Академик Юлия Горбунова: даже любовь — это химическая реакция
Какие новые материалы дает современная химия, почему слово «нахимичить» имеет отрицательную коннотацию и правильно ли это, по какой причине школьная химия часто скучна и может ли быть иначе, да и вообще, почему без химии нет жизни, рассуждает академик Юлия Горбунова, главный научный сотрудник Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова, главный научный сотрудник Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина.
— Юлия Германовна, почитала о тематиках ваших исследований. Их очень много, и, честно говоря, дилетанту понять, что это такое, совершенно невозможно. Предлагаю остановиться на какой-то одной. Вот, например, недавно в российском обзорном журнале первого квартиля «Успехи химии» вышла ваша статья «Металл-органические координационные полимеры — основа функциональных материалов нового поколения». О чем речь?
— Этот обзор вошел в тематический номер журнала по такой важной сегодня тематике, как создание металл-органических координационных полимеров. У нас в России в этой области исследований работает несколько групп — в Москве, Новосибирске, Самаре. Занимаемся этим и мы в Институте общей и неорганической химии и Институте физической химии и электрохимии. В англоязычной литературе такие структуры называются MOF, Metal Organic Frameworks, а в русской — металл-органические координационные полимеры (МОКП).
Из органических молекул и связывающих их металлов-кластеров возможно создать высокопористый материал с высокой площадью поверхности и порами определенного размера и свойств. Таким образом можно получить вещество, которое, обладая массой, например, 1 грамм, будет иметь поверхность размером с футбольное поле.
Разделить газы
— Чем же обусловлен интерес к таким материалам?
— Прежде всего перспективами их широкого практического применения в качестве компонентов для нового поколения разного рода функциональных материалов с улучшенными или уникальными характеристиками.
Так, например, металл-органические координационные полимеры демонстрируют рекордные сорбционные характеристики среди всех пористых материалов, что открывает уникальные перспективы их использования, например, в гетерогенном катализе, в процессах разде-ления сложных смесей, очистке и хранении промышленно важных газов, таких как водород, метан, углекислый газ, ацетилен, а также в разработке новых типов сенсоров или в процессах доставки лекарственных средств пролонгированного действия.
Первоначально металл-координационные полимеры получены именно для хранения газов и разделения сложных систем путем настройки размера пор. Этим с начала 2000-х годов занимается научная школа члена-корреспондента Владимира Петровича Федина в Институте неорганической химии Сибирского отделения РАН.
— А зачем их разделять?
— Для различных химических процессов нужны чистые соединения. Так, например, в группе Федина научились селективно разделять этилен и этан. Этилен — самое производимое органическое соединение в мире: мировое производство этилена составляет более 150 миллионов тонн в год. Его получают крекингом углеводородов, при котором необходимо разделять продукты, а особо сложно — этан. Полученные коллегами сорбенты на основе МОКП могут высокоселективно отделять этилен от этана. В Институте физической химии и электрохимии РАН разрабатывают селективные адсорбенты для хранения и перевозки метана. Или, например, такой сверхважный газ, как водород. Сейчас очень много внимания уделяется водородной энергетике и получению чистого водорода, но вот хранение водорода, перевозка такого взрывоопасного газа — это отдельная задача.
А сегодня области применения МОКП значительно расширились. Наличие магнитных или фотоактивных центров в металл-органических полимерных молекулах позволяет рассчитывать на создание молекулярных магнитов, фотомагнетиков или фотоактивных молекул, которые могут использоваться при создании новых типов носителей информации, квантовых компьютеров и различных магнитно- и оптикомеханических устройств.
МОКП используется для катализа — а это основа химии, дающая возможность ускорения химических реакций, в том числе и в так называемых зеленых условиях. Они используются в катализе либо сами по себе, либо на их большую поверхность пришиваются каталитически активные молекулы. Есть работы, в которых описаны реакции, идущие непосредственно в порах таких материалов.
Доставить лекарства
— Чем в этом смысле отличилась ваша лаборатория?
— Как раз этому и посвящен наш обзор, который называется «Пористые металл-органические координационные полимеры на основе порфиринов: синтез, строение, сорбционные свойства и перспективы применения». Порфирины — очень интересный и важный класс соединений, который встречается в природе (это, например, основная составляющая всем известного гемоглобина, хлорофилл, витамин B12). Мы занимаемся получением синтетических аналогов этих соединений для их использования во многих современных приложениях.
Для получения МОКП эта молекула хороша тем, что она большая и на ее основе можно создавать большие поры, а с другой стороны, молекула порфирина очень хорошо функционализируется, и, вводя в эту молекулу различные функциональные группы, можно очень тонко настраивать структуру металл-органического сорбента. Мы показали способы синтеза таких соединений и новые возможности их приложений.
— Какие же это приложения?
— Оказалось, что в случае порфирина вообще очень много дополнительных возможностей. Помимо катализа это возможность использования в медицине для адресной доставки лекарств, когда в поры помещается некое активное вещество, которое нужно доставить в определенные ткани, органы или клетки.
В нашей лаборатории, используя порфирины с фосфонатными заместителями, мы разработали целую серию сорбентов, которые могут быть активными протонными проводниками. Такие материалы важны для создания мембран топливных элементов. Сегодня для этого в основном используют полимерные соединения, но там есть свои сложности. Они работают в определенном температурном интервале, при особой влажности, с ними сложнее иметь дело, поскольку они не кристаллические. Поэтому сейчас ведутся работы с тем, чтобы создавать различные добавки или мембраны на основе МОКП.