Михаил Левицкий - Карнавал молекул. Химия необычная и забавная

Если каждый исходный реагент содержит не две, а три реагирующие группы, то их взаимодействие приводит к образованию сшитой полимерной сетки (рис. 6.9).

Попутно выяснилось, что в качестве катализатора можно использовать также металлическую медь. Благодаря этому скорость образования сшитых полимерных цепей можно весьма эффектно продемонстрировать: на торцевую поверхность медного цилиндра наносят азидсодержащий реагент, а на торец второго цилиндра – ацетиленсодержащий, затем торцы плотно соединяют. Склеивание происходит почти мгновенно, а получающийся шов необычайно прочен.

Если в прежние годы имя Шарплесса связывали с асимметрическим катализом окисления, то в настоящее время Барри Шарплесса и Валерия Фокина называют создателями клик-химии.

Из предыдущего раздела вы узнали, как возник новый раздел в химической науке – клик-химия (click-chemistry), но это не единственный пример того, как «увенчанный лаврами» ученый добивается очередного успеха.

Французский химик Жан-Мари Лен (рис. 6.10) получил прекрасную научную подготовку. Защитив в Страсбургском университете диссертацию (1963), он год стажировался в лаборатории Р.Б. Вудворда (нобелевский лауреат 1965 г.) в Гарвардском университете, где принял участие в выдающемся предприятии Вудворда – знаменитом синтезе витамина В 12.

Кроме того, он прослушал курс квантовой химии и выполнил первые вычисления под руководством Р. Хоффмана (лауреат Нобелевской премии 1981 г.). Можно сказать, что два нобелевских лауреата подготовили нового будущего обладателя этой премии.

Солидный багаж приобретенных знаний сделал Лена специалистом, который мог сочетать знание органической и квантовой химии и физических методов исследования. Предстояло лишь найти точку приложения накопленного научного потенциала.

Лен заинтересовался процессами, происходящими в нервной системе, связанными с транспортом ионов натрия и калия через клеточную мембрану. Он решил синтезировать химические вещества, которые могли бы воздействовать на процессы переноса ионов. Поиски привели к созданию криптандов (от греческого слова, означающего «скрытый», этот же корень слова использован в названии криптона). Криптанды представляют собой по существу объемные краун-эфиры, собранные из мостиков -СН 2-СН 2-О-СН 2-СН 2– с атомами азота в узловых точках. Они способны избирательно связывать ионы металлов, захватывая их во внутреннюю полость молекулы и удерживая за счет полярных взаимодействий (на рис. 6.11 слева показана шарострежневая модель, справа – структурная формула криптанда).

Объединив свои исследования с результатами, полученными другими авторами при изучении краун-эфиров, Лен сформулировал новое направление в химии, названное им супрамолекулярной химией. Если обычная химия изучает реакции, при которых происходит разрыв и образование валентных связей, то супрамолекулярная химия рассматривает невалентные взаимодействия – водородные связи, полярные взаимодействия, гидрофобные силы и др., т. е. структуры, образованные без химических связей. В 1987 г. исследования Лена были отмечены Нобелевской премией (совместно с Д. Крамом и Ч. Педерсеном).

Современная супрамолекулярная химия – это обширная область, которая решает множество различных прикладных задач: разделение и очистку органических веществ, создание лекарственных препаратов нового поколения и др.

Не каждому ученому выпадает честь создать новое научное направление, в последующем развитии которого принимают участие сотни химиков разных стран. Тем не менее Лен сумел «отойти в сторону» от возникшего мощного потока исследований и найти новую научную магистраль.

Поскольку далее мы будем использовать термин «комбинаторика», знакомый из школьных уроков математики, попробуем решить простую задачу из этой области. Встретилась группа друзей, и каждый обменялся рукопожатием со всеми присутствующими. Сколько всего было рукопожатий? Естественно, ответ зависит от того, сколько в группе было человек. Комбинаторика предлагает широко известную общую формулу для количества сочетаний: C n k= n!/k!(n – k)! где n – количество участников, а k – размер объединенной группы (в нашем случае рукопожатие объединяет людей в группу из двух элементов, т. е. k = 2). На примере этой задачи легко убедиться, что не всегда следует проводить вычисления по формуле. Если в группе два человека, то вы без всяких вычислений скажете, что рукопожатие было только одно. Точно так же вы сразу мысленно найдете правильный ответ для трех человек – три рукопожатия. А если четыре человека? Почему-то многие сразу говорят, что четыре рукопожатия, большинство так сразу и отвечает (проверьте это на своих знакомых), но это неправильный ответ. Самое интересное, что для получения правильного ответа не требуется проводить расчеты по формуле. Для четырех человек задачу легко решить в уме, представив себе квадрат, у которого надо пересчитать все стороны и диагонали. Как только вы мысленно представите себе такой квадрат, сразу найдете правильный ответ – шесть рукопожатий. В случае пяти человек мысленно найти ответ непросто, зато можно легко нарисовать пятиугольник, провести и пересчитать в нем все диагонали и прибавить число сторон, ответ будет очевиден – десять рукопожатий, вновь обошлись без вычислений (рис. 6.12).

При переходе к шести участникам все же проще, пожалуй, воспользоваться формулой. Итак, в каждом конкретном случае можно выбирать оптимальный путь, быстро приводящий к успеху.

Цель многих биохимических опытов – из множества возможных веществ найти самое эффективное. Например, требуется определить, какое соединение из большой группы намеченных для исследования окажется самым результативным для связывания некоего фермента – биологического катализатора (рис. 6.13). Традиционная методика выглядит следующим образом: изучаемый фермент помещают в блок из 10–12 пипеток и добавляют в дозированном количестве к десяткам или сотням изучаемых реагентов – предполагаемых блокаторов, чаще их называют ингибиторами. Эти реагенты, как правило, представляют собой группу близких по строению соединений.