично достовірний ефект.

- Нині мережеві медіа активно шукають своє місце не тільки в справі популяризації науки, а й у власне освіту. Відеокурси, записи лекцій провідних професорів стають все більш затребуваними. Чи є в цьому сенс, на ваш погляд, і чи є майбутнє у «освіти по відео»?

- Проблема, на мій погляд, в тому, що відеолекції часто нудні. Слухати професора, який читає лекцію живцем, присутні в академічній аудиторії - це набагато цікавіше, ніж дивитися те ж саме в запису. Я не впевнений, що відео - найефективніший спосіб передавати інформацію. Тому у наших відеороликів немає серйозних освітніх завдань. Вони цікаві, але не намагаються вчити. Звичайно, записати лекції видатних вчених - хороша думка. Хоча я сам не відношу себе до аудиторії відеолекцій, але знаю, що багато хто із задоволенням послухали б в запису, наприклад, професорів Массачусетського технологічного інституту. Але все це вимагає серйозної підготовки, обладнання, редагування і так далі. Де такі лекції могли б бути корисніше за все - так це, наприклад, в Африці, де рівень викладання часто невисокий, тому що не вистачає досвідчених викладачів. Але у них, на жаль, і інтернет-зв'язок розвинена так слабо, що технічно проблематично такі лекції дивитися. Я знаю ситуацію, зокрема, в Ефіопії, бо мій син викладав там фізику. Навчання ведеться англійською мовою, тому що в Ефіопії існує близько 80 мов, а для освіти потрібен якийсь один, загальний. Десять років тому, коли Сема почав там викладати, університетів в цій країні було близько десяти. Тепер їх 31. Але, розширюючи сферу освіти так радикально за такий короткий термін, дуже важко забезпечити його якість - мало обладнання, мало людей і не вистачає багато чого іншого. До того ж уряд Ефіопії вирішило, що 70% студентів повинні вивчати або природні і точні науки, або технології. Це ж величезна кількість! Ось їм потрібно все: і книги, і відео, з Європи, з Америки - звідусіль. Я вже уклав договір з видавництвом наукової літератури Oxford University Press і передав диск з копіями книг з фізичної хімії, щоб їх могли видати в Ефіопії для студентів якомога дешевше. Самі книги пересилати занадто складно і дорого: вони товсті і важкі і після пересилки коштували б там в п'ять разів дорожче, ніж в Англії.

Завдання Робін Гуда

- Ви член Royal Society, Королівського товариства, яке ми тут у себе звикли вважати британським аналогом Російської академії наук. Як живе організація, націлена на підтримку фундаментальних досліджень, зараз, коли, в зв'язку з кризою, особливо затребувана прагматика?

- Ми тільки частково аналог академії наук. Королівське суспільство влаштоване по-іншому. У нас немає інститутів, академіків, зарплат. Я отримую своє платню в одній кімнаті університеті, де викладаю, а в Королівському суспільстві працюю безкоштовно. Це дозволяє нашій організації залишатися незалежною. Ми отримуємо від уряду невеликі гроші на гранти, близько 70 мільйонів фунтів, і можемо підтримувати хороші дослідження, але в набагато меншому масштабі в порівнянні, скажімо, з Дослідницьким радою - Research Council, який отримує на підтримку фізичних наук 700 мільйонів фунтів - в 10 разів більше, ніж ми. Прикладні дослідження ми теж підтримуємо, у нас є спеціальна категорія так званих Applied Candidates - кандидатів в прикладних областях, але в основному все-таки фундаментальні. Хоча, з іншого боку, я став членом Королівського товариства завдяки зеленої хімії, а зелена, тобто екологічно чиста, хімія - це досить прикладна область. У Королівського товариства, в силу його пристрою, немає тих проблем, які стоять перед Російською академією наук. У нас немає інститутів, немає проблем, пов'язаних з похилим віком вчених ... Хоча треба сказати, що у нас приблизно 1500 членів, і серед них багато досить старих людей. Середній вік вченого, який входить в Королівське суспільство, зараз близько 55 років. Один з недавно прийнятих в нього математиків, фахівець в області математичної статистики, підрахував, що середня тривалість життя вченого після прийому в академію становить 30 років або більше.

- Ви згадали зелену хімію. Якщо можна, кілька слів про те, що це таке.

- Це екологічно чиста хімія. В кінці 1980-х років Роджер Шелдон, англієць, який працює в Голландії, ввів у вживання поняття E-фактор - показник того, скільки кілограмів відходів припадає на кожен кілограм речовини - кінцевого продукту. Для звичайних пластиків цей показник може дорівнювати п'яти кілограмів, але, наприклад, для ліки (як правило, має складну молекулярну структуру і вимагає багатоетапного синтезу) на кожен кілограм продукції відходів може припадати до півтонни. Ідеологія зеленої хімії - мінімізувати відходи. В ідеалі - звести до нуля, в реальності хоча б просто зменшити в порівнянні з нинішнім рівнем. Це важливо, тому що населення Землі росте, на планеті вже просто немає місця для хімічного виробництва, яке б могло обслуговувати всіх за існуючими високоотходним технологіям. І врахуйте, що 1,3 мільярда найбідніших повинні отримати більше хімічної продукції, тому що у них потребу в ліках більше, ніж у інших. Перед хіміками стоїть завдання: як виробляти більше - з меншого? Я живу в Ноттінгемі, тому називаю її «завданням Робіна Гуда»: як дати бідним, не забираючи у багатих? Це дуже цікава і складна наукова проблема.

- Але наскільки економічно вигідний перехід на зелені технології?

- Ви напевно чули про ліки віагра. Спочатку для його виробництва витрачали тисячу і триста літрів розчинника на кожен кілограм готового продукту. Тепер, використовуючи принципи зеленої хімії, - 6,3 літра. Звичайно, для компанії, яка виробляє препарат, це дуже вигідно, тому що тонна розчинника набагато дорожче, а потім його треба ще й утилізувати, що теж дуже затратно. Так що зазвичай зелена хімія економічно досить приваблива. Правда, ідеальною технологією, яка б дозволяла зробити все процеси екологічно чистими, поки не існує. Ми, зелені хіміки, повинні її знайти. Тут, в Росії, ідеї зеленої хімії активно просуває академік Валерій Васильович Лунін, декан хімічного факультету МГУ. Я сподіваюся, що врешті-решт все хімічне виробництво стане зеленим, нехай і не завтра. Адже це ж в принципі безглуздо - займатися утилізацією тонн відходів, якщо можна спочатку зробити так, щоб їх не було.

- Зелена хімія - не така вже й нова ідея. Наскільки швидко вона опановує розумами?

- Років 50 тому вийшла дуже відома книга Рейчел Карсон «Silent Spring» - «Мовчазна весна». Карсон писала, що в Центральній Америці, де розвинене сільське господарство, навесні зовсім немає птахів - через хімікатів, які вживаються для обробки рослин. Це була перша ластівка американського екологічного руху. В Америці організація із захисту навколишнього середовища (Environmental Protection Agency) оцінює ризик за допомогою формули, що зв'язує його, по-перше, з власне загрозливим фактором, по-друге - зі ступенем, в якій довкілля піддається цій загрозі, тобто з дозою. У звичайному хімічному виробництві ми прагнемо мінімізувати дозу. Але якщо загроза спочатку дорівнює нулю, то немає необхідності інвестувати в мінімізацію дози. Починати слід з того, щоб позбавлятися від самих токсичних реагентів. Припустимо, якщо вашому виробництву потрібні барвники, можна змінити структуру барвника так, щоб він став нетоксичним, без шкоди для кольору. З точки зору Environmental Protection Agency, якщо якась речовина абсолютно екологічно безпечно, то його використання не треба постійно контролювати, що вигідно для всіх. Ці ідеї вперше були висунуті 25 років тому, і з тих пір зелена хімія стала досить популярна. За її проблематики виходить як мінімум десяток наукових журналів, проводиться дуже багато конференцій. Тільки в цьому році відбулися конференції з зеленої хімії в Америці, Бразилії, Індії, Росії.

- Зелені технології вже застосовуються?

- І досить широко. Є приклади переходу великих компаній на використання поновлюваних ресурсів. Як ви знаєте, для мінеральної води і лимонадів використовуються пластикові пляшки. Нещодавно кілька великих виробників, в тому числі Coca-Cola, Pepsi, Heinz, почали запускати лінії по створенню упаковок з поновлюваних ресурсів. Це серйозні, масштабні виробництва; на деяких пляшках ви вже сьогодні можете бачити позначку «plant bottle», що означає, що цей пластик зроблений з рослинної сировини. А в червні на конференції в Бразилії кожен учасник отримав сумку від бразильської компанії Braskem, яка виробляє етилен зі спирту, який, в свою чергу, добувають з цукрового очерету.

- Якщо зелена хімія так вигідна, чому ми не бачимо її вибухового поширення по планеті?

- Тому що, хоча населення і зростає, виробництво хімічних речовин розширюється порівняно повільно. Побудувати хімзавод світового класу обходиться дуже дорого - в сотні мільйонів доларів. Так що, якщо якась фабрика або завод вже існують, ніхто не стане будувати нових, по крайней мере, поки виробництво не знадобиться розширювати. І взагалі зміна технологічної парадигми - це нешвидкий процес. Але зеленої хімії вже 20 років, і я думаю, що скоро ми побачимо зростання. Для більшості населення, втім, це зростання може пройти зовсім непоміченим. Люди поки ще не віддають собі звіту в тому, як багато вони споживають хімічної продукції, тим часом вона присутня в усьому, що нас оточує: від мобільного телефону до шампуню. У харчовій промисловості ситуація з обізнаністю краще, тому що, не знаю, як в Росії, але в Англії люди можуть купити і часто вважають за краще купувати їжу, на якій написано, що вона органічного походження; хоча такі продукти, як правило, дорожче. Як тільки зелене виробництво стане вигідніше звичайного і витрати виробника при тій же ціні на його продукцію виявляться нижче, почнеться зростання зелених технологій. Але більшість людей просто продовжать купувати звичні екологічно чисті продукти за звичними цінами, не думаючи, за якою технологією вони отримані.

Як змінюється світ?

- Пане професоре, ви кілька разів приводили в якості основного фактора зростання населення. Зростання населення в малозабезпечених і проблемних регіонах - це, на ваш погляд, стимул розвитку високих і чистих технологій або перешкода?

- Зростання населення - це найсерйозніша проблема, яка тягне за собою всі інші: зміни клімату, нестача нафти, нестача їжі і так далі. Ніхто не знає, як цю проблему вирішувати. Урядам вона не дуже цікава, тому що термін існування кожного уряду недовгий, справа ускладнюється релігійною проблематикою, питаннями сексуальності ... Політикам часто важко говорити про це, оскільки у них самих багато дітей, ніхто з них не може дозволити собі встати і сказати, що необхідний контроль над народжуваністю. Але видно, що зростання населення залежить від економічного чинника: якості життя людей. Чим якість життя вище, тим він нижчий. Думаю, що зелені технології потрібні саме в цьому контексті. Вони дозволяють постачати людей найнеобхіднішим, але продовжувати виробляти хімічні речовини старими методами при такому зростанні населення скоро стане неможливо. Треба переходити на більш ефективні - і досить терміново. В Індії та в Африці дуже цікавляться зеленої хімією. Дев'ять років тому в Ефіопії я прочитав свою першу лекцію по зеленій хімії, а сьогодні там її творять вже багато, тому що вважають, що це їхнє майбутнє.

- До питання про майбутнє: які нові можливості доступні молодим людям, які приходять в науку зараз? Що змінилося для вашого онука в порівнянні з тією наукою, в яку прийшли ви?

- Зараз особливо потрібні нові ідеї, спрямовані на вирішення проблем клімату, чистої води і так далі. Професор, який вчив свого часу мене, ріс під час війни, і вістря досліджень тоді було направлено на військові цілі. А тепер стоять зовсім інші завдання: як виживати в майбутньому, про яке ніхто ще нічого не знає. Ми не знаємо, звідки будемо брати енергію, що буде являти собою транспорт, яким стане виробництво - і так далі. Я вважаю, зараз настав дуже важливий час для науки. Воно дає молодим вченим можливість вирішувати життєво важливі завдання: отримувати енергію, воду і подібне новими методами.

- А що мотивувало вас свого часу? До чого прагнули ви, коли вступали в науку?

- Важко сказати ... Мій батько всегда вважаю, что я стану вчений. ВІН БУВ фізіком, но, щоб піті по его стопах, мені НЕ вістачало математичної подготовки, и я ставши хіміком. Пам'ятаю, что на самому качана, в аспірантурі, я робів цікавий проект по спектроскопії при низьких температурах и БУВ даже радій тому, что дослідження НЕ має ніякої прикладної цінності. Ця радість була, як я тепер розумію, досить дурної. Але я любив проводити експерименти, дізнаватися, як діє в тому чи іншому випадку nature ... не знаю, як це сказати по-російськи ...

- Природа?

- Ні, не природа. Швидше за мир. Мені просто було цікаво.

Москва, вересень 2012 року.

***
Подробиці для допітлівіх

Каталізує це! Надії і побоювання зеленої хімії

Атомарна ефективність / економічність. Другий, крім Е-фактора, показник ефективності тієї чи іншої хімічної технології. Якщо Е-фактор оцінює ставлення кінцевого продукту до використаного в його виробництві сировини в кілограмах, атомарна економічність оцінює ефективність хімічної реакції, калькуліруя співвідношення атомних ваг молекул «на вході» і молекули речовини кінцевого продукту. Таким чином, зелений синтез - це атомарному ефективний синтез, максимально утилізується в кінцевому речовині речовини-компоненти.

Каталозі. Технології, засновані на каталітичних реакціях за визначенням «зеленішим», оскільки мінімізують обсяг використовуваних реагентів. Правда, з урахуванням того, що більшість сьогоднішніх каталізаторів мають в основі метали, самі по собі або досить токсичні, або рідкісні, одне із завдань, що стоять перед «зеленими» хіміками, - розробити «неметаллический» каталіз, на основі органічних компонентів (так званий органокаталіз) або на основі модифікованих ензимів.

Розчинники і агенти на основі СО2. Традиційні органічні розчинники, що використовуються сьогодні, - це мішень зеленої хімії номер один. Високотоксичні і часто, в реальному виробництві, об'ємні, вони витратні в утилізації і, в силу здатності поширюватися разом з водою, завжди небезпечні для навколишнього середовища. Вирішуючи цю задачу, зелена хімія з надією дивиться в бік СО2. У сверхкритическом стані (на межі фазового переходу між рідиною і газом) він дозволяє, змінюючи тиск, без дистиляції сепарувати деякі речовини, розчинені у воді, а його високу дифузійну здатність можна використовувати для хімічної очистки фармацевтичних препаратів. Нарешті, технології з використанням СО2 в якості агента або розчинника не зростуть навантаження на клімат, якщо використовувати СО2 промислового походження - утворений в якості побічного продукту. Єдина перешкода, яка належить долати, - його скраплення енергетично досить затратно.

Ібупрофен. Найвідоміша «історія успіху» зеленої хімії. Синтез цього популярного фармацевтичного препарату був запатентований вперше в 1961 році і включав в себе шість стадій. При цьому в атомній масі кінцевого продукту залишалося лише 40% атомної маси реагентів, 60% йшло у відходи, в тому числі токсичні. Якби сьогодні ібупрофен виробляли за тією ж технологією, то відходи становили б понад 20 000 тонн щорічно. Термін патенту закінчився в 1984 році, а вже на початку 1990-х компанія BHC переробила синтез з використанням каталізу і реагентів, придатних для багаторазового вживання, скоротила його на три етапи і досягла атомарної економічності 77%.

За матеріалами публікації Мартіна Полякова і Піта лайсенс в журналі «Nature» в грудні 2007 року.

***
Більшість людей насторожує саме слово «хімія», і тим не менше все, що ми надягаємо, їмо, ніж вмивалися і на чому їздимо, - це продукція хімічної та фармацевтичної індустрій. Ми користуємося все більш високою якістю життя і її зростаючої тривалістю, при цьому індустрію, яка все це нам забезпечує, часто звинувачують в тому, що вона отруює Землю.

Зі статті Мартіна Полякова і Пола Анастаса в журналі «Nature», вересень 2001 року.

***

Суспільству потрібні хімічні препарати. Подібно до хорошого кухаря, хімік-виробничник прагне до безвідходності. І все ж багато видів відходів отруйні, і єдине, що залишається, - це витратна їх утилізація. З ростом населення і підвищенням стандартів життя нинішні методи хімічного виробництва стануть нераціональними. Виробництво буде рости пропорційно попиту, обсяг відходів - збільшуватися, звалища і полігони перестануть його вміщати. Виробників все сильніше буде обмежувати екологічне законодавство; контролюючі організації виявляться перевантажені, і вартість утилізації відходів задушить інновації.

Зі статті Мартіна Полякова і Пола Анастаса в журналі «Nature», вересень 2001 року.

***

У жовтні 2011 року чисельність населення планети досягла 7 мільярдів (7 × 109) осіб. Мобільних телефонів в світі сьогодні, напевно, більше, ніж зубних щіток, і кожен телефон містить напрочуд багато елементів.

Зі статті Мартіна Полякова в журналі «Green Chemistry», липень 2012 року.

***
Зелена хімія - це більше, ніж просто підчистити існуючі процеси; якби справа йшла так просто, економіка вже б змусила виробників рухатися в цьому напрямку. Швидше, зелена хімія ідентифікує потреби в синтезі нових, більш безпечних молекул. Токсичність і корисність того чи іншого речовини часто обумовлені різними частинами однієї молекули, наприклад, пара стратегічно розташованих метильних груп, доданих в молекулу барвника, роблять його набагато менш отруйним, не зачіпаючи здатності до фарбування. Аналогічно, незначні структурні зміни можуть збільшити биоразлагаемость молекули.

Зі статті Мартіна Полякова в журналі «Green Chemistry», липень 2012 року.