Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали два новых азокрасителя — оранжевый и коричневый. Это искусственно синтезированные соединения, которые выдерживают нагрев до 280 °C и не распадаются на канцерогенные ароматические амины (анилин, бензидин) в отличие от аналогов, а также дают яркие оттенки и доступны по цене. При этом обычные азокрасители разрушаются при 150–200 °C, теряют цвет и выделяют опасные вещества, а альтернативные термостойкие заменители либо дороги, либо токсичны, либо окрашивают только в синий и зеленый.
Азосоединения — это вещества с группой из двух атомов азота. Именно она отвечает за желтый, красный, оранжевый и коричневый цвета. Переставляя соседние атомы и группы, химики получают разные оттенки — как художник на палитре.
Однако у таких веществ есть слабое место — под воздействием времени и температуры они теряют цвет. При 150-200 °C азогруппа разрушается: краситель теряет цвет или даже распадается на токсичные фрагменты — например, ароматические амины (анилин и бензидин). Они обладают канцерогенными свойствами и при долгом контакте могут вызвать рак, что делает их опасными для здоровья. Эта ситуация особенно критична при нагреве, а он неизбежен при производстве пластика (180–250 °C), глажке одежды (200–220 °C) и горячей сушке тканей (150–220 °C).
Другой класс красителей — антрахиноновые и фталоцианиновые соединения — хорошо переносят высокие температуры, но они в 5–10 раз дороже обычных азосоединений. Другие окрашивают только в синий или зеленый цвета. Третьи содержат токсичные металлы — кадмий или свинец, которые могут накапливаться в организме и поражать почки, печень и нервную систему. Поэтому такие красители не используют в детских игрушках и пищевой упаковке.
Химики из Пермского Политеха не стали заменять азосоединения, а устранили их главный недостаток. Они создали два термостойких азокрасителя — оранжевый и коричневый. Новые соединения сохранили яркость и доступную цену, но перестали бояться высокой температуры. Они выдерживают до 280 °C — это на 60–87% выше, чем у обычных аналогов.
«В основе нашей разработки лежит вещество 3-аминоацетофенон. В химии оно известно как стабильный реагент для синтеза органических соединений и некоторых красителей. Мы взяли его и превратили в активную форму — особую соль, которая легко вступает в реакции. Затем соединили с двумя разными веществами: один дал оранжевый цвет, другой — коричневый. Меняя эти соединения, например, другие фенолы, можно получать новые оттенки — желтые, красные, синие», — рассказал заведующий кафедрой «Химические технологии и экология» Березниковского филиала ПНИПУ, кандидат химических наук Михаил Куликов.
По его словам, реакцию проводили в холодной щелочной среде, а после обработали кислотой и промыли водой.
«В итоге получили порошки с выходами 78 % и 80 % — для химического синтеза это очень хороший результат, почти все сырье превратилось в готовый краситель», — подытожил ученый.
Новые красители не растворяются в воде — это исключает вымывание из материала. Они легко взаимодействуют с органическими средами и щелочами, что упрощает нанесение. Однако после синтеза в соединениях остаются примеси — они ухудшают цвет и могут быть вредны. Ученые разработали способ очистки: оранжевый краситель обрабатывают специальной жидкостью (диметилформамидом), затем добавляют воду, и чистый краситель оседает на дно. Коричневый краситель растворяют в спирте и медленно охлаждают — чистые кристаллы образуются сами собой.
Следующим шагом ученые проверили сохранение цвета при высокой температуре, используя метод дифференциально-термического анализа. Образцы поместили в печь и постепенно нагревали, фиксируя все изменения.
«Результаты показали, что оранжевое соединение стабильно вплоть до 280 °C. Оно плавится, но не разрушается. Полное разложение начинается только при этой температуре и сопровождается образованием аморфного углерода — безвредного черного порошка, вроде сажи или графита, — и газов. Никаких токсичных ароматических аминов, которые характерны для обычных азокрасителей, при этом не образуется», — пояснил Михаил Куликов.
Как отмечают ученые, большинство промышленных азосоединений начинают разлагаться при 150–200 °C, а новая разработка выдерживает нагрев на 60–87 % выше. Если ткань с обычным азокрасителем заметно выцветает после 50–70 горячих стирок и глажек, то с новым красителем она сохраняет яркость в 1,5–2 раза дольше. Такая устойчивость позволит использовать новые красители в производстве пластика (формовка при 180–250 °C) и при окрашивании тканей с последующей горячей сушкой.
Важно, что молекулы новых красителей устроены как строительные блоки: у них есть «разъемы» для прикрепления других «деталей», в том числе биологически активных веществ. Это превращает разработку в многофункциональный конструктор: из красителя можно получить вещества с противомикробными свойствами — халконы и азометины.
Таким образом, яркость, высокая термостойкость, доступная цена и возможность химической модификации делают новые азосоединения основой для создания красителей нового поколения. Они безопасны, устойчивы к нагреву и подходят для самых разных отраслей: от текстильной промышленности до производства пластиковой упаковки и антимикробных покрытий.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»).
Изображение: Пермский Политех/ИИ
