Переработка биомассы в биотопливо и платформа для обнаружения пестицидов: чем занимается лаборатория ресурсосберегающих технологий и микропластика РУДН

Мы поговорили с кандидатом химических наук, доцентом кафедры органической химии РУДН Алексеем Алексеевичем Феста об истории создания лаборатории, её оборудовании, важных разработках и планах на будущее.

РУДН открыл лабораторию ресурсосберегающих технологий и микропластика в рамках национального проекта «Наука и университеты». Расскажите, как возникла идея создать такую лабораторию, и в каком году она открылась? Почему в ней была потребность?

Лаборатория была создана для сочетания принципов циркулярной экономики с инновационным катализом и инженерией материалов. Это необходимо для снижения воздействия на окружающую среду и создания масштабируемых решений для органического синтеза, что является основой перехода к более «зелёным» химическим процессам. Ремонтные работы и подготовка помещения под лабораторию начались в декабре 2023 года, а уже в сентябре 2024 года в вузе приступили к наладке оборудования. Тогда же в лаборатории студенты и аспиранты начали работать над своими дипломными и диссертационными проектами. В сентябре 2025 года лаборатория приняла группу студентов по англоязычной программе магистратуры Bioenergies and Biorefineries под руководством профессора Рафаэля Луке.

Лаборатория оснащена приборами для микроволнового и проточного синтеза, реакций под действием света и электричества. Насколько уникально ваше оборудование и какие возможности оно открывает перед учёными?

Новое оборудование — проточные реакторы, системы для микроволнового, фотохимического и электрохимического синтеза — позволяет делать то, что ранее было труднодостижимо. Оно открывает возможности для: 

• проведения сверхбыстрых и потенциально масштабируемых (фото)проточных реакций в органическом синтезе; 
• проведения реакций с использованием возобновляемых ресурсов — видимого света или электричества; 
• скрининга каталитических систем в реальном времени.

Одно из ключевых направлений лаборатории — переработка биомассы в биотопливо и новые материалы. Насколько сегодня востребованы такие разработки? Какие виды биомассы вы используете и какие продукты получаете?

Эти разработки крайне востребованы, так как лежат в основе перехода к устойчивому будущему. Переработка биомассы и отходов нужна для получения высокофункционализированных углеродных материалов (например, пористые углеродные катализаторы для генерации водорода, удаления загрязнителей или тонкого органического синтеза) и биопроизводных платформенных химикатов (таких как фураны или левулинаты), которые служат ключевыми строительными блоками для «зелёных» растворителей, добавок, полимеров и активных фармацевтических ингредиентов; наноразмерных катализаторов.

Лаборатория активно применяет проточный синтез для получения и модификации лекарственных веществ. Чем этот метод принципиально отличается от классического «периодического» синтеза и какие преимущества он даёт?

Одна из основных проблем использования видимого света для проведения реакций заключается в сложности масштабирования — реакции протекают хорошо в малых объёмах, но при переходе к большим загрузкам скорости реакций значительно снижаются, так как поглощение света проходит только в небольшой части объёма реакционной массы. Именно эту проблему решает использование проточного синтеза — в постоянном режиме реакционная масса прокачивается через реактор с эффективным освещением, что позволяет успешно масштабировать фотохимические превращения.

В арсенале лаборатории также микроволновая активация, фотохимические и электрохимические реакции. Почему именно эти «зелёные» технологии сегодня находятся в фокусе внимания мировой химической науки? Как они помогают решать задачу ресурсосбережения?

Во-первых, эти технологии используют возобновляемые ресурсы — электричество или видимый свет. Реакции можно проводить даже на окне при солнечном освещении. Во-вторых, открывается новый спектр превращений, который ранее был недоступен, то есть появляется возможность не только сообщать системе энергию, но открывать новые реакции.

Расскажите, пожалуйста, об одной из разработок — чувствительной платформе для обнаружения пестицидов (ацетамиприда и имидаклоприда) в воде и продуктах. В чём её уникальность?

В лаборатории была разработана чувствительная и простая в использовании двойная флуоресцентно-колориметрическая платформа на основе пероксидазоподобной активности MAX-фазы Fe2AlB2 для детектирования пестицидов ацетамиприда и имидаклоприда. Эта система позволяет проводить быстрый и точный анализ содержания пестицидов в воде и сельскохозяйственных продуктах. Разработанная методология имеет потенциал для применения в области охраны окружающей среды, контроля качества пищевых продуктов и безопасности здоровья населения.

В качестве основы сенсора использована MAX-фаза Fe2AlB2, известная своими уникальными физико-химическими свойствами: высокой стабильностью, биосовместимостью и каталитической активностью. Fe2AlB2 синтезировали методом сухого механического сплавления. Полученный материал охарактеризовали с помощью нескольких аналитических методов. Морфологию изучали методом сканирующей электронной микроскопии (SEM). Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) подтвердила присутствие элементов Fe, Al и B в структуре, а также их химическое окружение. Рентгеновская дифракция (XRD) использовалась для подтверждения кристаллической структуры MAX-фазы. Термогравиметрический анализ (TGA) и дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC) применялись для изучения термической стабильности материала. Результаты показали, что Fe2AlB2 сохраняет стабильность до 400°C.

Важной характеристикой синтезированной MAX-фазы является её способность проявлять активность, схожую с пероксидазой. Это свойство использовали для реакции распада перекиси водорода (H2O2) с образованием гидроксильных радикалов (•OH), которые, в свою очередь, взаимодействуют с субстратом 3,3′,5,5′-тетраметилбензидином (TMB), образуя синий окрашенный продукт. Кинетические параметры реакции рассчитали с помощью графиков Лайнвивера-Берка. Определены такие параметры, как константа Михаэлиса (Km) и максимальная скорость реакции (Vmax), что подтвердило высокую каталитическую активность Fe2AlB2 по сравнению с природной пероксидазой, например HRP.

Для оптимизации работы сенсора проведены эксперименты по изучению влияния различных факторов (pH, температуры и концентрации реагентов) на абсорбционные и флуоресцентные свойства системы. Оптимальные условия для проведения анализа найдены при использовании фосфатного буфера с pH 8. В этих условиях платформа демонстрировала высокую чувствительность к пестицидам ACP и IMP.

Для проверки эффективности предложенного сенсора мы провели серию экспериментов на реальных образцах, таких как речная вода и овощи (капуста и огурцы). К образцам добавлялись известные количества ACP и IMP. Полученные результаты показали высокую точность и воспроизводимость метода, что свидетельствует о надёжности системы для использования в реальных условиях.

Ещё один яркий результат — экологичный метод синтеза кумаринов, который не требует токсичных растворителей. Кумарины широко применяются в фармацевтике и косметике. Насколько этот метод может быть интересен промышленности? Готовы ли вы к масштабированию?

В результате исследования в лаборатории разработали экологичный метод синтеза кумаринов через реакцию Пекмана, использующий функционализированные органосиликатные катализаторы на основе пиридиниевых ионных жидкостей (PMO-Py-IL). Этот подход направлен на повышение эффективности и экологичности процесса получения кумаринов, которые являются важными соединениями с широким спектром применения в фармацевтике, пищевой промышленности, косметике и других областях. Разработана методология получения целевых продуктов с высокими выходами при мягких условиях и без применения токсичных растворителей.

В ходе исследования был проведен синтез функционализированных мезопористых органосиликатов с включением пиридиниевых ионных жидкостей (PMO-Py-IL). Для проверки каталитической активности PMO-Py-IL в синтезе кумаринов была проведена реакция Пекмана с использованием различных активированных фенолов и β-кетонных эфиров. Предложенный механизм реакции, катализируемый PMO-Py-IL, включает несколько стадий: переэтерификацию, внутримолекулярное алкилирование гидроксильной группы и дегидратацию. Катализатор способствует стабилизации интермедиатов и ускорению реакции благодаря своей высокой полярности и ионной природе, что приводит к более высоким выходам продукта по сравнению с традиционными методами.

Ключевой особенностью предложенной методологии является возможность многократного использования катализатора. PMO-Py-IL показал стабильную активность на протяжении 12 циклов реакции без значительной потери свойств. Проведенные исследования демонстрируют значительный потенциал этой системы для применения в промышленном синтезе кумаринов и других органических соединений. Данный катализатор сочетает высокую активность, стабильность и экологическую безопасность, что делает его перспективным кандидатом для использования в «зелёной» химии и производственных процессах. Кроме того, возможность синтеза новых производных кумарина, которые ранее не были описаны, расширяет область его применения в фармацевтике, агрохимии и других смежных областях.

В лаборатории также разработали новый протокол реакции Соногаширы, работающий при комнатной температуре. В чём заключалась суть нового подхода (разделение катализаторов на два потока) и почему это так важно для стабильности процесса?

Действительно, главным решением в разработанном протоколе реакции Соногаширы стало разделение палладиевого и медного катализаторов на два независимых потока растворов, которые подаются в реактор по отдельности. Этот подход критически важен для стабильности процесса, поскольку при смешивании соединений палладия и меди в одной ёмкости за считанные минуты происходит быстрое выпадение палладия в виде чёрного осадка, так называемой «палладиевой черни», что ведёт к дезактивации катализатора. Разделение потоков позволяет поддерживать каталитическую систему в растворённом гомогенном состоянии до момента её встречи непосредственно в реакторе, предотвращая преждевременную деградацию. Благодаря такому подходу удаётся избежать засорения проточной системы и обеспечить высокую воспроизводимость результатов. Реакцию удаётся проводить с высокими выходами в мягких условиях — при комнатной температуре и на воздухе, — преодолевая ключевые ограничения традиционных методов.

С какими вызовами вы сталкиваетесь при попытке внедрить лабораторные разработки в реальный сектор — в экологический мониторинг, пищевую промышленность или фармацевтику?

Внедрение научных разработок — краеугольный камень современной науки, но реальный сектор относится к ним с большим опасением. Часто бизнес опасается менять отлаженные процессы «под ключ»: изменение одного элемента грозит потерей заводской гарантии на весь цикл, а моментальная выгода от инновации производителю неочевидна.

Лаборатория служит учебным центром для студентов англоязычной магистерской программы «Биоэнергетика и продукты переработки биомассы». Как устроен учебный процесс? Какие навыки получают студенты, работая на оборудовании лаборатории?

Студенты и аспиранты находятся в центре ежедневной работы лаборатории. Они участвуют в планировании экспериментов, оптимизации реакций, настройке экспериментальных установок и анализе данных. Работая с самым современным оборудованием для (фото)проточных процессов, они получают практический опыт работы с передовыми «зелеными» технологиями, развивают критическое мышление и учатся самостоятельно планировать эксперименты.

В лаборатории идёт работа над дипломами бакалавров и магистров, а также над кандидатскими диссертациями Попадая в лабораторию, молодые учёные оказываются в профессиональной среде, где приобретаются необходимые знания, навыки и умения. Это происходит под контролем старших товарищей — тех, кто уже освоил оборудование.

У лаборатории есть партнёры — Уханьский технологический университет и Институт органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН. В каких совместных проектах они задействованы?

С Уханьским университетом идёт совместное создание новых электрохимических процессов, а также изучаются свойства новых материалов. С учеными ИОХ РАН ведутся совместные исследования в области аддитивных технологий и искусственного интеллекта.

Какие планы у лаборатории на ближайшие годы? Есть ли новые научные направления, которые вы хотели бы освоить?

Приоритетные направления включают углубленное изучение масштабируемых (фото)проточных реакций в органическом синтезе, электрохимических превращений и разработки технологий переработки отходов в ценные продукты, в том числе по концепции «waste-to-pharma», которые впоследствии можно будет передать в промышленность. Мы видим значительный потенциал в функционализации биологически активных соединений на поздней стадии, что позволит внести вклад в развитие отечественной фармацевтики.