Нишевая химия, пероксиды и «черные ящики»

Органические пероксиды в университетах принято проходить вскользь, и не без причины: это нестабильные, а порой и взрывоопасные соединения. Однако именно они делают возможным производство практически всех полимерных материалов: от зубной щетки до изоляции высоковольтных кабелей. Как превратить «плохую репутацию» пероксидов в стратегическое преимущество, зачем России малотоннажная химия и при чем здесь электроды вместо «банок» с реагентами, «Ъ-Наука» поговорила с Верой Виль, заведующей лабораторией химии промышленно полезных продуктов Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН, доктором химических наук, лауреатом Национальной премии в области будущих технологий «Вызов».

Органические пероксиды в университетах принято проходить вскользь, и не без причины: это нестабильные, а порой и взрывоопасные соединения. Однако именно они делают возможным производство практически всех полимерных материалов: от зубной щетки до изоляции высоковольтных кабелей. Как превратить «плохую репутацию» пероксидов в стратегическое преимущество, зачем России малотоннажная химия и при чем здесь электроды вместо «банок» с реагентами, «Ъ-Наука» поговорила с Верой Виль, заведующей лабораторией химии промышленно полезных продуктов Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН, доктором химических наук, лауреатом Национальной премии в области будущих технологий «Вызов».

Разговор состоялся в рамках серии научно-популярных лекций — проекта фонда развития научно-культурных связей «Вызов», который реализуется при поддержке Фонда президентских грантов. На лекции в Новосибирске Вера Виль рассказывала о нишевой химии — направлении, которое при всей своей «малотоннажности» определяет технологический суверенитет страны. В интервью мы обсудили, почему без соединений, производимых в количестве несколько тонн в год, невозможно выпускать важнейшие материалы, как электрический ток становится «идеальным окислителем» и почему открытие стабильного циклического интермедиата Криге — это не абстракция, а ключ к управлению реакцией, известной еще с XIX века.

— Все производимые в мире химические соединения можно условно разделить на категории в зависимости от ежегодного объема производства. Например, этилен, бензол, серная кислота производятся в огромных количествах — это крупнотоннажная химия. С другой стороны, есть большой ассортимент соединений, которые нужны в количестве несколько тонн в год или даже меньше, но без них невозможно произвести важные материалы, продукты. Важная стратегическая задача — избавиться от зависимости от импорта важнейших компонентов для производства нужных товаров, а для этого нужно локализовать производство в том числе соединений, которых нужно мало, но без них никак.

— Органические пероксиды в большинстве своем достаточно нестабильные, иногда даже взрывоопасные соединения. Это накладывает большие требования на культуру работы и лабораторной техники. При этом без них невозможно обойтись при производстве полимерных материалов, например поливинилхлорида, полиакрилатов и др. В нашей научной группе под руководством академика Александра Олеговича Терентьева было показано, что образование циклов определенного строения и внедрение тяжелых органических заместителей могут превратить взрывоопасное соединение в очень стабильное.

— Практически все полимерные материалы, полученные методом радикальной полимеризации, изготовлены с использованием органических пероксидов: полистирол, полиэтилен, полиакрилаты, поливинилхлориды. Эти материалы окружают нас каждый день во всех пластиковых поверхностях: от зубной щетки до панели управления автомобиля.

— Традиционно, чтобы провести реакцию окисления или восстановления, нужно было купить «банку» окислителя или восстановителя, доставить его, загрузить в реактор, а потом отделить нужный продукт от остатков этого реагента. Использование электрического тока позволяет отказаться от применения «материальных» реагентов: вместо этого достаточно опустить в раствор субстрата два электрода и пропустить ток (если говорить простыми словами). В итоге мы экономим ресурсы (не нужно покупать, везти дополнительные «банки») и убираем ненужные отходы, которые пришлось бы утилизировать.

— Обнаружение возможности использовать органические пероксиды в качестве химических средств защиты растений — наш огромный прорыв, к которому не было строгих предпосылок. В отделе исследования гомолитических реакций ИОХ РАН совместно со многими коллегами из сельскохозяйственных институтов мы уже почти десять лет проводим полевые испытания органических пероксидов на культурах пшеницы (яровой и озимой), гороха и картофеля и однозначно видим отличную активность наших соединений, которая сопоставима или превосходит активность коммерческих химических средств защиты растений от таких гигантов, как Singenta или Bayer.

— Эти пероксиды применяются в производстве силовых кабелей, особенно высоковольтных. В процессе протяжки медной жилы через экструдер подаются обычный полиэтилен и пероксид. Под действием высокой температуры пероксид разлагается и запускает процесс кросс-сшивки отдельных молекул полиэтилена в прочную «сетчатую» структуру. Такая изоляция из кросс-сшитого полиэтилена обеспечивает надежную защиту медной жилы от всех внешних воздействий. Производство дикумилпероксида и новоперокса запущено в Томске на площадке наших партнеров — ООО «ИХТЦ».

— Важная задача фундаментальной науки — разбираться, как устроено некое явление или химическая реакция. Каким образом происходит превращение? Как атомы и электронные облака перестраиваются и по каким законам? Без ответа на такие вопросы мы будем иметь множество «черных ящиков», которые выдают нам продукт, но непонятно, как можно настраивать и контролировать этот процесс. Наше открытие стабильных циклических интермедиатов Криге позволило понять, по каким внутренним законам живет всемирно известная и широко используемая реакция. Только имея глубокое понимание тех химических процессов, которые мы используем, можно контролировать и настраивать их так, как нам нужно.

— Самое сложное и интересное — это работа с людьми: прием новых студентов и аспирантов в нашу группу, их рост, работа над тем, чтобы они трансформировались в грамотных и вовлеченных исследователей. Успех каждого научного направления зависит от энергии и интеллектуальной силы людей, которые его двигают. Меня очень вдохновляют мои сотрудники, которые своим примером показывают огромный рост и способность «вгрызаться» в самые сложные темы.

— Я думаю, будет продолжаться активное развитие медицинской химии органических пероксидов. Нобелевская премия 2015 года за открытие противомалярийного препарата артемизинина была только первой ласточкой, ведь ранее этот класс соединений активно не исследовался в широком фармацевтическом скрининге. Уже сейчас в странах с высоким уровнем заболеваемости малярией самые эффективные препараты — производные артемизинина.