На что способны химики

Изучение химии, видимо, развивает многие скрытые в человеке способности. Как еще объяснить тот факт, что немало химиков стали музыкантами, писателями, политическими деятелями? Самый известный пример – химик и музыкант А. П. Бородин. Менее известно, что американский писатель А. Азимов (он опубликовал рекордное число книг – более 400!) был профессором биохимии. Профессиональным химиком, автором 110 патентов был и первый президент Израиля Хаим Вейцман. Химическое образование получила и Маргарет Тэтчер. Так что, как остроумно заметил академик Ю. А. Золотов, «широко простирают химики руки свои в дела человеческие».

В этой заметке речь пойдет только о достижениях химиков в своей родной вотчине. «Артистизм и элегантность» – так была названа статья, посвященная гению органического синтеза Роберту Вудворду (1917–1979). Проведенные Вудвордом в 40–70-х гг. классические синтезы природных соединений – хинина, стрихнина, резерпина и особенно витамина В12 – стали образцом искусства органического синтеза. А каковы новые достижения химиков-синтетиков? Некоторые из них были представлены в заметке «Диковинки в мире молекул». Но это далеко не все, на что способны химики.

Известно, что четыре разных заместителя у атома углерода (такой атом называется асимметрическим) придают молекуле асимметрию – хиральность. Самая маленькая хиральная молекула – метан, в котором три атома водорода замещены на разные атомы галогена. Еще в 1893 г. бельгийский химик Фредерик Свартс, один из пионеров в изучении фторорганических соединений (его именем названа одна из органических реакций), синтезировал бромхлорфторметан. Однако полученное соединение было оптически неактивным, так как представляло собой рацемическую смесь правых и левых молекул CHBrClF. Эту смесь сумели разделить методом газовой хроматографии только в 1996 г.

Самая легкая хиральная молекула, дейтеротритиевое производное этана CH3CHDT, была синтезирована в 1997 г. группой из восьми американских химиков. Сделано это было не из праздного любопытства и тем более не в погоне за рекордом (в по следнем случае следовало бы синтезировать производное метана, например CHDTLi): это экзотическое вещество было нужно для изучения механизма и стереохимии ферментативного окисления этана до этилового спирта.

Хиральность молекулы может быть связана не только с присутствием в молекуле асимметрического атома углерода, но и с ее жесткостью, когда две симметричные формы не могут переходить друг в друга. Самая простая из таких молекул с осевой хиральностью – дважды дейтерированный аллен DHC=C=CHD, который был получен в 1997 г. и может иметь цис – или транс -форму (они отличаются взаимным расположением в плоскости атомов водорода и дейтерия у одного из атомов углерода). Максимальное же число хиральных центров (64) содержится в синтезированном в 1994 г. коралловом яде палитоксине, о котором говорилось в рассказе о ядах. Достойно упоминания, что теоретически такая структура может существовать в виде 1,8 · 1019 (!) стереоизомеров, и только один из них (который и был синтезирован) соответствует природному токсину.

Не следует думать, что каждый подобный синтез требует проведения многостадийных реакций (Вудворд, например, упоминал о 100-стадийном синтезе). Так, группа американских химиков, возглавляемая И. Патерсоном, синтезировала в 1992 г. молекулу с четырьмя новыми хиральными центрами всего в две стадии: сначала на кетон С2Н5СН(СН3)СОС2Н5 подействовали 2-метилпропеналем, а затем прогидрировали продукт реакции. Таким образом, на каждый новый хиральный центр потребовалось всего полстадии. Эти синтезы – свидетельство замечательных успехов в стереохимическом контроле химических реакций, которых достигла современная органическая химия.

И все же «природные химики» – ферменты пока остаются вне досягаемости. Так, уже упомянутый полный синтез витамина В12, проведенный Р. Вудвордом в США и А. Эшенмозером в Швейцарии, потребовал 10 лет работы почти 130 химиков. В 1994 г. под «наблюдением» А. И. Скотта и его сотрудников значительную часть этой работы выполнили всего за 15 часов 12 ферментов: их загрузили в колбу вместе с очень простым веществом – 5-аминолевулиновой кислотой H2NCH2COCH2CH2COOH. Этот синтез является также рекордным по количеству разных веществ, участвовавших в реакции. Если же исключить из рассмотрения ферментативные процессы, то самую многокомпонентную реакцию провели в 1993 г. немецкие химики А. Дёмлинг и И. Уги. Смешав в одной колбе семь(!) реагентов: изомасляный альдегид (CH3)2CHCHO, бромизомасляный альдегид (CH3)2CBrCHO, трет -бутилизонитрил (CH3)3C–NC, метанол CH3OH, гидросульфид натрия NaSH, аммиак NH3 и диоксид углерода CO2, они получили с выходом 43 % производное 1,3-тиазолидина.

Схема синтеза 1,3-тиазолидина

Достойно упоминания, что подобные синтезы с участием изонитрилов (только с меньшим числом компонентов) Уги разработал еще в начале 60-х гг., и эти реакции носят его имя.

Химикам-синтетикам помогают в работе не только ферменты. Уже давно многие синтезы планируют компьютеры. Одна из наиболее показательных в этом плане работ была выполнена в 1992 г., когда компьютер предложил 72 так называемые перициклические реакции синтеза сопряженных диенов. Из этих реакций две оказались принципиально новыми, и они были реализованы в лаборатории. В одной из них циклический тритиокарбонат нагрели с замещенным фосфином и получили почти со 100%-ным выходом 1,3-бутадиен (наряду с сероуглеродом). Этот синтез считается первой осуществленной химической реакцией, которую «изобрел» компьютер:

Случаются и «рекорды», которые никакой славы их авторам не приносят. Скорее наоборот. Речь идет об ошибках и заблуждениях химиков. С древности известен силлогизм, который вошел в учебники логики: «Людям свойственно ошибаться. Кай – человек, следовательно, Кай может ошибаться». Остроумные химики «перевернули» этот силлогизм, получив ложный: «Людям свойственно ошибаться. Ученые – люди. Следовательно, ошибаться – научно». В научных исследованиях ошибки неизбежны, и ученые должны предвидеть возможность их появления в своей работе. Один из методов исследования так и называется – «метод проб и ошибок». Ошибки бывают вызваны как объективными, так и субъективными причинами. Здесь мы не будем рассматривать так называемую патологическую науку (по определению американского физикохимика Ирвинга Ленгмюра), когда где речь идет о явной фальсификации.

Более интересны случаи ненамеренных ошибок, вызванных, например, трудностями эксперимента, или неправильной его интерпретацией, или недостатком данных либо имеющихся знаний. Конечно, самый известный пример заблуждений – это знаменитая теория флогистона, разработанная в 1697 г. немецким химиком и врачом Георгом Шталем. Несмотря на свою ошибочность, эта теория сыграла положительную роль в истории химии – она объединила в единую науку разрозненные сведения о горении, коррозии, восстановлении металлов из руд, взаимодействие кислот и щелочей и т. д. Интересный факт: американский преподаватель химии Дж. Скотт опубликовал в 1952 г. статью, в которой, используя флогистон в качестве одного из «реагентов», записал уравнения ряда химических реакций и тем показал адекватность теории флогистона, по крайней мере, с качественной точки зрения. Фактически с теории флогистона началась современная химия.

Современным примером ошибочной теории может служить история с «модифицированной водой». Группа отечественных ученых под руководством Б. В. Дерягина в течение ряда лет публиковала результаты, свидетельствующие якобы о новой форме «полимерной воды», которая обладает удивительными свойствам: кипит при 300 °С, имеет высокую вязкость и т. д. Сначала эти результаты как будто подтвердились в ряде зарубежных лабораторий, но затем выяснилось, что «новый тип воды» – это просто водный раствор примесей. В этой связи интересно отметить, что Артур Адамсон, автор изданного в США учебника физической химии, упомянул Б. В. Дерягина в качестве примера ученого, честно и открыто признавшего ошибочность своих прежних работ. Более «свежий» пример – так называемый «холодный термояд»: протекание ядерной реакции при комнатной температуре в ходе электрохимической реакции.