Академик Валентин ПАРМОН, директор Института катализа им. Г. К. Борескова, председатель Объединенного ученого совета по химическим наукам СО РАН

Среди четырех разнопрофильных академических институтов Западно-Сибирского филиала АН СССР, созданного в 1943 г. в Новосибирске, был и Химико-металлургический. Ныне это Институт химии твердого тела и механохимии, входит в число одиннадцати активно функционирующих химических институтов СО РАН. Большинство из этих институтов организованы в 1957 - 1958 гг. Но необходимость решения новых задач вызвала к жизни и новые научные структуры: менее двух десятилетий назад в Новосибирском академгородке появился Международный томографический центр, а в 2001 г. в городе Бийске Алтайского края учрежден Институт химико-энергетических технологий.

Шесть из этих институтов расположены в Новосибирском академгородке: Катализа им. Г. К. Борескова, Неорганической химии им. А. В. Николаева, Органической химии им. Н. Н. Ворожцова, Химической кинетики и горения, Институт химии твердого тела и механохимии и Международный томографический центр и пять - за его пределами: Химии нефти (Томск), Химии и химической технологии (Красноярск), Проблем переработки углеводородов (Омск), Иркутский институт химии им. А. Е. Фаворского и, наконец, самый молодой в Бийске. Конечно, институты различаются по своим масштабам: если число сотрудников Института катализа приближается к 1000 - это крупнейший среди химических институтов на территории российского Зауралья, то в Международном томографическом центре их всего около 80. В сумме когорта химиков СО РАН весьма значительна и составляет 3300 человек, из которых 1360 - научные сотрудники. Это эквивалентно почти четверти от общего количества специалистов-химиков в РАН. Ниже мы коснемся лишь некоторых результатов, полученных за время существования СО РАН.

стр. 54

НОВЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Успехи московской школы академика Николая Семенова (нобелевский лауреат 1956 г.) в разработке теории механизмов и скоростей химических реакций еще в 1940 - 1950-х годах выдвинули эту область знаний в число передовых. В СО АН СССР основы нового направления заложил ученик Семенова академик Владислав Воеводский (1917 - 1967), стоявший у истоков Института химической кинетики и горения (ИХКГ). Владислав Воеводский был также и в числе основоположников химической радиоспектроскопии в нашей стране. В ИХКГ она получила развитие в методе электронного спинового* эха (ЭСЭ), причем первый в СССР и Европе спектрометр ЭСЭ был создан в 1965 г. в ИХКГ под руководством Юрия Цветкова(академике 1997 г.). Этот прибор открыл уникальные возможности для исследований в области физики и химии свободных радикалов. А модификации метода, предложенные в том же Институте, позволяют изучать движение спин-меченых молекул липидов в биологических мембранах, проницаемость последних, устанавливать конформацию (форму и взаимную ориентацию фрагментов) белков и изучать перенос электрона при фотосинтезе.

Ученые ИХКГ, и прежде всего академики Юрий Молин и Ренад Сагдеев, возглавляющий ныне Международный томографический центр, внесли существенный вклад и в становление "спиновой химии" - новой области науки, объясняющей влияние магнитного поля на взаимодействия активных промежуточных частиц в ходе многих типов химических превращений. В последнее время особое внимание уделяется изучению протекания радикальных реакций в слабых полях, сравнимых с магнитным полем Земли. Эти результаты важны для магнитобиологии. А вот сверхбыстрые процессы в ион-радикальных парах, протекающие в растворах за миллиардные доли секунды, фиксируются благодаря другому развитому в Институте методу - спектроскопии "квантовых биений" в рекомбинационной люминесценции.

Для исследования наноразмерных пор и динамики заключенных в них наножидкостей в Институте неорганической химии им. А. В. Николаева создан настольный спектрометр "ЯМР-микро". С помощью этого прибора и методов квантовой химии изучены многие свойства металлических нанокластеров, протонных и суперионных проводников, сверхпроводящих систем, нанопористых кристаллов из семейства природных цеолитов. Полученные результаты перспективны для технологий фотолитографии, разработки картриджей струйных принтеров сверхвысокого разрешения и элементов памяти.

Среди интенсивно развивающихся в Сибири методов радиоспектроскопии - ядерная магнитно-резонансная томография, как известно, широко применяемая для оперативного контроля за лечением заболеваний и изучения функциональной активности головного мозга. Оказалось, информативна она и в химии, поскольку позволяет исследовать внутреннюю структуру и поведение объектов без их разрушения. А в совместных работах Международного томографического центра и Института катализа им. Г. К. Борескова показано, что ядерная магнитно-резонансная томография незаменима и для изучения процессов массопереноса газов и жидкостей внутри пористых катализаторов, адсорбентов, подложек и пористых слоев. Впервые в мире методом ЯМР-томографии исследована многофазная ката-

* Спин - собственный момент количества движения микрочастицы, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого (прим. ред.).

стр. 55

Магнитные взаимодействия (поля: внешние магнитные, резонансные микроволновые, магнитных ядер) меняют взаимную ориентацию электронных спинов и возможность химического взаимодействия двух радикалов.

литическая реакция гидрирования, причем в реальном времени. Еще одно достижение Международного томографического центра - уникальная методика визуализации динамики перистальтического движения свободной жидкости по полым биоструктурам и оценки параметров физиологических ритмов.

С первых лет существования нашего Отделения пристальное внимание уделяется изучению строения соединений, их электронной структуры. Для решения последней задачи в Институте неорганической химии им. А. В. Николаева создали новое направление - рентгеновскую и рентгеноэлектронную спектроскопию.

МЕХАНИЗМЫ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Их исследование - один из важнейших приоритетов практически всех химических институтов Сибири. Прежде всего упомянем школу академика Валентина Коптюга (1931 - 1997), внесшую определяющий вклад в развитие теории перегруппировок в молекулах органических соединений через образование карбониевых ионов - частиц с положительным зарядом на атоме углерода. Подобные перегруппировки представляют большой практический интерес, поскольку с их помощью можно получать весьма сложные вещества. На основе метода меченых атомов установлен механизм миграции заместителей в молекулах ароматических соединений*. В сверхкислых средах при низких температурах удалось стабилизировать многие промежуточные частицы в перегруппировках, выяснить их строение и кинетические характеристики, тем самым открыв путь к количественному описанию и предсказанию скорости многоступенчатых реакций ароматических и алифатических соединений**. С точки зрения выяснения механизма обсуждаемых превращений, особенно важно изучение процессов "тождественного преобразования", когда исходный и образующийся карбониевые ионы имеют одинаковое строение. Существенно, что в одном из обширнейших разделов органической химии сибирские специалисты перешли от стадии накопления результатов к количественному описанию явлений, чем радикально изменили сам характер исследований.

Далее. Школа академика Владимира Болдырева в Институте химии твердого тела и механохимии выявила влияние дефектов в твердом теле на механизм многих твердофазных превращений. Подбор способов получения твердых веществ, в частности кристаллов, и методов их предварительной обработки позволяет изменять в них концентрацию именно тех дефектов, к которым данная реакция чувствительнее всего. Применяя специальные механоактиваторы, можно ряд твердофазных процессов вести не только безотходно, но и с резким сокращением числа стадий и времени технологического цикла - оно уменьшается иногда в десятки раз.

Среди последних достижений сотрудников этого Института особенно выделяются исследования процессов образования наночастиц при взрыве, проведенные с использованием синхротронного излучения в режиме реального времени. Суть работы, которая проводилась

* Ароматические соединения - углеводороды и их производные (например, анилин, фенол и др.), молекулы которых содержат циклы (так называемые бензольные ядра) из 6 атомов углерода, участвующие в образовании единой системы сопряженных связей. Основные источники - продукты нефтепереработки и каменноугольная смола (прим. ред.).

** Алифатические соединения - насыщенные углеводороды и их производные (например, карбоновые кислоты), в молекулах которых атомы углерода образуют открытые линейные или разветвленные цепи (прим. ред.).

стр. 56

Динамика перераспределения жидкой фазы внутри гранулы катализатора, наблюдаемая методом магнитно-резонансной томографии. Интенсивность сигнала ядерно-магнитного резонанса соответствует количеству жидкой фазы.

при участии ученых новосибирских институтов Ядерной физики им. Г. И. Будкера и Гидродинамики им. М. А. Лаврентьева, - в углубленном понимании быстропротекающих процессов, а также освоении эффективных способов управления синтезом наноалмазов взрывом.

Фотохимические реакции и реакционная активность возникающих в их ходе промежуточных частиц - предмет постоянного интереса сотрудников ИХКГ. В этой связи большие надежды возлагаются на созданный совместно с Институтом ядерной физики им. Г. И. Будкера лазер на свободных электронах. На самом деле речь идет о большом специализированном ускорителе электронов, генерирующем мощное излучение в терагерцовом (субмиллиметровом) интервале частот. Благодаря ему сегодня получены пионерские результаты и продемонстрирована возможность переноса биологических макромолекул с поверхности подложек в газовую фазу без их деструкции и денатурации, т. е. без разрушения.

КАТАЛИЗ И НАПРАВЛЕННЫЙ СИНТЕЗ ВЕЩЕСТВ

Катализ - одна из самых наукоемких и перспективных областей науки, развивающаяся на стыке химии, физики, биологии и математики. С ним связано решение многих научных, технологических, экологических проблем - от многотоннажного производства органических веществ до управления жизненно важными биохимическими процессами в живой клетке. Всемирную известность получили работы первого директора сибирского Института катализа - академика Георгия Борескова (1907 - 1984) и его школы. Развиваемые учениками Георгия Константиновича математическое моделирование каталитических процессов и методология перехода от лабораторных исследований к промышленным аппаратам в корне изменили подход к проектированию соответствующих реакторов, а также пути интенсификации существующих технологических процессов. Что касается поиска новых физических методов исследования катализаторов и разработки нетрадиционных способов проведения каталитических реакций, то здесь их ведут школы академиков Кирилла Замараева (1939 - 1996) и Валентина Пармона. Ими установлено строение реакционноактивных центров многочисленных каталитических реакций, разработаны способы стимулирования указанных реакций светом и ионизирующим излучением. Существенный вклад внесен в понимание роли и моделирование процессов астрокатализа - явления синтеза органических соединений на частицах космической пыли в момент зарождения Солнечной системы*.

Среди недавних практически важных для экономики страны достижений Института - высокоэффективные титаномагниевые катализаторы для получения сверхпрочного полимера - сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Этот конструкционный материал нового поколения обладает уникальными физико-техническими характеристиками и незаменим в экстремальных условиях, в том числе для изготовления средств бронезащиты. Опытные его партии, выпускаемые в Томской особой технико-внедренческой зоне, уже прошли испытания у различных отечественных потребителей.

Сотрудники нашего Института совместно с коллегами из Института проблем переработки углеводородов в

* См.: В. Пармон. Автокатализ - старт для появления жизни? Наука в России, 2004, N 4 (прим. ред.).

стр. 57

Спиновые переходы в неклассических системах - цепочечно-полимерных комплексах двухвалентной меди с нитроксильными радикалами (слева). Схема распада системы обменных кластеров в молекулярных магнетиках (справа).

рамках инновационного проекта государственного значения в 2003 - 2006 гг. разработали и передали для промышленного использования новые катализаторы двух основных процессов нефтепереработки - крекинга и риформинга*. На этой базе проведена модернизация производства моторных топлив на отечественных предприятиях. Объем продаж новых катализаторов и дополнительно произведенного с их использованием моторного топлива на конец 2006 г. превысил 8 млрд. руб. при бюджетных вложениях на реализацию проекта в объеме 500 млн. руб.

Синтетическая химия и химический дизайн сложных систем - еще одно важное направление, в развитие которого вовлечены практически все химические институты СО РАН. Так, Иркутский институт химии им. А. Е. Фаворского (до 1997 г. - Иркутский институт органической химии) входит в число крупнейших отечественных центров в области органической и элементоорганической химии. Здесь сформировалась ведущая научная школа, продолжающая традиции выдающегося химика-органика академика Алексея Фаворского (1860 - 1945), внесшего крупный вклад, в частности, в изучение ацетилена и его производных. На основе ацетилена можно синтезировать почти все, что сегодня производит химическая промышленность. Поэтому химия ацетилена остается одной из доминант в программах Института и сегодня. Заслуживают внимания и проводимые тут исследования органических соединений кремния с необычной валентностью.

В этом учреждении открыты многие новые химические реакции. Наиболее известны из них реакция кетоксимов (класс органических соединений) с ацетиленом, приводящая к пирролам - ключевым фрагментам важнейших жизнеобеспечивающих металлокомплексных систем (хлорофилла и гемоглобина), вошедшая в монографии и учебники как реакция Трофимова**, а также получившая имя Воронкова*** реакция элементной серы с галогензамещенными углеводородами различного состава, обеспечивающая прямой выход к различным сернистым гетероциклам.

В активе Института новые химические процессы и технологии, коммерчески ценные продукты и материалы: лекарства, экологически безопасные пестициды, регуляторы роста растений, полимеры, душистые вещества, сорбенты, иониты, ингибиторы коррозии, добавки к топливам и маслам, улучшающие их свойства, материалы для микроэлектроники и литиевых аккумуляторов нового поколения, энергонасыщенные вещества для ракетных топлив.

А теперь о новом научном направлении - супрамолекулярной химии. Ее объекты - крупные молекулярные ансамбли, самопроизвольно собирающиеся из фрагментов с геометрическим и химическим соответствием, аналогично тому, как происходит сборка сложнейших пространственных структур в живых системах. Типичный пример таких соединений - комплексы, в которых молекула "хозяина" (кавитанда), имеющая внутреннюю полость, способна включать подходящую по размеру молекулу "гостя".

В Институте неорганической химии им А. В. Николаева изучены реакции включения комплексов переходных металлов в гидрофобные полости нанометровых размеров - своеобразные молекулярные контейнеры, называемые кукурбитурилами. Экспериментально доказано: молекулы, попадающие в такие полости, могут существенно изменять свои физико-химические свойства. Кукурбитурилы применимы для получения ком-

* Риформинг - переработка нефтепродуктов с целью получения высокооктановых автомобильных бензинов, ароматических углеводородов и технического водорода (прим. ред.).

** Борис Трофимов - директор Иркутского института химии им. А. Е. Фаворского СО РАН, академик с 2000 г. (прим. авт.).

*** Михаил Воронков - директор Иркутского института органической химии с 1970 по 1994 г., академик с 1990 г. (прим. авт.).

стр. 58

плексов металлов в необычных степенях окисления и с уникальной реакционной способностью.

Совсем недавно тем же Институтом совместно с нашим предложены методы синтеза координационных полимеров на основе ионов цинка и оптически активных (гомохиральных) органических соединений легкодоступной молочной кислоты: такие полимеры можно использовать в качестве специализированных сорбентов и катализаторов.

В Новосибирском институте органической химии им. Н. Н. Ворожцова и Международном томографическом центре накоплен огромный опыт по синтезу очень широкого ряда стабильных радикалов нитроксильной природы. С использованием парамагнитных ионов металлов и указанных радикалов в качестве лигандов* удалось получить разнообразные координационные соединения - гетероспиновые системы, представляющие собой новый тип магнитоактивных объектов. Отметим в этой связи: дизайн молекулярных магнетиков - одна из интенсивно развивающихся в настоящее время областей химии. И именно в ней сотрудники Международного томографического центра выполнили пионерские работы по первым слоисто-полимерным и каркасным структурам. Открыт принципиально новый класс объектов - "дышащие" кристаллы, значительно изменяющие свой объем в момент изменения магнитного состояния при изменении температуры.

Добавим: еще в самом начале деятельности Новосибирского института органической химии его специалисты под руководством директора академика Николая Ворожцова (1907 - 1979) предложили общий подход к получению полифторированных ароматических соединений, основанный на взаимодействии перхлорированных ароматических соединений с безводным фторидом калия при 300 - 550°С. Важное практическое значение приобрел метод получения основополагающих ключевых продуктов - гексафторбензола и хлорпентафторбензола из технически доступных хлорпроизводных, освоенный еще в 1960-х годах в промышленном масштабе. Таким образом, в нашей стране была создана сырьевая база фторароматических соединений, что позволило ученым Сибирского отделения развернуть широкомасштабные изыскания в этой области химии.

Мы уже касались деятельности Института неорганической химии им. А. В. Николаева. Еще с середины 1960-х годов одним из основных направлений его деятельности стали физико-химические исследования материалов для электронной техники. Большой их цикл проведен школой академика Федора Кузнецова. Предложена методология количественного исследования химического осаждения из газовой фазы - ныне широко используемого в промышленности способа создания микроэлектронных устройств. Позднее на основе прогнозирования термодинамических характеристик веществ и процессов с их участием был развит синтез летучих соединений большинства металлов Периодической системы, пригодных для получения функциональных материалов. Еще одно приложение к фунда-

* Лиганд - в комплексных соединениях молекулы или ионы, связанные с центральным атомом (комплексообразователем) (прим. ред.).

стр. 59

ментальным работам этого Института - создание технологии выращивания кристаллов для лазерной техники и детектирования излучений.

Переходя теперь к высокоэнергетическим материалам, вновь упомянем Институт химической кинетики и горения. В годы его становления основные научные интересы первого директора члена-корреспондента АН СССР Александра Ковальского (1906 - 1978) лежали в области горения твердых топлив. Им было показано: воспламенение порохов происходит при развитии химических процессов в конденсированной фазе. Эти идеи стали первым шагом для построения картины горения, отличной от устоявшихся в то время теорий. Исследование процессов горения в газах и высокоэнергетических жидкостях остается важным направлением в работе Института и сегодня. Последователям Ковальского удалось объединить ранее разрозненные разделы теории газофазного и гетерогенного фильтрационного горения, что облегчает оценку риска возникновения аварийной ситуации в реакторе, дает возможность интерпретации перехода режима тления в режим пламенного горения при торфяных пожарах. В итоге создан метод точных расчетов преградителей огня и взрывозащиты.

Существен вклад в получение новых высокоэнергетических веществ Института проблем химико-энергетических технологий, одного из самых молодых в СО РАН. Школой его нынешнего научного руководителя академика Геннадия Саковича разработаны компоненты твердых ракетных топлив, позволившие выйти на рекордные характеристики для материалов данного назначения.

ХИМИЯ ЛЕКАРСТВ

Синтез лекарственных веществ - важная задача ряда химических институтов СО, осуществляемая ими в тесном сотрудничестве с учеными-медиками из подразделений СО РАМН и других ведомств.

В Новосибирском институте органической химии им. Н. Н. Ворожцова под руководством академика Генриха Толстикова синтезированы новые производные бетулоновой кислоты - соединения, исходно получаемого из коры березы. Совместно с Научно-производственным объединением "Вектор" установлено: пептиды этой кислоты, содержащие фрагменты длинноцепочечных аминокислот, применимы как активные ингибиторы ВИЧ. Они обеспечивают 90%-ное подавление вируса уже в наномолярных концентрациях, что на порядок эффективнее действия азидотимидина - препарата, широко применяемого ныне при лечении СПИДа. А еще пептиды этой кислоты подавляют рост опухолевых клеток и перспективны в химиотерапии онкологических заболеваний.

В том же учреждении синтезирована группа высокоэффективных анальгетиков полициклического типа. Их примечательное свойство - отсутствие негативного воздействия на сердечно-сосудистую и дыхательную системы, а также более длительный, чем у аналогов, обезболивающий эффект.

Среди новых фармакологических препаратов, созданных в Иркутском институте химии им. А. Е. Фаворского и уже запущенных в производство, примечателен "Ацизол" - средство, обладающее свойствами антидота* по отношению к угарному газу и эффективное даже при сильном отравлении этим чрезвычайно токсичным ядом. В очагах крупномасштабных катастроф такое средство незаменимо.

Активным стимулятором кроветворения, по структуре, эффективности и спектру действия сравнимым с витамином В₁₂, а по ряду показателей превосходящим его, является препарат "Кобазол". Он предназначен для лечения различных видов анемий, в том числе вызванных ионизирующей радиацией. При лучевой болезни способствует восстановлению количества лейкоцитов, эритроцитов и гемоглобина.

Важен и "Анавидин" - антисептик и дезинфектант нового поколения, превосходящий такие зарубежные аналоги, как хлоргексидин биглюконат, септабик и другие. Отметим: новинку уже производят в этом Институте в промышленном объеме.

Получены разрешения Фармкомитета РФ на синтез и использование в медицинской практике стимулятора широкого спектра действия "Трекрезана", кровеоста-

* Антидот - лекарственное средство, предназначенное для обеззараживания попавших в организм ядов (прим. ред.).

стр. 60

навливающего препарата "Феракрила", антиоксиданта и капилляропротектора "Дигидрокверцетина".

На стадии клинических испытаний - новый противотуберкулезный препарат "Перхлозон". Судя по первым результатам, его применение эффективно и при лечении форм болезни, устойчивых к действию других лекарств.

ПЕРЕРАБОТКА СЫРЬЯ И ЭКОЛОГИЯ

Поиск экологически безопасных методов переработки ископаемого и возобновляемого сырья - одна из важнейших задач химиков Сибири, богатейшего по природным запасам региона России. Например, в Институте химии и химической технологии накоплен опыт получения различных целевых продуктов из растительной биомассы, в частности микрокристаллической целлюлозы из древесных отходов. Здесь же совместно с Институтом биофизики СО РАН и Национальной академией наук Республики Казахстан предложена и успешно внедрена технология переработки мышьяковистых углистых золотосодержащих руд. Новая схема обогащения позволяет не только достичь 94 - 95% извлечения золота в концентраты, но и утилизировать опасные отходы. С применением этой технологии в казахстанском городе Усть-Каменогорске построен завод, способный обогащать 100 тыс. т золотосодержащей руды в год.

На основе микроскопических ценосфер (полых алюмосиликатных микросфер), содержащихся в золе угольных теплоэлектростанций, разработаны микросферические цеолитные сорбенты для очистки жидких радиоактивных отходов атомных предприятий и сточных вод гидрометаллургических производств от радионуклидов, ионов цветных и благородных металлов.

В Институте химии нефти СО РАН создают наукоемкие энергосберегающие технологии увеличения отдачи нефтяных пластов. Масштабное промышленное применение предлагаемых методов продлевает рентабельную эксплуатацию стареющих месторождений и тех, где нефть трудно извлечь из-за высокой ее вязкости. Совершенствуются физико-химические, гидродинамические, паротепловые, микробиологические методы воздействия на нефтяные залежи.

И наконец, еще об одной неотъемлемой части научных исследований и практической деятельности институтов СО РАН - мониторинге состояния окружающей среды. Так, в ИХКГ еще под руководством Александра Ковальского начали изучать физику и химию аэрозолей, и это направление успешно развивается до настоящего времени. Разработаны и внедрены в практику оптимальные аэрозольные технологии применения ядохимикатов для защиты сельскохозяйственных культур от вредителей, болезней и сорняков, использования биопрепаратов, регуляторов роста и микроэлементов. При этом расход соответствующих веществ сокращается в 5 раз и более, что существенно удешевляет затраты на препараты и снижает возможное негативное воздействие на окружающую среду.

Природоохранные технологии приоритетны и для нашего Института, где предложены и доведены до крупномасштабного использования способы обезвреживания промышленных, энергетических и транспортных выбросов. Разработанный под руководством Борескова "реверс-процесс" - нетрадиционная технология каталитической очистки отходящих газов и превращение токсичных примесей в безвредные вещества - получил широчайшее применение не только в России, но и в США, Болгарии, Японии, Австралии, Китае, других странах. Эта технология, внедренная на российском металлургическом комбинате "Печенга-Никель", существенно обезопасила Кольский полуостров от выбросов диоксида серы, а всего в мире таким способом ежегодно утилизируют более 1 млн. т диоксида серы, ранее выбрасывавшегося в атмосферу.

В заключение отметим: сотрудники химических институтов за полвека существования Сибирского отделения удостоены многих премий, в том числе: 5 - Ленинских, 6 - Государственных СССР, 2 - Государственных РСФСР, 4 - Совета Министров СССР, 7 - Государственных Российской Федерации, 3 - Правительства РФ. Такова высокая оценка их деятельности.

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: