Химики СПбГУ с помощью компьютерной модели обнаружили возможности для более «зеленого» использования карбида кальция

Химики-теоретики Санкт-Петербургского государственного университета и Института органической химии РАН имени Н. Д. Зелинского разработали новую стратегию использования карбида кальция в синтезе органических соединений. Исследователи предложили новый подход, основываясь на результатах моделирования взаимодействия карбида кальция с водой и диметилсульфоксидом.

© Пресс-служба СПбГУ

© Пресс-служба СПбГУ

 

Карбид кальция известен человечеству уже более 150 лет — это твердое вещество желтовато-белого, бежевого или серого цвета, полученное в результате соединения кальция с углеродом. Сегодня карбид кальция используют для получения газообразного ацетилена, который широко применяется в промышленности — от производства уксусной кислоты и этилового спирта, до пластмассы, каучука и ракетных двигателей.

Углерод, необходимый для синтеза карбида кальция, добывается не оптимальным с точки зрения концепции устойчивого развития способом — в шахтах. В результате запасы ископаемого ресурса истощаются (не устойчивый подход), а над поверхностью земли растет количество углерода. «Мы работаем над стратегией углерод-нейтрального цикла производства. В частности, для получения карбида кальция можно использовать углерод, добываемый при термическом разложении (пиролизе) отходов, а полученное в результате вещество — применять в промышленности для создания новых соединений», — отметил Константин Родыгин, научный сотрудник лаборатории кластерного катализа СПбГУ.

Исследование было поддержано грантом СПбГУ и проводилось в рамках проекта по актуальной химии карбида кальция, которым занимается лаборатория кластерного катализа Университета при участии исследователей из Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН. Значительная часть моделирования была проведена с помощью мощностей РЦ «Вычислительный центр» Научного парка СПбГУ.

«Главным вызовом для человечества сегодня является создание промышленных процессов нового поколения, позволяющих получать важнейшие органические соединения и материалы в рамках углерод-нейтрального подхода. Особое значение имеет замена ископаемых ресурсов на возобновляемые и решение таким образом экологических задач. Как было показано в наших работах, органический синтез на базе карбида кальция открывает новые возможности для реализации углерод-нейтральных технологий. Причем ключевое значение имеет понимание химических процессов трансформации карбидных частиц в химических процессах в растворе», — отметил руководитель лаборатории кластерного катализа СПбГУ, заведующий лабораторией металлокомплексных и наноразмерных катализаторов Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН академик РАН Валентин Анаников.

Предложить новую стратегию использования вещества химики смогли с помощью моделирования процессов, возникающих на уровне атомов и молекул при взаимодействии карбида кальция с водой и растворителем диметилсульфоксидом. Карбид кальция — это, по сути, соль, включающая отрицательно заряженные кислотные остатки ацетилена (так называемые ацетиленид-анионы с зарядом −2) и положительно заряженные ионы кальция. В работе исследовались кислотно-основные свойства ацетиленид-анионов, воды и некоторых других веществ в растворителе диметилсульфоксиде. В таком растворителе можно наблюдать необычную ситуацию: взаимодействие ацетиленид-анионов и воды, называемое гидролизом, идет не полностью. Образуются анионы с зарядом −1, которые потом могут вступать в широкий спектр ключевых для органического синтеза химических реакций.

«После проведения анализа выяснилось, что вместо воды можно использовать и другие протонирующие вещества для перевода ацетиленида в раствор, а в качестве растворителя для реакций с карбидом кальция можно искать альтернативные диметилсульфоксиду, еще менее токсичные и «зеленые» растворители. Таким образом, производство с участием карбида кальция в перспективе может стать более «зеленым» не только из-за потенциально более безопасных способов добычи углерода, но и благодаря возможности карбида кальция вступать в реакции с менее токсичными растворителями», — рассказал соавтор статьи, ассистент Института химии СПбГУ Михаил Полынский.

Отметим, что одним из авторов статьи стала выпускница СПбГУ Мария Сапова, начавшая работу над проектом во время обучения в магистратуре. «Задача меня сразу привлекла: идея комбинации различных расчетных методов открывает большие возможности для моделирования сложных процессов, как, например, процесс растворения в нашем случае. Эта работа помогла не просто расширить кругозор, а выйти за рамки задач по моделированию кристаллов, которыми я занималась, и почувствовать границы применимости различных методов расчетной химии. Думаю, что такие сложные многоступенчатые подходы в моделировании должны развиваться дальше: это позволит нам приблизиться к описанию реальных экспериментов», — отметила Мария Сапова.

Как уточнил Михаил Полынский, работа на данном этапе — полностью теоретическая и заключалась в компьютерном моделировании процесса получения ацетиленидов из карбида кальция. «Для моделирования мы использовали так называемые квантово-химические методы, борн-оппенгеймеровскую молекулярную динамику. В результате такого моделирования можно сделать короткое молекулярное кино, показывающее, как выглядит движение атомов и молекул на очень коротких, пикосекундных временных интервалах», — заключил Михаил Полынский.

Статья опубликована в журнале Chemical Science  
Источник: Пресс-служба СПбГУ

Для влюблённых в науку: научпоп-проект “Отвечает Менделеев” расскажет и покажет всё самое интересное о химических элементах

 

Компания Google и Российский химико-технологический университет имени Менделеева объединили усилия с целым рядом российских вузов, позвали в гости самых популярных блогеров рунета и, конечно же, учёных-химиков, чтобы создать самые нескучные видеоролики о химических элементах. Открытие нового канала на YouTube стало ещё одним значимым событием уходящего Международного года Периодической таблицы имени Дмитрия Ивановича Менделеева.

Для начала были выбраны 30 всем известных химических элементов. Впрочем, как показал опрос на улице, далеко не все прохожие готовы были ответить даже на самые простые вопросы об этих веществах.

Возможно, новый проект несколько улучшит ситуацию, и люди, которые ранее не знали, смогут рассуждать на многие химические темы с большей уверенностью. Что особенно приятно, видео, представленные на новом канале, не вызывают зевоты и поставляют интересные сведения даже тем, кто с химией знаком не понаслышке.

Вот для примера некоторые вопросы, на которые авторы “Отвечает Менделеев” дают ответы: можно ли есть золото, почему спутники не возвращаются на дозаправку, как йод спасает миллионы жизней, как превратить муку в йогурт или как стать киборгом.

Поддержку проекту также оказали Министерство науки и высшего образования РФ и Комитет по Международному году Периодической таблицы под эгидой ЮНЕСКО (​IYPT2019​).

“Такие инициативы как проект “Отвечает Менделеев” способствуют популяризации химии среди молодёжи и признанию заслуг великого русского учёного Дмитрия Ивановича Менделеева. На протяжении всей своей истории российская химическая наука удерживает лидирующие позиции во всём мире. Сохранение и развитие имеющегося потенциала невозможно без привлечения в науку молодёжи. Убеждён, что проект поможет реализации этой задачи”, – отметил ​министр науки и высшего образования Российской Федерации Михаил Котюков.

Поясним, что во многих странах мира периодическая таблица не носит имя великого российского учёного, хотя именно им был открыт и описан периодический закон. Ровно 150 лет назад Дмитрий Иванович, работавший над этой темой к тому времени порядка 20 лет, заложил основы известной сегодня каждому школьнику таблицы. Он расположил в виде таблицы карточки с известными к тому времени химическими элементами и их свойствами, а также предположил, какими свойствами будут обладать элементы, которые станут известны (или будут синтезированы) химиками в будущем. Вскоре эти выводы были подтверждены в ходе новых исследований.

 
Для начала были выбраны 30 всем известных химических элементов.
Иллюстрация предоставлена пресс-службой компании Google.

Корреспондент “Вести.Наука” (nauka.vesti.ru) поинтересовался у Натальи Павловны Тарасовой, которая была президентом ИЮПАК с 2016 по 2017 год и также презентовала проект, стал ли более узнаваемым образ Дмитрия Ивановича для мирового сообщества после Международного года периодической таблицы.

“Я могу с определённостью сказать, что имя Менделеева стало более узнаваемым. Я могу судить об этом по тем сообщениям, которые нам приходят со всего мира”, – ответила Наталья Павловна.

Однако цель нового проекта – рассказать не о самой таблице или важности вклада Дмитрия Ивановича Менделеева в её создание, а о важности химии в целом. Также авторы хотели показать, как химические элементы влияют на различные сферы жизни человека. По этой причине контент канала “Отвечает Менделеев” разделён на шесть тематических блоков: “Технологии и транспорт”, “Красота и мода”, “Еда и хобби”, “Дом и окружающая среда”, “Человек и здоровье” и “Образование”.

“На YouTube каждую минуту загружается 500 часов контента. Ежемесячно на платформу заходят более двух миллиардов пользователей, значительная часть которых смотрит лекции и другие образовательные видео. По результатам опросов, 9 из 10 считают, что на YouTube можно получить новые полезные знания. “Отвечает Менделеев” — YouTube-канал, который мы создали вместе с РХТУ им. Д.И. Менделеева, чтобы отпраздновать Международный год Периодической таблицы. И ещё, чтобы напомнить вам и немного самим себе, какой интересной и увлекательной может быть эта наука — химия”, – рассказала ​Марина Жунич, директор по взаимодействию компании Google с органами государственной власти.

Ролики будут регулярно появляться на канале и в дальнейшем. Кроме того, в плейлистах канала собрана коллекция из более чем 200 научно-популярных видео YouTube-блогеров со всего мира, рассказывающих о химических элементах и их практических свойствах.

“Сделать нашу науку доступнее для понимания молодёжи ​— это одна из главнейших задач не только химии, но и любой другой дисциплины. Ведь каждый из известных нам выдающихся учёных мог бы и не раскрыть в себе интерес к исследовательской работе, если бы увлёкся в юные годы каким-либо другим занятием. Но терять потенциал, который такие нераскрытые таланты могут дать нашей стране в век цифровых технологий, — недопустимая ошибка. Этот проект — яркий пример популяризации химической науки, который, быть может, откроет сегодня в ком-либо из зрителей новых выдающихся учёных нашей современности”, – считает ​Александр Мажуга, ​ректор РХТУ имени Менделеева.

В создании видео также приняли участие ​Российский научный фонд​, эксперты ​Института элементоорганических соединений РАН​, АНО “Информационного центра атомной отрасли” и госкорпорации “​Роскосмос​”, ​РХТУ им. Д.И. Менделеева​, ​МГУ им. М. В. Ломоносова​, ​Национального исследовательского технологического университета МИСиС​, ​Санкт-Петербургского государственного университета​, ​Сколковского института науки и технологий​, ​Воронежского государственного университета​, ​Новосибирского государственного технического университета​, ​МГТУ им. Н. Э. Баумана​, ​Сеченовского университета​ и так далее.

Отметим также, что любой желающий может стать участником проекта. Для этого необходимо записать тематическое видео длиной до пяти минут и связаться с создателями канала по электронной почте. После небольшой модерации видео будет опубликовано в одном из плейлистов. Как пояснил Иван Лозовой, ведущий другого популярного научпоп-канала SciOne, для того чтобы придумать идею для подобного ролика, нужно прежде всего ответить самому себе на вопрос “Что я хочу сказать аудитории?”.

Добавим, что кроме получения чисто теоретических знаний по химии все желающие смогут опробовать себя в роли самых настоящих химиков, записавшись на мастер-классы в новый детский технопарк “Менделеев Центр” в Москве, торжественное открытие которого запланировано на конец декабря 2019 года.