Химический факультет МГУ и его кафедры (история и современное состояние)

Профессор Э.А. Караханов, доцент И.И. Кулакова

Катализу и нефтехимии принадлежит одна из ключевых ролей в обеспечении людей ассортиментом необходимых продуктов, материалов, а также сырьем для производства большинства органических соединений. Это - различные полимеры, синтетический каучук, смазочные масла, растворители, красители, присадки к топливам, моющие средства, полу-чаемые при осуществлении разнообразных нефтехимических процессов. С помощью катализа осуществляется подавляющая часть процессов тяжелой химической и нефтехимической промышленности. Достаточно указать на синтез аммиака из элементов, получение серной и азотной кислот, синтез мономеров для получения высокомолекулярных соединений, различных видов моторных топлив и т.д. Органический катализ играет очень боль-шую роль и в биохимии, так как почти все химические реакции в живых организмах протекают каталитическим путем с помощью ферментов.

Ввиду большого значения таких областей науки как катализ и нефтехимия, возникает необходимость в подготовке специалистов соответствующего профиля. Их готовят в различных вузах нашей страны, в том числе и на химическом факультете МГУ.

В начале ХХ века в Московском университете профессор Н.Д. Зелинский начал исследования каталитических превращений углево-дородов. Позже по инициативе Николая Дмитриевича, ставшего уже академиком, при кафедре органической химии, которой он заведовал, были созданы две лаборатории: лаборатория химии нефти (1929 г.) и лаборатория органического катализа (1930 г.). Затем эти лаборатории были преобразованы соответственно в кафедру химии нефти (1938 г.) и кафедру органического катализа (1940 г.). Кафедрой химии нефти заведо-вали академик Н.Д. Зелинский (1938- 1953 гг.), академик Б.А. Казанский (1953- 1960 гг.) и профессор А.Ф. Платэ (1960- 1968 гг.), а кафедрой органического катализа - академик А.А. Баландин (1940- 1967 гг.). После смерти А.А. Баландина на базе этих кафедр в 1968 г. была создана объеди-ненная кафедра химии нефти и органического катализа, которой руководил сначала профессор А.Ф. Платэ, а с 1983 г. по настоящее время - профессор Э.А. Караханов.

В структуре созданной кафедры были три лаборатории. В после-дующие годы количество лабораторий не изменилось, хотя претерпевали некоторые изменения их названия и штатный состав.

В настоящее время на кафедре химии нефти и органического катализа имеются лаборатории нефтехимического синтеза (зав. лаб. д.х.н. Э.А. Караханов), химии углеводородов нефти (зав. лаб. д.х.н. А.В. Анисимов) и органического катализа (зав. лаб. д.х.н. Г.В. Лисичкин). Всего на кафедре работает 51 человек (11 докторов, 27 кандидатов наук).

В перечисленных лабораториях и на кафедрах работали многие выдающиеся ученые-химики. Кроме уже названных выше это - чл.-корр. АН СССР Н.И. Шуйкин, профессора М.Б. Турова-Поляк, А.Ф. Платэ, П.П. Борисов, С.И. Хромов, А.А. Толстопятова. Начинал свою научную деятельность на кафедре наш выпускник, ныне декан химического факультета, чл.-корр. РАН В.В. Лунин.

Научная тематика кафедр химии нефти и органического катализа, а также объединенной кафедры развивалась в традиционных направле-ниях, заложенных Н.Д. Зелинским, Б.А. Казанским, А.А. Баландиным. В основе этой тематики лежит разработка фундаментальных вопросов, касающихся природы катализа, механизмов каталитических процессов, создания новых катализаторов, выяснения зависимости реакционной способности углеводородов и их производных от строения, разработка новых методов синтеза разнообразных органических соединений.

Основные научные направления, развиваемые на кафедре в настоящее время:

• разработка перспективных процессов переработки нефти;
• макрокомплексный катализ; молекулярный дизайн макрокомплексных катализаторов нового типа;
• химия привитых поверхностных соединений;
• химия полиуглеродных веществ;
• эволюционный катализ;
• химия алициклических и каркасных соединений;
• химия органических соединений серы.

Лаборатория нефтехимического синтеза. Основные направле-ния научных исследований лаборатории - это развитие новых подходов к углубленной переработке нефти на основе каталитического крекинга, создание новых активных и селективных "умных" катализаторов различных превращений органических соединений в мягких условиях.

Проводятся исследования процессов гидрирования, карбонилиро-вания, гидроформилирования и окисления в присутствии различных металлокомплексных катализаторов. Развиты представления о формирова-нии активных центров макромолекулярных металлокомплексов, что позволило с использованием ряда модифицированных полимеров полу-чить "умные" лиганды, способные контролировать каталитические свойства металлокомплексов. На основе растворимых модифицированных полимеров и переходных металлов созданы макромолекулярные катализа-торы, сочетающие свойства металлокомплексов и фазовых переносчиков в двухфазном катализе. Проводятся работы по созданию катализаторов, способствующих нейтрализации вредных выхлопов автомобильного транспорта. Это катализаторы "дожига" монооксида углерода, разложения оксидов азота.

Исследования каталитического крекинга проводятся с целью создания более эффективных катализаторов для углубленной переработки нефти. Разработан способ пассивации тяжелых металлов, осаждающихся из сырья на катализаторах во время крекинга и являющихся ядами для целевого процесса. В опытно-промышленном масштабе успешно апро-бированы универсальные пассиваторы на основе сурьмы и олова. Они позволяют перерабатывать тяжелое нефтяное (мазутсодержащее) сырье в высококачественное топливо на промышленных установках каталитиче-ского крекинга без их реконструкции, а только в результате дооборудо-вания установок путем введения пассивации металлов в технологический процесс.

Исследования кинетики и других закономерностей окисления графита и фуллерена показали, что в зависимости от природы исполь-зуемого катализатора окисление может идти по-разному: либо как фрагментация сетки углеродных атомов с образованием полициклических ароматических углеводородов, либо как последовательная "стрижка" поверхностных атомов углерода с образованием оксидов углерода. Найдены способы химического модифицирования углеродных веществ с целью защиты их от воздействия окислителей.

Лаборатория химии углеводородов нефти. Разработка новых методов очистки углеводородного сырья от сернистых соединений составляет одно из важных направлений научных исследований лаборато-рии. Сочетание принципов металлокомплексного и межфазного катализа для формирования окислительной системы на основе соединения переходного металла и пероксида водорода позволяет интенсифицировать реакцию окисления, проводя ее в мягких условиях, одновременно добиваясь высокой селективности и выхода целевых продуктов. Такой подход является продуктивным при разработке методов исчерпывающего обессеривания нефтяных фракций, позволяя также получать ценные продукты тонкого органического синтеза - сульфоксиды, сульфоны, дисульфиды и тиолсульфонаты.

Другим направлением научных работ лаборатории является развитие новых подходов к получению молекулярных рецепторов на основе серосодержащих макроциклов - тиакраунов- и каликсаренов. Исследования химии моно- и полициклических углеводородов и их производных привели к созданию на основе реакций галогенидов серы с циклоолефинами нового метода получения циклоалканотиакраунов с переменной конформационной жесткостью. Такие тиакрауны обладают высокой комплексообразующей способностью в отношении ионов переходных и тяжелых металлов.

Исследования химии адамантана привели к развитию нового научного направления, основанного на процессах электрофильного харак-тера с участием адамантилсодержащих соединений в кислых низконуклео-фильных средах. Установлено, что использование перфторированных кислот в такого рода процессах позволяет осуществлять направленные синтезы производных адамантанового и гомоадамантанового ряда. Разработаны методы синтеза нового класса молекулярных рецепторов – адамантилсодержащих каликсаренов. Среди полученных соединений выявлены обладающие иммуннотропной, нейротропной, анальгетической, противовоспалительной, антивирусной и другими видами активности.

В основе работ по функционализации непредельных соединений лежит идея модифицирования сильных электрофилов за счет комплексо-образования с различными нуклеофилами. Благодаря такому подходу разработан ряд новых электрофильных реагентов, позволяющих осуществить превращение непредельных соединений в ценные полупро-дукты органического синтеза и физиологически активные соединения. Созданные электрофильные агенты – комплексы солей ацилия с нитрилами – позволили предложить новую реакцию – ациламидирование, имеющую большую синтетическую значимость, а новые электрофильные агенты – комплексы солей ацилия с диметилсульфидом – позволили осуществить электрофильное перфторацилирование неактивированных непредельных соединений. Полученные при этом непредельные кетоны с перфторацильной группой ранее были недоступны. На основе этих кето-нов был разработан новый метод синтеза целого ряда фторорганических соединений: гетероциклов, карбоциклов, каркасных соединений, многие из которых физиологичеси активны. Показана перспективность примене-ния трифторметансульфонового ангидрида для активации непредельных амидов. Полученные при этом комплексы позволили существенно расширить синтетические возможности реакции Вильсмейера-Хаака и разработать простые и эффективные методы синтеза различных классов новых карбо- и гетероциклических соединений.

Лаборатория органического катализа. Научные исследования в лаборатории связаны с изучением механизма действия катализаторов, природы центров катализа и специфических свойств открытых каталити-ческих систем, разработкой научных основ создания высокоэффективных катализаторов и каталитических систем на основе металлокомплексов для окислительных процессов. Разрабатываются также теоретические основы и методы химического модифицирования поверхности твердого тела.

Ведутся экспериментальные и теоретические работы в области классического и эволюционного катализа. Кинетика и механизм поликонденсационных и окислительных процессов исследуются с целью выяснения системных и динамических свойств, эффектов самоорганиза-ции и саморазвития неравновесных открытых каталитических систем. Установлен механизм образования продуктов уплотнения и их роль в органическом катализе. Получены: алмазное вещество при мягких Р,Т-параметрах, алмазоподобные пленки и углеродные волокна с заданными свойствами. Предложены способы химико-каталитической обработки алмаза и модифицирования его поверхности.

Разработана теория эволюционного катализа и использована для создания общей теории химической эволюции и биогенеза. Теоретические положения использованы для описания сложных искусственных и природных процессов. Выявлены различия кинетических условий и алгоритмы поликонденсационных процессов при образовании из простейших органических молекул различных полиуглеродных веществ (графита, алмаза, карбина). Разработанная теория химического синтеза алмаза применена для создания модели генезиса месторождений алмаза и физико-химического критерия алмазоносности кимберлитов. Предложена модель абиогенного синтеза углеводородов нефти и газа в природных открытых каталитических системах и круговорота углерода в природе (в биогенном и геотермальном циклах).

Главное направление теоретических и экспериментальных иссле-дований в области химии поверхности – разработка научных основ химии привитых поверхностных соединений. Объектом исследований в этой области служат твердые тела, представляющие собой жесткий ненабуха-ющий носитель с химически закрепленным на нем слоем молекул, их агрегатов и даже макроскопических частиц. Разработаны методы направ-ленного синтеза поверхностно-модифицированных веществ, а также специфические методы исследования прививитых слоев. Поверхностно-модифицированные твердые тела обладают набором уникальных свойств, которые позволяют применять их в качестве гетерогенных катализаторов, высокоселективных экспрессно действующих сорбентов, ионообменни-ков, химических и биологических сенсоров и многих других объектов современной техники и технологии. Созданы кислотно-основные асиммет-рические катализаторы, катализаторы для получения простых третичных бутиловых эфиров; получены сорбенты для современной высокоэффек-тивной жидкостной и ионной хроматографии, для концетрирования и анализа ионов металлов. На основе химически модифицированных поверхностей разработаны сенсоры для контроля загрязнений газовых и жидких сред. Значительное число созданных в лаборатории материалов и методик внедрено в практику.

Исследуются каталитических свойств фталоцианиновых комплек-сов металлов в реакциях мягкого окисления органических соединений. Изучаются возможности и закономерности гетерогенизации фталоциани-нов на поверхности носителей разной природы и влияние носителя на свойства фталоцианина. Разработаны теоретические основы катализа фталоцианинами, а также их гетерогенизации. Созданы активные катали-заторы процессов демеркаптанизации нефтяных фракций, очистки сточных вод и глубокого окисления метанола. Проводятся исследования катализа водорастворимыми формами фталоцианинов с целью создания теоре-тических основ и разработки методики применения этих комплексов в новой области лечения онкологических заболеваний – каталитической терапии рака.

Кафедра химии нефти была и остается популярной среди студен-тов химического факультета, хотя эта кафедра не ведет общих курсов. На протяжении многих лет в лабораториях кафедры ежегодно работают 25- 40 студентов разных курсов. С первых шагов в их научной работе сотрудники и преподаватели кафедры стремятся поставить перед каждым интересную задачу, окружить их вниманием и заботой. Благодаря этому наши студенты к V курсу хорошо представляют себе, какие научные направления развиваются на кафедре, какие цели ставятся перед ними в дипломных работах.

Для студентов преподаватели и научные сотрудники кафедры читают следующие спекурсы:

• Введение в специальность
• Нефтехимический синтез
• Каталитическая химия
• Методы каталитических исследований и техника эксперимента
• Химия С1
• Химия алициклических углеводородов и сероорганических соединений
• Каталитические комплексы и системы.

Спецпрактикум у студентов проводится по каждой из трех специализаций: органический катализ, нефтехимический синтез, химия углеводородов нефти. Он состоит обычно из 8- 10 задач, каждая из которых представляет собой небольшое исследование. В ходе выполнения этих задач студенты получают знания и навыки по основным методам изучения гомогенных и гетерогенных реакций и ряду физико-химических методов исследования катализаторов.

За время с 1968 г. кафедра выпустила 450 молодых специалистов. В их числе 20 иностранцев. Ежегодно на кафедре работают от 10 до 30 аспирантов, как из числа выпускников, проявивших себя за время обучения на нашей кафедре или на других кафедрах химического факультета, так и пришедшие из других вузов нашей страны или из-за рубежа. Для аспирантов и соискателей кафедры читается цикл лекций по актуальным вопросам нефтехимии и катализа. Всего с 1968 г. кафедрой было подготовлено 323 кандидата наук из числа аспирантов и сотрудников кафедры, в их числе 30 иностранцев.

[ Химический факультет МГУ и его кафедры (история и современное состояние) ]