Инновационные разработки в сфере химических технологий

№5 (27 апреля, 2020 г.) ДАЙДЖЕСТ по развитию химических технологий в мире и в Республике Узбекистан Центр научно-технической информации при Министерстве инновационного развития Республики Узбекистан Ташкент-2020

СОДЕРЖАНИЕ Зеленая химия 4 Биохимия 6 Фармакология 10 Геохимия 12 ИИ в химии 14 Химтехнололгии в Узбекистане 16 Источники 18 2

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ Химические технологии — направление науки о наиболее экономичных и экологически обоснованных методах химической переработки сырых природных материалов в предметы потребления и средства производства. Процессы химических технологий включают химическую переработку сырья, основанную на сложных по своей природе химических и физико-химических явлениях. Основные направления развития процессов химических технологий: - повышение одновременно эффективности и экологичности производства; - развитие биохимической и ферментативной технологий; - химия как фундаментальная основа в фармакологии; - развитие геохимии; - широкое применение методов математического моделирования, искусственного интеллекта при проектировании химических производств. 3

ЗЕЛЕНАЯ ХИМИЯ Импортные биопластики, создаваемые с помощью специальных штаммов бактерий, пока слишком дороги в производстве. К тому же рецептура таких материалов подразумевает использование в их составе сильных кислот, которые способны нанести вред почве и сельскохозяйственным культурам при утилизации. Более экологичным решением для разгрузки переполненных свалок может стать изготовление полимеров из доступного растительного сырья. Одну из оригинальных технологий производства подобных материалов предложили российские ученые, которые научились создавать пластиковые изделия из обычного крахмала — картофельного или зернового. Чтобы осуществить этот процесс, природный материал нужно подвергнуть специальной обработке с помощью ультразвука. Из обычного крахмала, картофельного или зернового, ученые создали полностью биоразлагаемый пластик, который не наносит вреда природе при утилизации. Для этого источник погружается в водный композиционный раствор из растительных биополимеров, после чего материал проходит дальнейшую тепловую обработку. По словам ученых, в результате воздействия ультразвука возникает кавитационное давление, которое позволяет добавкам (например, пектинам) встроиться в материал и изменить его свойства. 4

ЗЕЛЕНАЯ ХИМИЯ Использование ультразвука позволило им отказаться от альтернативных способов обработки (в частности, использования химикатов и генетически модифицированного сырья), что сделало технологию максимально экологичной. Также данную технологию можно применить в производстве различных видов пленок и оболочек для лекарств. Сделанная из биополимеров продукция настолько безвредна, что ее можно даже съесть после использования. Данная технология требует минимальных затрат, а готовая продукция будет на 10–15% дешевле аналогов [1]. Около 50% загрязнения пластиком морских и речных путей происходит из-за засорения рыболовными принадлежностями. Для решения данной проблемы химиками Корнеллского Университета был разработан новый вид пластика - изотактический полипропиленоксид (iPPO), который, находясь в воде, может разрушаться под воздействием ультрафиолетового излучения. Хотя первоначальное открытие полимера было в 1949 году, однако он не обладал механической прочностью и не подлежал практическому применению. Тогда как новый полимер обладает высокой изотактичностью (регулярностью связывания) и имеет длинную полимерную цепь, обеспечивающую механическую прочность. Материал прочен и пригоден для использования, однако он имеет способность деградировать и разрушаться под влиянием солнечных лучей, находясь в воде. Скорость деградации зависит от интенсивности света, но в лабораторных условиях длина полимерных цепей уменьшалась до четверти их первоначальной длины после 30 дней воздействия на полимер [2]. 5

ЗЕЛЕНАЯ ХИМИЯ Сегодня промышленную очистку воды приходится осуществлять с помощью мощных окислителей: хлора, озона, гипохлорита натрия, которые являются довольно сильными ядами. Поэтому водопроводную воду настоятельно рекомендуют перед употреблением в пищу кипятить, отстаивать, фильтровать. С целью решения данной проблемы российскими учеными НИТУ «МИСиС» были открыты новые свойства графена. В ходе исследования ученые доказали, что оксид графена способен очищать воду от сильных загрязнений. Оксид графена для человеческого организма не вреден и не хуже хлора по эффективности уничтожения бактерий. Ученые провели эксперименты по введению оксида графена в растворы (физраствор моделировал воду, а питательная среда — человеческий организм), содержащие культуры самого опасного загрязнителя водопроводной воды — кишечной палочки. Опыты показали, что оксид графена полностью разрушает бактерии и вместе с их останками собирается хлопьями внутри растворов. Их потом легко извлечь с помощью механических фильтров. В результате остается пригодная к питью жидкость. А если извлеченную массу обработать ультразвуком, можно выделить из нее графен и использовать повторно [3]. Данный наноматериал способен разрушать клетки вредоносных бактерий и оседать вместе с их останками. При невысокой стоимости новая технология, по мнению экспертов, может со временем лечь в основу мирового стандарта очистки воды. 6

ЗЕЛЕНАЯ ХИМИЯ Также ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории разработали и протестировали новый двумерный (2-D) катализатор, который можно использовать для повышения эффективности очистки воды с помощью перекиси водорода. До сих пор ученые боролись за повышение эффективности процесса с помощью катализа, потому что каждая часть реакции нуждается в своем собственном катализаторе - так называемом сокатализаторе. С этой целью ученые разработали материал, который повышает эффективность процесса, исключая дополнительную химическую обработку воды. По словам ученых, данная технология больше подходит для местностей, находящихся вдали от городских центров. Многие процессы нуждаются в двух реакциях одновременно, которые предполагают наличие двух сокатализаторов. Однако проблема заключалась в том, что два сокатализатора должны оставаться раздельными, иначе они будут взаимодействовать друг с другом и оказывать негативное влияние на эффективность очистки воды. Во многих случаях катализаторы изготавливаются из большого числа атомов, образуя каталитический наноматериал. Поэтому разместить два этих материала рядом друг с другом без их взаимодействия довольно сложно. Чтобы решить эту проблему, команда применила новый способ [4]. Ученые использовали тонкий нанолист для совместного размещения двух сокатализаторов для различных частей реакции. Особенность данного способа заключается в его простоте: один из сокатализаторов - один атом кобальта (Со) - находится в центре листа, тогда как другая, молекула, называемая антрахиноном, расположена по краям. 7

БИОХИМИЯ Некоторые биологические структуры имеют уникальные особенности. Например, многие виды крыльев насекомых обладают водоотталкивающим свойством, способны уничтожать бактерии, отражать свет необычными способами и т.д. Учеными из Университета Иллинойса были проанализированы химические свойства крыльев цикад. Было выявлено, что крылья цикад также обладают необычными свойствами. В качестве объектов исследования были выбраны цикады двух редких видов - Neotibicen pruinosus и Magicicada casinnii . Исследования показали, что оба вида имеют высоко упорядоченный рисунок крошечных столбов на крыльях, называемых нанопилларами. Нанопиллары способствуют гидрофобности крыльев - они отталкиваю воду подобно дождевику, и выполняют защитную функцию, уничтожая микробы, паразитирующие крылья. Для изучения химических свойств нанопиллара исследователями разработан метод постепенного извлечения соединений на поверхность без повреждения общей структуры крыльев. Каждое крыло помещалось в растворитель в закрытой камере под микроволны. Результаты исследований показали, что крылья цикады покрыты углеводородами, жирными кислотами и кислородсодержащими молекулами, таких как стерины, спирты и сложные эфиры. Соотношение поверхностных химических веществ различалось между двумя видами цикад, как и их наносструктуры. Исследования показали, что изменение поверхностных химикатов также изменяет структуру нанопиллара. По словам ученых, полученные данные позволят однажды спроектировать искусственные сооружения с такими же характеристиками как у крыльев цикад. Химические свойства крыльев подобных насекомых можно будет применить во многих областях, таких как сельское хозяйство, инженерия и медицина [5]. 8

БИОХИМИЯ Еще одним направлением биохимии является использование биологических организмов в производстве экологической продукции. Так, российские ученые нашли способ вдвое удешевить изготовление экологичного биоразлагаемого пластика с помощью специально выведенных бактерий, которые, питаясь различными субстратами (например, раствором сахара или глицерином), растут и синтезируют ценные соединения. Вещество способно разлагаться в природной среде на углекислый газ и воду в течение года. Одно из достоинств таких веществ — возможность изменения их свойств, которое осуществляют добавлением новых компонентов в исходный субстрат. По словам ученых, в результате данного процесса у бактерий изменяется обмен веществ, что приводит к получению материала с новыми характеристиками [6]. В частности, бактерии можно использовать для создания полимерной упаковки, которая в отличие от ее нефтехимических аналогов будет быстро разлагаться в естественной среде без вреда окружающему миру. При запуске масштабного производства можно будет в короткие сроки разгрузить переполненные полимерными отходами свалки, частично отказаться от строительства дорогостоящих мусоросжигательных заводов и запуска перерабатывающих предприятий. Синтезированные микроорганизмами материалы также можно использовать в медицине и других областях . 9

ФАРМАКОЛОГИЯ Фармакология как одна из основных составляющих современной медицины, занимает ключевое место в системе лечения больного. Недавние прорывы в секвенировании ДНК показали, что большое количество неизвестных кластеров биосинтетических природных продуктов кодируется в микробных геномах, например геномах видов Streptomyces . Однако все еще сложно получить доступ к соединениям из этих кластеров, поскольку многие организмы-источники не способны к культивированию или гены не активны во время лабораторного культивирования. Для решения этой проблемы группой исследователей из Северо-Западного университета в Иллинойсе и Шанхайского университета разработана эффективная бесклеточная платформа для быстрого in vitro тотального биосинтеза нерибосомного пептида валиномицина. Результаты показали, что данная технология имеет несколько ключевых особенностей: использование бесклеточных систем позволяет точно настраивать условия реакции и легко их контролировать; бесклеточные системы позволяют получать высокие титры натуральных продуктов; бесклеточный метод относительно быстрее других методов [7]. Таким образом, данный подход показал способность обеспечения полного синтеза нерибосомального макролактонового пептида валиномицина в системах CFPS и CFPS-ME. 10

ФАРМАКОЛОГИЯ Новый коронавирус (2019-nCoV) - это недавно появившийся в Китае инфекционный вирус, вызвавший пандемию COVID-19. В настоящее время существует несколько международных исследовательских групп, занимающихся определением методов лечения и разработкой вакцины против вируса. Так, учеными из Техасского университета A&M было предложено несколько возможных препаратов для лечения COVID-19. 2019-nCoV имеет белковую оболочку, выполняющую защитную функцию, которая связывает рецептор поверхности клетки-носителя для проникновения в организм человека. Рецептор 2019-nCoV является ангиотензинпревращающим ферментом- 2 (АСЕ2). После проникновения в клетку-носителя вирусная РНК прикрепляется непосредственно к рибосоме носителя для трансляции двух больших полипротеинов. Они обрабатываются путем протеолиза компонентов для упаковки новых вирионов. Основная протеиназа коронавируса (3CLpro) и папаин-подобная протеаза (PLpro) участвуют в процессе протеолиза. Для репликации РНК-генома CoV кодирует репликазу. Это РНК-зависимая РНК-полимераза (RdRp). Вирус не способен существовать без этих четырех белков: 3CLpro, PLpro, RdRp и белковой оболочки. Таким образом, предложенные учеными терапевтические средства нацелены на уничтожение одного из них, и в настоящее время тестируются в качестве возможного лечения COVID-19. Исследователи предложили в качестве возможного метода лечения использование ремдесивира и 3CLpro-1, которыые представляют собой низкомолекулярные противовирусные препараты, обладающие активностью против SARS-CoV. Также другие потенциальные низкомолекулярные средства для лечения вируса, по мнению исследователей, включают ингибиторы винилсульфонпротеазы свинца, предотвращающие проникновение CoV в легкие человека [8]. 121

ГЕОХИМИЯ Азот является наиболее распространенным газом в атмосфере и основным компонентом воздуха, которым мы дышим. Азот также находится в структуре горных пород и в недрах земли. И перед учеными встал вопрос: был ли азот в структуре Земли изначально с момента рождения планеты или же возник позже; и как атмосферный азот связан с азотом, извергающимся вулканами? До сих пор ученные затруднялись различать источники азота, поступающие из воздуха, и находящиеся внутри мантии Земли, при измерении газов из вулканов. Так, исследователи из Вудс-Холского океанографического института (WHOI) при Калифорнийском университете совместно с учеными из Франции, Канады и Италии, с использованием нового геохимического инструмента выявили истинное происхождение азота, а также новые возможности его применения и других летучих геологических элементов, что позволяет следить за активностью вулканов. Используя новый метод анализа \"комкованных\" изотопов азота, был проведен анализ образцов вулканического газа со всего мира. Этот метод предоставил уникальный способ идентификации молекул азота, поступающих из воздуха, что позволило исследователям увидеть истинные газовые составы мантии Земли. Это в конечном итоге выявило свидетельство того, что азот в мантии, скорее всего, был там с момента образования нашей планеты [9]. Новый метод не только позволяет ученым понять происхождение летучих элементов на Земле, но и может быть использован в мониторинге активности вулканов. Это связано с тем, что состав газов, выделяющихся из вулканических очагов, изменяется до извержений. Возможно, что изучение смешения мантии и атмосферного азота позволит определять период вулканических извержений. 122

ГЕОХИМИЯ Некоторые керамические материалы обладают высокой твердостью и прочностью. Их применяют для буровых инструментов, сенсоров, помещенных в условия экстремальных температур и давления, а также для научных исследований. Проблема в том, что новая керамика, созданная при сверхвысоком давлении, имеет свойство распадаться, едва его снижают. Поэтому использовать такие материалы в обычных условиях невозможно. Впервые в мире учеными из Германии и России удалось разработать технологию создания качественно новых сверхтвердых материалов, способную при давлении в 400 тыс. раз выше атмосферного модифицировать материал, который в итоге сохранит свои свойства и при земных условиях. В отличие от природного алмаза, он проводит электрический ток. Для эксперимента ученые выбрали рений — довольно дорогой и редкий серебристо-белый металл. Сам по себе рений обладает высокой температурой плавления (3185 °C) и устойчивостью к химическим реагентам. В эксперименте крохотный кусочек рения помещали между алмазными наковальнями, подавая азот в камеру с этим устройством. Наковальни сжимали, а рений нагревали лазером до температур около 1700 градусов. В результате при давлениях от 400 до 900 тыс. земных атмосфер получилась особая структура — пернитрид рения [10]. Алмаз пока остается лидером в списке твердых материалов. Однако, в отличие от алмаза, пернитрид рения способен проводить электрический ток, следовательно, его можно будет применять для создания контактов или иных элементов микросхем. Новый материал также можно будет использовать для производства элементов микросхем, деталей космических аппаратов, а также в станкостроении и медицине. 123

ИИ В ХИМИИ Выполнение сложных химических синтезов требует экспертных знаний, обычно приобретаемых в течение многих лет исследований и практики. Для упрощения изучения химических процессов сегодня искусственный интеллект (ИИ) открывает новые возможности в решении многих проблем. Главная проблема в области открытия лекарств и материаловедения - это поиск способов получения сложных органических молекул путем химического соединения более простых строительных блоков. Проблема в том, что эти строительные блоки непредсказуемы. С целью недопущения ошибок при создании молекул, исследователями из Кембриджского университета были разработаны алгоритмы машинного обучения, которые могут лучше понимать химию, прогнозировать результаты сложных химических реакций с точностью более 90%, превосходя специалистов по химии. Алгоритмы также способны визуализировать целевые соединения, обеспечивая химический маршрут к желаемому месту назначения. Поскольку эксперименты отнимают много времени, точный прогноз крайне важен, чтобы избежать дорогостоящих экспериментальных путей, которые в конечном итоге чаще всего заканчиваются неудачей. Исследователи показали, что при обучении опубликованным исследованиям в области химии модель может делать точные прогнозы реакций на основе лабораторных записей. Эта технология может значительно сократить время доклинических исследований лекарств, предоставляя медикам и химикам готовый план действий, направляя их к правильному выбору реакции при создании новых биоактивных молекул [11]. 124

ИИ В ХИМИИ Оценка оливкового масла включает использование стандартизированного сенсорного анализа в соответствии с методом «панельного теста». Тем не менее, существует значительный интерес к разработке новых стратегий, основанных на использовании газовой хроматографии (GC) в сочетании с масс-спектрометрией (MS) или спектрометрии ионной подвижности (IMS) вместе с обработкой хемометрических данных для классификации оливкового масла. С целью объединения химических методов и методов глубокого обучения для автоматической классификации образцов оливкового масла исследователями университетов Испании была предложена модель глубокого обучения, состоящая из 701 образца. Результаты исследований показывают, что подход глубокого обучения, применяемый к данным, полученным с помощью химических инструментальных методов, является хорошим методом при классификации образцов масла по соответствующим категориям с более высокими показателями успеха. В отличие от дорогостоящей методики сенсорной оценки, инструментальные аналитические измерения, используемые в сочетании с хемометрическими методологиями, представляют собой альтернативу для снижения затрат при дифференциации категорий оливкового масла. По словам ученых, данное исследование может быть полезно в использовании искусственного интеллекта для определения качества сельскохозяйственных продуктов [12]. 125

Химтехнололгии в Узбекистане Сегодня в области химических наук проводятся фундаментальные и прикладные исследования методов комплексной переработки топливно-минерального сырья, процессов в организмах животных и растений, создаются новые биологически активные вещества, удобрения, полимеры, катализаторы, огнеупорные материалы, дефолианты, гормоны и изучаются их свойства и механизмы действия; а также липиды, ферменты и создаются новые высокоэффективные химические и медицинские препараты и вещества. В настоящее время в Узбекистане исследованиями и разработками в области химических технологий занимаются такие учреждения как Ташкентский научно- исследовательский институт химической технологии, Институт химии и физики полимеров АН РУз, Институт биоорганической химии, Институт общей и неорганической химии и другие. Так, Институтом биоорганической химии ведется работа по созданию биостимулятора для сельского хозяйства, специальных препаратов для улучшения мелиоративного состояния земли, лекарственных - в медицине, по обеспечению продовольственной безопасности и многим другим направлениям. Определенные успехи достигнуты в области сельского хозяйства. Впервые создан и применен в производстве препарат для улучшения мелиоративного состояния засоленных почв, который способен повышать эффективность их промывки. Еще одной разработкой является препарат ДАГ: обработка им земли перед посадкой семян хлопчатника увеличивает урожайность на десять центнеров. К тому же это способствует устойчивости растения к болезням, всевозможным неблагоприятным климатическим условиям [13]. 126

Химтехнололгии в Узбекистане Также проведены исследования по разработке противовирусных препаратов в системе здравоохранения. В настоящее время в медицинской практике применяются более десятка лекарственных средств института, одним из которых является созданный институтом препарат против гриппа – рутан [14]. Что касается важнейших результатов инновационных разработок в области химии, то стоит отметить следующие достижения: - В Институте общей и неорганической химии разработаны оригинальные технологии получения новых видов удобрений и дефолиантов, которые внедрены в производство, являются импортозамещающими и значительный объем которых идет на экспорт. - В Институте ионно-плазменных и лазерных технологий разработана оригинальная технология и получена опытная партия поликристаллического кремния. - В Институтах химии растительных веществ и Биоорганической химии созданы технологии и налажено промышленное производство 15 новых оригинальных импортозамещающих отечественных лекарственных препаратов (Экдистен, Аюстан, Госситан, Гетасан, Пунитан и другие) [15]. 127

ИСТОЧНИКИ 1. Буланов А. Разработан отечественный биоразлагаемый пластик без использования химикатов // https://iz.ru/913560/aleksandr- bulanov/lozhka-kartoshka-v-rossii-sozdali-odnorazovuiu-posudu-iz- krakhmala 2. Bryce M. Lipinski, Lilliana S. Morris, Meredith N. Silberstein, Geoffrey W. Coates. Isotactic Poly(propylene oxide): A Photodegradable Polymer with Strain Hardening Properties. Journal of the American Chemical Society, 2020; 142 (14): 6800 DOI: 10.1021/jacs.0c01768 3. НИТУ «МИСиС» // https://misis.ru/ 4. Chiheng Chu, Qianhong Zhu, Zhenhua Pan, Srishti Gupta, Dahong Huang, Yonghua Du, Seunghyun Weon, Yueshen Wu, Christopher Muhich, Eli Stavitski, Kazunari Domen, Jae-Hong Kim. Spatially separating redox centers on 2D carbon nitride with cobalt single atom for photocatalytic H2O2production. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020; 117 (12): 6376 DOI: 10.1073/pnas.1913403117 5. Институт биофизики СО РАН // http://www.ibp.ru/ 6. J. Labidi, P. H. Barry, D. V. Bekaert, M. W. Broadley, B. Marty, T. Giunta, O. Warr, B. Sherwood Lollar, T. P. Fischer, G. Avice, A. Caracausi, C. J. Ballentine, S. A. Halldórsson, A. Stefánsson, M. D. Kurz, I. E. Kohl, E. D. Young. Hydrothermal 15N15N abundances constrain the origins of mantle nitrogen. Nature, 2020, April,16; 580 (7803): 367 DOI: 10.1038/s41586-020-2173-4 7. Lei Zhuang, Shuhui Huang, Wan-Qiu Liu, Ashty S. Karim, Michael C. Jewett, Jian Li. Total in vitro biosynthesis of the nonribosomal macrolactone peptide valinomycin. Metabolic Engineering, 2020; 60: 37 DOI: 10.1016/j.ymben.2020.03.009 128

ИСТОЧНИКИ 8. Jared S. Morse, Tyler Lalonde, Shiqing Xu, Wenshe Ray Liu. Learning from the Past: Possible Urgent Prevention and Treatment Options for Severe Acute Respiratory Infections Caused by 2019‐nCoV. ChemBioChem, 2020; 21 (5): 730 DOI: 10.1002/cbic.202000047 9. E. D. Young. Hydrothermal 15N15N abundances constrain the origins of mantle nitrogen. Nature, 2020, April,16; 580 (7803): 367 DOI: 10.1038/s41586-020-2173-4 10. Коленцова О. Сверхтвердый материал впервые удалось разработать искусственно // https://iz.ru/915853/olga-kolentcova/prochnee-stal- uchenye-sozdali-elektricheskii-almaz 11. Philippe Schwaller, Teodoro Laino, et al. Molecular Transformer: A Model for Uncertainty-Calibrated Chemical Reaction Prediction. ACS Central Science, 2019; DOI: 10.1021/acscentsci.9b00576 12. Márquez Belén, Nepomuceno-Chamorro Isabel at al. Deep Learning Techniques to Improve the Performance of Olive Oil Classification // Frontiers in Chemistry. V.7, 2020. 13. Аббосхон Тураев. Заместитель директора Института биоорганической химии АН РУз, д.х.н. //«Правда Востока» №69 от 3.04.20. // https://pv.uz/ru/newspapers/pri-podderzhke-gosudarstva-novyj-vitok- razvitija-bioorganiki 14. Лекарственный препарат рутан, обладающий противогриппозным действием // http://www.academy.uz/ru/page/pdf/rutan-grippga- qarshi-preparat 15. Инновационная деятельность Академии наук Республики Узбекистан // http://www.academy.uz/ru/page/ozbekiston-respublikasida-fanlar- akademiyasi-innovatsion-faoliyati 129

Центр научно-технической информации при Министерстве инновационного развития Республики Узбекистан Ташкент-2020