Забытая химия будущего

Ацетилен – один из простейших углеводородов. Его открыли почти два столетия назад, но с тех пор мы смогли найти ему применение разве что для резки или сварки железа. Хотя химики ещё в начале XX века открыли некоторые крайне интересные реакции с этой молекулой. Ждёт ли нас в скором времени ренессанс ацетиленовой химии – рассказывает доктор химических наук Андрей Иванов, директор ФИЦ Иркутский институт химии СО РАН.

— Андрей Викторович, чем химикам так приглянулся ацетилен? И почему именно сейчас к нему растёт интерес?

— Дело вот в чём. Весь XX век был временем появления новых материалов, в первую очередь – полимерных. Появились эпоксидные смолы, полистирол, полиэтилен, полипропилен, полиуретановые резины. И большая часть этих соединений синтезируется с использованием компонентов нефти. Если этилен и пропилен ещё можно получать из природного газа, то все остальные материалы, в состав которых входит бензольное кольцо, получают только с использованием нефтехимии. При этом ацетилен, получаемый совершенно из других источников, может стать заменой нефти в качестве исходного компонента или более эффективной альтернативой угольной энергетике. А нефть заканчивается, все это понимают.

— Но не все так считают.

— С точки зрения бизнеса ещё на 50-60 лет её хватит, но с точки зрения науки нефть заканчивается. При этом в мире продолжают строить огромные нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы. Недавно китайский гигант Wanhua, обладатель одного из самых лучших патентов на создание полиуретановых смол, построил свой новый завод в США (забавно, что китайцы теперь находят дешевую рабочую силу в Америке). Но этот завод окупится только лет через 40, а нефть может закончиться раньше. И весь мир сейчас ищет способы, как бы продлить «бензольный век». Один из лучших ответов на этот вопрос дал русский химик Николай Дмитриевич Зелинский, имя которого носит Институт органической химии. Он открыл реакцию тримеризации ацетилена в бензол. Реакция Зелинского очень простая, есть множество вариантов её проведения, но самый простой – под действием обычного активированного угля.

— Но почему именно ацетилен вы считаете молекулой будущего, а не какое-нибудь другое вещество?

— Потому что эта молекула – компромисс между необходимостью изменения стартового источника и сохранения традиционного бизнеса. И среди возможных способов получить бензол, не используя нефть (т.е. как раз сохранить бизнес), именно использование ацетилена представляется самым простым.

— Из чего получают ацетилен?

— Это важный момент. Ацетилен можно получить из природного газа, этот способ запатентован немецкой компанией BASF. А ещё ацетилен можно получать из угля, причём практически из любого. Если мы говорим о хороших, жирных углях, то из них получают кокс, а уже из кокса можно получать карбид кальция, который мы все помним из детства – многие кидали его в лужу, и он взрывался. Сейчас наш институт при поддержке компании «Эн+» и ещё двух научных институтов занимается разработкой метода получения ацетилена из так называемых топливных длиннопламенных углей, которых очень много у нас в Восточной Сибири. Это угли марки Д и Г, как их ещё называют – энергетические угли. Из них методом плазмохимии также можно очень эффективно получать ацетилен. Вот главная причина, почему ацетилен становится молекулой будущего. Китайские учёные в своих работах показали, что для получения ацетилена подходит даже древесный уголь – значит, ацетилен становится продуктом возобновляемого сырья, а это уже совсем другой разговор. Даже если закончится обычный уголь, у нас будут отходы деревопереработки, остатки сельскохозяйственных растений, например, початки кукурузы – из её сердцевины прекрасно получается древесный уголь.

— Насколько я знаю, ацетиленовую химию открыл химик Фаворский, именем которого назван ваш институт.

— Да, и после более чем 120 лет со дня его рождения химия ацетилена по-прежнему развивается, в ней достигнуто огромное количество результатов. Почему же целый институт и много коллективов по всему миру продолжают этим заниматься? Связано это с тем, что весь прошлый век промышленность очень боялась работать с ацетиленом. Основная проблема ацетилена в том, что он взрывоопасен, причём в любых соотношениях с воздухом, что делает его категорически небезопасным в обращении.

— А сейчас он перестал быть взрывоопасным?

— Сейчас нашли способ решать этот вопрос. Например, химики придумывают, в том числе и в нашем институте, малые системы генерации ацетилена, когда не нужно накапливать ацетилен в таком количестве, чтобы он мог взорваться, а можно сразу после генерации пускать его в следующий синтез. Единомоментно ацетилена образуется очень мало, и синтез становится безопасным. Именно такие технологии разрабатывает наш институт, да и вообще в мире сейчас наметилась тенденция к «flow chemistry», к проточной химии. Все синтезы стараются делать так – условно, запускать два потока веществ в трубу, получая на другом конце трубы продукт, то есть вообще не используя классические химические реакторы. Для ацетилена такие подходы становятся особо важными. Этим же занимаются наши конкуренты – например, та же немецкая BASF. Вообще, классически сложилось, что были две мощные школы ацетилена – Фаворского и немецкая школа Вальтера Реппе. Это два учёных, которые шли независимо друг от друга, но всегда ориентировались на труды своих коллег.

— А в чём оригинальность именно нашей школы?

— Для всего мира создателем химии ацетилена всё равно будут россияне, потому что Вальтер Реппе, как истинный промышленник и немецкий индустриал прошлого века, ничего не печатал. Он всё держал даже не в патентах, а в закрытых работах, и просто запускал разработки сразу в индустрию. Поэтому мы знаем, что он сделал, но до сих пор до конца не знаем в тонкостях всех его работ. А Алексей Евграфович Фаворский публиковал свои работы, поэтому он – классик химии. Уникальность же работ нашего института заключается в том, что в своё время наш научный руководитель академик Борис Александрович Трофимов ввёл в химию ацетилена суперосновные катализаторы. Супероснование в химии ацетилена умеет систематически использовать только наш институт, это наша российская школа.

— В чём же суперсила супероснований?

— Они позволяют получать совершенно уникальные результаты в очень мягких условиях. Чтобы было понятно: немцы для получения, например, виниловых эфиров используют металлический калий как катализатор. Это ещё одно вещество, которое в присутствии следов воздуха или воды мгновенно взрывается. Представьте: вы работаете с взрывоопасным ацетиленом, а у вас рядом ещё и калий. И то, и другое мгновенно «бахает» при любом нарушении герметичности. А мы работаем в системах, в которых ацетилен растворён, и сама эта растворённая система, которая не склонна к взрывообразованию, является каталитической. Такого у немцев нет. И в этом тоже уникальность нашей школы.

— Зачем же они рискуют, если есть безопасный способ?

— Существует мало- и среднетоннажная химия, и огромный набор специальных продуктов, ею производимых. Во второй половине XX века, когда концерн BASF стал огромной и мощной компанией, они придумали очень интересный ход: не стали работать в маленьких реакторах с небольшими объёмами, а решили удешевить процесс за счёт того, что собрали потребность в этом веществе со всего мира. Допустим, в России винилового эфира в год потребляется, по разным данным, от восьми до 20 тысяч тонн. А вот во всём мире – больше миллиона тонн. И BASF производит эти миллион тонн и продаёт их по всему миру. За счёт этого у них самая низкая цена, они конкурентны, но понятно, что это совсем не малое и даже не среднетоннажное производство – это химический гигант. Но и переделать такое производство под новую технологию будет практически невозможно, потому что капитальные затраты будут неимоверные. И в этом слабость немецкой компании.

А наша сила в том, что нам не нужно строить мощность, которая покрывала бы мировую потребность. Мы всё равно сейчас изолированы от мира. Нам надо построить мощность, которая производит эти 8-20 тысяч тонн, но которые нужны только в России. И мы можем сделать это самым современным образом – в проточной системе. Это принципиально новый способ. Заодно мы накопим опыт, который, возможно, поможет нам на следующем этапе построить завод уже на миллион тонн и когда-то выйти на мировой рынок с конкурентным продуктом.

— В чём ещё оригинальность разработок вашего института?

— Помимо уже упомянутой суперосновной системы, которая позволяет проводить процесс при более мягких условиях, при более низком давлении ацетилена и более контролируемым способом, в нашем институте умеют работать с флегматизированными смесями, когда ацетилен подаётся вместе с азотом, тем самым снижается риск возникновения взрывоопасных ацетиленовых паров.

А ещё в нашей научной группе разработана методика получения того же винилового эфира, когда вместо ацетилена используется его синтетический прекурсор дихлорэтан. Это отход производства поливинилхлорида, его производят сотнями тысяч тонн, и стоит он очень дешево. Частично он может быть возвращен в производство ПВХ, а частично остается как отход. И стоит он довольно дёшево. Но при этом под действием супероснования, и мы это показали в наших статьях и патентах, если дихлорэтан добавлять в систему гидроксид щелочного металла, то он превращается в ацетилен. Вы добавляете взрывобезопасный и удобный в обращении жидкий дихлорэтан, он генерирует молекулу ацетилена, которая тут же вступает в следующее превращение. Это метод совершенно безопасный и очень лёгкий в лабораторном исполнении.

— Это ваше ноу-хау?

— Да, так работаем только мы. Нужно сказать, что суперосновные системы ещё позволили получать продукты, которые в других ситуациях из ацетилена вообще нельзя было получить. Например, те же пирролы и индолы – строительные блоки в фармацевтике и органоэлектронике. Таким образом, у нашего института есть компетенция по совершенно оригинальной химии ацетилена, которая у других коллективов в других условиях не достигается.

— Вот вы получаете ацетилен по своей оригинальной технологии. Что вы дальше с ним делаете, ведь ещё никаких заводов, как я понимаю, не существует?

— На сегодняшний день мы занимаемся отработкой метода его получения. Например, у нас есть проект по плазмохимическому способу получения ацетилена. Смысл работы заключается в том, что плазмотрон, такой небольшой реактор, в конце которого образуется газообразный ацетилен, тут же пропускается через растворитель, и в полученном растворе сразу проводится следующее превращение, следующий передел.

— Выходит, ацетилен в чистом виде не нужен?

— Сам по себе ацетилен применяют только для ацетиленовой сварки. А используются сплошь и рядом продукты его превращения. Мы в основном нацелены на такие продукты ацетиленовой химии, как пирролы и индолы, которые получаются по реакции Трофимова, а также на различные винильные производные, например, виниловые эфиры, винилазолы – тот же винилпирролидон, который известен под торговым названием «Повидон». Сейчас это главный компонент кровеостанавливающих средств. Кроме того, он используется как заменитель плазмы крови при переливаниях. В своё время в этом качестве его ввёл в обращение Михаил Фёдорович Шостаковский, основатель нашего института, тоже ученик Фаворского, под названием «Гемодез». Повидон используется и для других целей – для осветления пива в пищевой промышленности, для маскировки горечи и увеличения срока хранения таблеток в фармацевтике и так далее. Таблетки, которые вы принимаете, не горькие благодаря Повидону. Мы сейчас получили грант Агентства технологического развития на создание технологии производства этого вещества.

Кроме того, из ацетилена можно получать некоторые виды биоразлагаемых пластиков. Этот проект мы сейчас запускаем вместе с компанией «Эн+». У них есть такая социальная инициатива, называется «Байкал без пластика». Речь идёт о том, что на берегах Байкала хотят запретить использование обычного бытового пластика, чтобы не загрязнять уникальный водоём. А для этого на всей Байкальской природной территории необходимо организовать продажу одноразовой посуды из биоразлагаемого материала. И мы хотим попробовать сделать небольшое производство на основе наших разработок ацетилена из угля, которого в перспективе должно хватить для производства своей посуды, необходимой, чтобы перестать загрязнять микропластиком наше любимое озеро.

— Как на ваш взгляд будет выглядеть в будущем химия ацетилена?

— Я считаю, что со временем у всех классических предприятий, которые сейчас производят бензольные продукты, например, тот же полиуретан, могут появиться цеха по генерации бензола как раз из ацетилена. С моей точки зрения, они внедрятся в существующие предприятия или мощности по производству полистирола, полиуретана и других ароматических соединений. Собственно, подобное уже есть у BASF, но таких мощностей станет больше, и не только у них. Я думаю, что появятся заводы, на которых будет центральный генерирующий ацетилен узел. В Германии его построили производительностью 90 тысяч тонн в год. А дальше от него расходятся «нитки» ацетилена на широкую линейку производств: на фармсубстанции, компоненты резины, антисептики и так далее. Такой многоассортиментный завод, в котором может реализоваться два принципа: либо принцип мажоритарного акционера, когда есть хозяин, который всё это нарабатывает, либо хозяину принадлежит центральный узел, а все вокруг – это малый и средний бизнес, который берёт в аренду площади и покупает газ. И тот и другой принцип возможен.

— А в России?

— В российской реальности я больше верю в первый подход. У нас такая внутренняя ментальность, что всё должно быть твоё, ты должен быть всему хозяином. В этом ничего плохого нет. Ремарк говорил, что собственность рождает стремление к порядку. Это так и работает. В любом случае я думаю, что будущее у ацетилена именно такое – появление большого количества подобных заводов, которые покроют потребность как минимум в 25-30 тысячах наименований продукции мало- и среднетоннажной химии.

— В Тобольске есть большой химический завод «Сибур». Как вы думаете, на нём тоже появится такое производство?

— Я думаю, что оно вполне может там появиться, поскольку это газовый завод, а технологии получения ацетилена из газа уже существуют. Уверен, что они могут двинуться в эту сторону.

Материал подготовлен в рамках Фестиваля идей имени Менделеева, проходившем с 6 по 9 февраля 2025 года в городе Тобольске. Организатор фестиваля – проект «Книги в городе» при поддержке Администрации города Тобольска и компании «Сибур».