Из чего всё сделано? Рассказы о веществе

Играем в шахматы с природой

Вам когда-нибудь приходилось разбирать старый механический будильник на части? Наверняка вы это делали. Интересно же знать, почему ходят стрелки, почему он тикает и звенит. И вообще — как он устроен внутри. Оказывается, сколько же в нем самых разных винтиков, шестерёнок, осей! Даже есть крошечный молоточек, который бьёт по звонкому куполу, когда вы поставили будильник на определённое время, чтобы он разбудил вас.

А удавалось ли вам когда-нибудь решить обратную задачу — собрать из этих деталей тот самый будильник, который вы только что распотрошили? И чтобы при этом ещё и стрелки двигались? Готова поспорить, что нет, если только вам не помогал папа. Потому что разбирать на части гораздо проще, чем собирать. Хоть будильник, хоть дом, хоть молекулу.

Первая мысль, которая приходит в голову любому настоящему химику, только что установившему структуру молекулы неизвестного вещества, очень проста — как её сделать самому? Как повторить природу? Собрать нужное количество разных атомов в колбе и хорошенько встряхнуть, чтобы получилось желаемое вещество, не получится — атомы не существуют сами по себе, они всегда связаны с другими, они живут внутри молекул разнообразных соединений. Значит, надо брать разные вещества и заставлять их взаимодействовать друг с другом. Затем получившееся вещество запускать в реакции с другими. И так, шаг за шагом, приближаться к цели. Ведь мы должны получить вполне определённую молекулу со своим неповторимым узором, где каждый атом стоит на заданном месте в окружении других, строго определённых атомов. Мы должны собрать будильник, который будет работать.

Получение желаемого вещества из других, имеющихся в нашем распоряжении, называют синтезом. Знаменитый американский химик, нобелевский лауреат по химии Роберт Вудворд сравнивал это увлекательное занятие с игрой в шахматы с природой. Химик делает свой ход — проводит реакцию между двумя веществами. Природа отвечает ему, выдавая продукт реакции, порой неожиданный. Химик шевелит мозгами и делает следующий ход — запускает только что полученное вещество в новую реакцию. Природа отвечает... Эта шахматная партия может длиться годами. Случается, она заходит в тупик — химик получает мат. И всё приходится начинать сначала. И снова — десятки и сотни ходов, пока не будет найден кратчайший путь получения того заветного вещества, ради которого и разыгрывалась партия.

В случае с ализарином «партия» длилась 43 года и завершилась в 1869 году. Уже через два года заводы начали производить этот знаменитый красный краситель. Роберт Вудворд приступил к синтезу витамина В12 с очень сложной, большой молекулой в начале 1960-х годов и бился над ним одиннадцать лет, притом что в работе ему помогали швейцарский коллега Альберт Эшенмозер и около ста студентов и аспирантов Гарвардского университета. Оказалось, что кратчайший путь к витамину В12 включает сто различных последовательных реакций! А синтез хлорофилла, того самого вещества, которое окрашивает листья и траву в зелёный цвет, потребовал четырёх лет и включал в себя около сорока последовательных реакций.

Случается и так, что химик задумывает одно, а получает совсем другое — так диктуют законы природы и непредвиденные обстоятельства. В 1856 году восемнадцатилетний англичанин Уильям Генри Перкин решил из каменноугольной смолы синтезировать природное вещество хинин. Оно содержится в коре хинного дерева. Если жевать эту кору, то можно излечиться от малярии. Деревьев на всех не напасёшься, поэтому нужно было придумать, как сделать это вещество в обход природы, из подручных веществ. Перкин экспериментировал в домашней лаборатории. Он уже спланировал последовательность своих действий, то есть схему синтеза, как скажут химики. Но тут вмешался случай.

Исходные вещества, которые использовал молодой студент, были не очень чистыми, в них содержалось некоторое количество постороннего вещества — анилина. И реакция пошла так, как сочла нужным природа, — вместо желанного хинина неожиданно получилось вещество красивого фиолетового цвета, доселе неизвестное. Перкин назвал его мовеином. Это был первый синтетический краситель, которого нет в природе.

Перкин сумел по-хозяйски распорядиться своим открытием. Уже через год заработала его фабрика, производящая мовеин, и он стал богатым человеком. К чести Перкина, он не забросил после этого занятия наукой, а принялся за исследования с удвоенной энергией. И передал свою любовь к химии сыну, тоже Уильяму Генри Перкину, которого, чтобы не путать с отцом, называют младшим. Тот тоже стал известным химиком.

А хинин, кстати, удалось синтезировать лишь в 1944 году, спустя 88 лет после задумки Уильяма Генри Перкина-старшего. Как вы думаете, кто это сделал? Роберт Вудворд! Вот уж кто был великим синтетиком.