Карбид для зеленой химии
Химики из Санкт-Петербурга и Москвы нашли неожиданное новое применение уже почти забытому карбиду кальция.
В чем различие между концепциями энергосбережения и энергоэффективности? В первом случае вы экономите ресурсы, а во втором - не выкидываете их «в трубу». Предположим, у вас есть лампа накаливания, которая хорошо светит, но потребляет много электроэнергии, и вы включаете свет только тогда, когда это действительно нужно – в результате экономите электричество, но и ограничиваете себя в возможности, например, почитать журнал «Наука и жизнь» перед сном. Это энергосберегающий подход. Но вы можете поставить светодиодную лампу, которая светит также, но потребляет в десять раз меньше энергии. И в этом случае, затратив меньшее количество энергии, вы не ограничите себя в приятных и полезных занятиях. Экономия не обязательно означает отказ от потребления, можно всего лишь делать это максимально эффективным образом. Но оставим проблему счетов за электроэнергию и вернемся к основной теме – химии.
Пару десятков лет назад целый ряд химиков озаботился проблемой эффективности химических реакций. И во главу угла ставилась вовсе не цена реактивов. Не секрет, что химия наносит определенный вред окружающей среде, однако и полностью отказаться от химической промышленности мы не можем – даже самый ярый эколог не захочет сейчас жить в условиях каменного века. Весь вопрос в том, как минимизировать вред от нашей химической деятельности. Вот так родилась концепция зеленой химии (Green Chemistry). Суть ее в том, чтобы свести к минимуму негативное воздействие химических процессов на окружающую среду.
Например, вам нужно из вещества А получить вещество Б. Это можно сделать напрямую, но затратив при этом 10 литров пусть и дешевого, но ядовитого растворителя, который потом надо будет как-то утилизировать. А можно получить нужное вещество Б в несколько стадий, проводя реакции в водной или другой безвредной среде. В итоге мы получили нужный продукт, но практически не нанесли ущерба природе. Вот именно такой путь предлагает зеленая химия. Чтобы быть «зелеными», химикам надо выполнять целый ряд требований. Например, не использовать вредные и ядовитые вещества, не получать отходов, не тратить много электроэнергии. Не всегда возможно соблюсти все эти условия, но выполнение даже части из них может помочь окружающей среде и сделает нашу жизнь немножечко чище.
Но это все теория, а что же на практике? Химики из Санкт-Петербургского государственного университета и Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН разработали простой и безопасный способ синтеза ряда особых органических молекул – тиоэфиров. Первый вопрос, который может возникнуть, а чем же так примечательны эти тиоэфиры, что потребовалось изобретать новый способ их синтеза? Наверное, всем известно вещество – эфир, которое раньше применяли для наркоза.
Молекула эфира состоит из двух частей, связанных мостиком из атома кислорода. Если кислород заменить на атом серы, то получится другое вещество - тиоэфир. Оказалось, что тиоэфиры можно использовать для получения полимерных материалов с необычными свойствами – атомы серы в структуре полимера заметно повышают коэффициент преломления. Такие материалы применяют в том числе при производстве светодиодов, линз из органических материалов и других оптоэлектронных устройств.
Но раз уж тиоэфиры так полезны, то, весьма вероятно, их раньше тоже как-то синтезировали? Это верно, существует немало способов синтеза этого класса соединений. Однако к цели можно придти разными путями, и не все из них будут одинаково полезны для окружающей среды, а также безопасны для жизни и здоровья экспериментаторов.
Например, один из способов получения виниловых тиоэфиров подразумевает использование огнеопасного газа – ацетилена, а сама реакция протекает при высоком давлении. Мало того, что хранить в лаборатории баллон с горячим газом потенциально опасно, такие реакции требуют еще специального оборудования, что делает процесс трудоемким и энергозатратным. Совсем не «зеленая» химия. Поэтому сотрудники лаборатории под руководством профессора Валентина Ананикова придумали простой, элегантный и, главное, безопасный способ синтеза тиоэфиров.
Те, кто в школьные годы увлекался химией, помнят, что есть такое вещество – карбид кальция, с которым интересно делать разные, порой и опасные, опыты. Если карбид бросить в воду, то из него начинают активно выделяться пузырьки газа, который можно при желании поджечь. Выделяющийся газ это не что иное, как ацетилен, который раньше использовали для освещения, и даже сейчас некоторые спелеологи используют карбидные фонари. В настоящее время ацетилен применяется для высокотемпературных горелок – например для ацетиленовой сварки, которой можно резать и плавить металл.
У исследователей возникла идея, а что, если для реакции получения тиоэфиров использовать не ацетилен, а карбид кальция. Как оказалось, идея сработала, и получился простой вариант синтеза буквально в одной колбе. Такой метод применим для получения целого класса тиоэфиров с высоким выходом продукта реакции, а также минимальными затратами энергии и отходами. Удивительно, что такой способ не был открыт раньше, ведь, казалось бы, времена простых решений в физике и химии уже давно прошли. Так что вполне возможно, что простой и уже практически забытый карбид кальция может вновь отвоевать себе место в современной «зеленой» химии.
Статья «Efficient Metal-Free Pathway to Vinyl Thioesters with Calcium Carbide as the Acetylene Source» (авторы Konstantin Rodygin and Valentine Ananikov) опубликована в журнале Green Chemistry, издаваемом Royal Society of Chemistry (Green Chem. 2015, DOI: 10.1039/C5GC01552A)
По материалам AnanikovLab.ru и Green Chemistry
