Аркадий Курамшин - Жизнь замечательных веществ

В 1985 году Ричард Смолли и Гарольд Крото сообщили о том, что в углеродной плазме методом масс-спектрометрии (метод, позволяющий измерять молекулярные массы веществ и продуктов их распада) ими были обнаружены сигналы, как тогда казалось, странным образом соответствующие формуле С 60. Несмотря на отсутствие в то время иных свидетельств, кроме информации о массе частицы, они предположили, что С 60должны образовывать форму искаженного икосаэдра, и окрестили их бакминстерфуллеренами. Построив модель фуллерена С 60, Смолли и Крото пришли к выводу о том, что такая частица должна быть устойчива, поскольку вся объемная клетка С 60представляет собой ароматическую систему, для разрушения которой надо затратить значительное количество энергии.

В 1990 году интуиция Смолли и Крото подтвердилась – международная группа исследователей из США и Германии разработала способ получения углеродной плазмы с высоким содержанием фуллерена С 60, и им удалось наработать достаточное количество образцов для того, чтобы сканирующая электронная микроскопия смогла предоставить изображение фуллеренов и подтвердила идею, выдвинутую Смолли и Крото, и в итоге Смолли и Крото в 1996 году получили Нобелевскую премию по химии.

Есть ли у фуллеренов какое-то применение или это просто красивая молекула, просто ещё раз позволяющая химикам почувствовать себя повелителями вещества? На самом деле есть, но, если честно, они не так популяризованы, как их ближайший родственник – графен, двумерный гексагональный кристалл углерода, тоже, кстати, отмеченный Нобелевской премией, но по физике (2010 год). Фуллерены обладают низким коэффициентом трения, и поэтому разрабатываются рецептуры машинных масел с добавками фуллеренов; фуллерены рассматривают как потенциальные «емкости» для хранения водорода в водородной энергетике; рассматривается возможность применения фуллеренов в фотодинамической терапии рака: С 60при облучении на воздухе способствует образованию активного синглетного кислорода, индуцирующего смерть опухолевых клеток. Правда, говоря начистоту, фуллерены являются лишь стартовыми моделями для изучения возможностей такого применения, и после доказательства способностей каркасных соединений углерода решать какую-то практическую задачу исследователи обычно пытаются работать с более дешевыми аналогами фуллеренов – углеродными нанотрубками.

Недавно астрономы из Университета Западного Онтарио и Корнеллского университета установили, что фуллерены С 60и С 80существуют в планетарной туманности Tc 1 (на расстоянии более чем 6000 световых лет от нас в созвездии Жертвенника), что опровергло бытовавшую среди космохимиков идею о том, что молекулы с большим количеством атомов не могут образоваться в межзвездном космическом пространстве. Правда, в космосе фуллерены получаются примерно в тех же условиях, что и в лаборатории – из углеродной плазмы, образующейся из старых углеродных звезд.

Может быть, фуллерены и не так широко применяются на практике, а в ряде случаев даже разочаровали исследователей, «ставивших» на них, но, тем не менее, открытие фуллерена и подтверждение его структуры стали определяющими факторами для дальнейшего поиска и разработки углеродных наноматериалов – графена и углеродных нанотрубок (кстати, о последних говорят как о потенциальных компонентах ультрапрочных и ультралегких конструкционных материалов, что, несомненно, понравилось бы Ричарду Бакминстеру Фуллеру).

Циановодород (его раствор в воде называют синильной кислотой) представляет собой простую небольшую по размеру молекулу с линейным строением H – C≡N. Атом азота связан с атомом углерода прочной тройной связью, в то время как связь Н – С менее прочна, и ее гетеролитический разрыв приводит к образованию цианид-аниона – CN —.

Цианид-анион образует прочные координационные связи с металлами, и это его свойство применяется в золотодобывающей промышленности. Золотосодержащую породу перемешивают в растворе цианида натрия, пробулькивая через этот раствор воздух. При этом происходит растворение золота и образование растворимых комплексов золота. Эта реакция называется реакцией Эльснера:

4Au + 8NaCN + O 2 + 2H 2 O → 4Na[Au(CN) 2 ] + 4NaOH

Таким образом можно отмыть золото от породы в виде комплекса, а затем восстановить комплекс до металлического золота химическим или электрохимическим способом. Для очистки такого рода требуется большое количество цианидов, и хотя происходит их рециклизация, из-за опасности случайного попадания большого количества цианидов в окружающую среду процесс золотодобычи считается процессом опасным как для окружающей среды, так и для людей, занятых в этом процессе.

Существует легенда о происходившем во времена СССР ряде случаев хищения золота с Ленских приисков: отправляясь на Большую землю, расхитители социалистической собственности разливали золотосодержащий раствор по бутылкам из-под минеральной воды и без проблем проходили весьма тщательный досмотр в аэропорту. Правда, хищения длились недолго – поскольку плотность (масса, сосредоточенная в единице объёма) золотосодержащего раствора выше, чем плотность нарзана, бутылки на досмотре стали просто взвешивать.

Цианид-анион является одним из наиболее быстродействующих ядов; цианид калия можно считать химическим веществом-героем многочисленных детективных и шпионских романов и рассказов: в них цианид калия выступает и как любимый яд отравителей, и как средство, с помощью которого провалившийся шпион мог избежать допроса с пристрастием. В американском фильме про заговор полковника Штауффенберга в критический момент, когда командующий резервным батальоном майор Ремер решает, какой из двух взаимоисключающих приказов ему выполнять, Геббельс незаметно крутит в руках капсулу, вероятно, с цианидом.

Когда цианид-ионы попадают в организм человека, они быстро проходят через клеточную мембрану и взаимодействуют с атомами железа внутри клеток. Связывание с железом приводит к ингибированию (понижению эффективности вплоть до нулевой) фермента цитохром-С-оксидазы; это ингибирование происходит в митохондриях. Ингибируемый фермент критически важен для подержания жизни, так как он катализирует завершающую стадию окисления глюкозы. Ингибирование фермента приводит к тому, что источник энергии для организма «пересыхает», что немедленно влияет на центральную нервную систему и сердце. Связывание цианид-иона с оксидазой можно считать необратимым – регенерировать фермент и заставит его работать «нормально» можно только в результате взаимодействия пораженного цианидом фермента с соответствующим антидотом. При отравлении цианидом человек теряет сознание и хотя ещё и продолжает дышать, частота сокращений сердца понижается, что в итоге приводит к смерти.