Играют ли химики в лего

Размещено на http://www.allbest.ru/

Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН

Играют ли химики в лего

доктор химических наук

Александр Рулёв

В середине прошлого века в Дании начался выпуск детского конструктора, название которого, составленное из датских слов "leg" (игра) и "godt" (удовольствие), - LEGO, сегодня знает весь мир. Миллионы детей и взрослых с удовольствием превращают горы разноцветных пластмассовых кирпичиков в дома и автомобили, в роботов и монстров, в космодромы и межпланетные станции, в порты и корабли.

Конструктор LEGO (у нас принято писать ЛЕГО) насчитывает сотни различных тематических наборов. А недавно появился совсем особенный, из деталей которого можно собирать модели молекул химических соединений. Каждому химическому элементу достался свой цвет: водороду - белый, кислороду - красный, углероду - чёрный, азоту - синий, натрию - жёлтый... Строго следуя инструкции, из строительных блоков довольно легко собрать простенькую модель молекулы воды или более сложную молекулу пищевой соды. Ну а если немного отступить от инструкции и дать свободу воображению, можно сконструировать самые невероятные химические соединения. конструктор химический молекула додекаэдран

Учёные-химики, оказывается, тоже играют в конструктор. И с не меньшим удовольствием, чем дети. Только называется это - синтез, а вместо игрушечных "кирпичиков" используются химические строительные блоки - атомы и молекулы. Кстати, словосочетание "строительные блоки" ("building blocks") входит в лексикон химиков-синтетиков всего мира.

Согласно Большому энциклопедическому словарю, слово "синтез" означает мысленное или реальное соединение различных элементов объекта в единое целое, точь-в-точь как в ЛЕГО! Безусловно, самый искусный создатель химических веществ - это природа. Из простых молекул она способна собирать сложнейшие органические соединения, демонстрируя виртуозность, о которой химикам приходится покатолько мечтать. Вся гамма созданных природой молекул, этих крошечных "кирпичиков" конструктора под названием "синтез", и определяет разнообразие окружающего нас мира. Термин "синтез" вошёл в химический словарь задолго до возникновения идеи о молекулярной структуре веществ, ещё во времена господства атомной теории Дальтона. В середине XX века началась эра органического синтеза, связанная с именем американского химика-органика Роберта Вудворда.

Учёный обладал удивительной химической интуицией, о нём говорили как о человеке, способном "лепить" любые молекулы, и называли непревзойдённым королем синтеза. Вместе с коллегами из Гарвардского университета он осуществил казавшиеся нереальными синтезы сложных природных соединений. Среди них стероиды - кортизон и холестерин, алкалоиды - стрихнин, резерпин и колхицин, а также хлорофилл и витамин В 12. Тщательно спланированный синтез последнего включал почти сто стадий и длился несколько лет! Выступая на церемонии вручения Вудворду Нобелевской премии по химии за 1965 год, член Шведской королевской академии наук А. Фредга отметил: "Иногда говорят, что органический синтез представляет собой одновременно точную науку и изящное искусство. Здесь неоспоримый мастер - природа. Но я осмелюсь утверждать, что... доктор Вудворд по праву занимает второе место".

А много ли интересных конструкций можно сложить, используя "кирпичики" лишь одного типа, например атомы углерода? Если из них сплести сетки, составленные из шестиугольных колец, и расположить их слоями одну над другой, то получится модель всем хорошо знакомого графита. Если те же углеродные "кирпичики" соединить иначе, поместив их в вершины тетраэдра, возникнет другая аллотропная модификация углерода - алмаз. Наконец, если из 60 атомов углерода собрать сферу, включающую помимо шестиугольников еще и 12 пятичленных циклов, образуется похожая на футбольный мяч модель фуллерена С 60, молекула которого признана самой красивой на Земле. А когда в июле 2010 года большое количество фуллерена С 60 обнаружили в одной из планетарных туманностей, его молекулу стали считать ещё и одной из крупнейших, найденных в космосе (см. "Наука и жизнь" № 2, 2010 г., с. 16 и № 1, 2012 г., с. 81).

Что ещё можно сделать с графитовой поверхностью? Можно, например, свернуть в цилиндр, концы которого либо оставить открытыми, либо закрыть половинкой фуллерена. Образуется углеродная нанотрубка, по популярности не уступающая самому фуллерену. Наконец, отделив от объёмного кристалла графита один слой, можно получить графен - самый прочный и самый тонкий в мире материал толщиной всего в один атом углерода. Открытие фуллеренов и создание графена были отмечены Нобелевскими премиями в 1996 и 2010 годах (см. "Наука и жизнь № 1, 1997 г., с. 25 и № 11, 2010 г., с. 2).

Если столько разнообразных моделей можно построить из «кирпичиков" одного сорта, трудно даже представить, какие возможности открывает набор из нескольких типов деталей. Успехи в синтезе природных соединений, достигнутые в середине XX века, раззадорили химиков-синтетиков, и они задались целью научиться собирать молекулы, не только встречающиеся в природе, но и те, что придумали сами.

Поначалу плоды их фантазии были весьма скромными. Химики-органики стали создавать молекулы, имеющие формы правильных многогранников (так называемых Платоновых тел). Наряду с циклической формулой бензола, известной ещё со второй половины XIX века, появилось множество других, порой невероятных вариантов органических соединений. В начале 1870-х годов оригинальную призматическую структуру предложил немецкий химик А. Ладенбург. Но лишь сто лет спустя, в 1973-м, его американские коллеги Т. Кац и Н. Эктон смогли экспериментально подтвердить возможность её существования. Им удалось выделить углеводород, названный впоследствии призманом или бензолом Ладенбурга. Созданное творение оказалось весьма неустойчивым и легко взрывалось при повышении температуры. Столь же капризными показали себя некоторые члены семейства кубанов. Первый углеводород этой группы "собрали" в 1964 году профессор Чикагского университета Ф. Итон и его коллега Т. Коль. Полтора десятилетия спустя немецкий химик Г. Майер получил тетраэдран, все четыре вершины которого "украшены" группами C(CH3)3. А вот сконструировать незамещённый тетраэдран до сих пор никому не удалось.

Долгое время химиков занимала идея собрать додекаэдран, все двенадцать граней которого представляют собой правильные пятиугольники. Задачка оказалась не под силу даже великому Вудворду: его сложнейший проект провалился на завершающей, восемнадцатой стадии синтеза. Но счастье всё же улыбнулось учёным из университета штата Огайо во главе с профессором Л. Пакетом. В 1982 году они завершили трудоёмкий двадцатитрёхстадийный синтез этой молекулы.

Сборка химических Платоновых тел далеко не единственная мечта молекулярных дизайнеров. Оказалось, что "кирпичики" всего лишь двух видов - углерода и водорода - можно объединить миллионами различных способов, породив множество удивительных структур. Среди них семейство углеводородов, получивших за экзотическую форму углеродного скелета общее название "астераны" (от греческого "адхери" - звезда). Примеры такого рода соединений - три-, тетраи гексаастераны, а также пагодан, напоминающий по форме китайскую пагоду. Простейший представитель этого семейства - триастеран - был получен без особых проблем в 1965 году. Создание же его гомологов потребовало многих лет кропотливого труда.

Не менее интересными структурами наполнен мир циклофанов - макроциклических молекул, в которых ароматические кольца соединены цепочками из нескольких атомов углерода. Первый из этого класса соединений - [2,2] парациклофан - получил в 1951 году лауреат Нобелевской премии по химии американец Д. Крам. А почти три десятилетия спустя профессор Орегонского университета В. Бокельхейд синтезировал суперфан, в котором все атомы углерода двух ароматических фрагментов связаны не непосредственно, а алифатическими мостиками. Интересно, что обычно плоские бензольные кольца в этом соединении изогнуты под углом 20 градусов, так что в целом молекула становится похожей на надутый воздушный шар, в который, как показали недавно испанские химики, можно поместить атом какого-либо металла.

Если эти и ещё более сложные полициклические углеводороды успешно синтезированы, то другие структуры оказались учёным не по зубам. Так, в 1982 году израильский химик Д. Гинзбург опубликовал в серьёзном научном журнале в качестве шутки статью, в которой описал придуманные им молекулы гельветана и израилана. Прообразом первой структуры стал швейцарский крест (от латинского "Helvetia" - Швейцария). Вторая же представляет собой молекулярную копию израильского Могендовида - шестиконечной звезды Давида. Собрать эти оригинальные модели в лаборатории до сих пор никто из химиков не смог.

Из игрушечных строительных блоков удалось воссоздать невозможные лестницы, которые нарисовал знаменитый нидерландский художник-график Мауриц Корнелис Эшер (1898-- 1972). А химики-органики построили "молекулярные лестницы", которые довольно долго считали не более чем оригинальной идеей. Недавно такие макромолекулы удалось обнаружить в природе. Предполагают, что их можно будет использовать в качестве спейсеров при синтезе трёхмерных каркасных структур различной жёсткости, а также при создании материалов с необычными свойствами.

Во второй половине XX века химики создали молекулярные модели древних летающих рептилий, также относящиеся к этому типу соединений. Первым их представителем стал птеродактиладиен, содержащий четыре аннелированных (имеющих как минимум два общих атома углерода) четырёхчленных кольца.

Используя весь предоставленный природой набор "кирпичиков", нынешние химики способны соединять в цепи кольцеобразные молекулы, надевать их на оси, завязывать в узлы или скручивать в ленту Мёбиуса. Они научились создавать реальные супрамолекулярные ансамбли, поражающие изяществом архитектуры. Среди них и такие каркасные структуры, облик которых несложно представить по их ярким названиям: пропелланы, саркофагины, сферанды, карцеранды и другие. Дизайнерам органического синтеза удалось сконструировать молекулярный дубликат кубка чемпионата мира по футболу, построенный из молекул каликсарена и фуллерена. Синтез этого шедевра его создатели завершили во время чемпионата 1998 года и посвятили французской команде, победившей в финальном матче сборную Бразилии.

Ещё химические дизайнеры синтезировали древообразные молекулы - дендримеры, ветви которых по красоте и разнообразию могут соперничать с кронами самых удивительных деревьев и кустарников. А на химическом факультете МГУ "вырастили" уникальный химический "подсолнух". Название этого высокосимметричного октатио[8]циркулена (sulflower) происходит от английских слов " sulfur" - сера и "flower" - цветок (по аналогии с sunflower - подсолнух).

Начало XXI века было отмечено синтезом антропоморфных молекул. В 2003 году химики из университета Райса в Хьюстоне С. Шанто и Д. Тур "собрали" молекулы размером 2 нм*, напоминающие человеческие фигурки. По аналогии с лилипутами из "Путешествия Гулливера" Джонатана Свифта, авторы назвали новые соединения нанопутами (Nanoputians). Используя незамысловатые приёмы и методы органической химии, учёные той же лаборатории создали наноребёнка, который при желании легко может стать наношкольником, нанопрофессором или даже нанопрезидентом. Позже они же получили оригинальный полимер, постро енныи из "взявшихся за руки" нанопутов.

Чтобы облегчить жизнь своим наночеловечкам, химики сконструировали для них наномобиль. Он состоит всего из одной молекулы, а в качестве колёс используются фуллерены. Не останавливаясь на достигнутом, создатели наномобиля вскоре значительно усовершенствовали первоначальную модель, заменив фуллереновые колёса на карборановые и оснастив её двигателем, энергией для которого служит свет с длиной волны 365 нм.

А может, все эти игры - просто забава? Безусловно, нет. Успешный синтез множества оригинальных структур не только обогащает теоретическую органическую химию идеями, но и даёт начало новым направлениям исследований. Продуктами органического синтеза становятся биологически активные препараты, катализаторы, материалы с уникальными свойствами. Весьма вероятно, что молекулярные машины, подобные недавно выпущенному наномобилю для нанопутов, будут использовать при создании компьютерных чипов или эффективных катализаторов. Циклофаны, например, способны селективно (избирательно) извлекать нужные вещества из многокомпонентных смесей.

Большое будущее сулят также крошечным шарикам и трубочкам, построенным из углерода: они могут быть лекарством (или средством доставки лекарств к определённому органу), перспективным материалом для наноэлектроники и оригинальным хранилищем энергоресурсов.

Уже не кажется абсолютно фантастической идея создания космического лифта высотой 96 километров, которыи намерены построить к середине XXI века японские и американские учёные. В проекте предусмотрено, что материалом для троса послужат углеродные нанотрубки. Любопытно, что ещё в 1960 году русский инженер Ю.Н. Арцутанов в статье "В космос - на электровозе" рассматривал данную идею как экономически выгодный и безопасный способ выхода на орбиту.

Похоже, самые фантастические соединения, синтезированные химиками, скоро найдут практическое применение, ибо, как утверждал философ, то, что считается "мусором сегодняшнего дня, может стать сокровищем будущего". А человек играющий (Homo Ludens), в детстве с увлечением собиравший модели из конструктора, проявит изобретательность и создаст такие молекулярные конструкции, которые смогут изменить мир.

Размещено на Allbest.ru