Ларс Орстрём - Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша

Рисунок 47.L-допа и D-допа – зеркальные молекулы, отличающиеся, как левая и правая руки. Для лечения болезни Паркинсона подходит только левша.

Рисунок 48.Автомобили для правостороннего и левостороннего движения тоже являются зеркальными отражениями друг друга; химики назвали бы их энантиомерами.

Для настоящих молекул D-допы этот эффект выражен еще сильнее: они даже не смогут сесть в машину, а если бы и сели, то фермент, который отсекает карбоксильный конец в L-допе и преобразует его в необходимый дофамин, не признал бы D-допу.

Итак, очевидно, что нам нужна только L-допа, которую мы будем давать пациентам с болезнью Паркинсона. Однако на деле это оказывается сложнее, чем на словах. Такие молекулы, у которых есть зеркальные варианты, не являющиеся при этом идентичными (совсем как левая и правая руки), называются оптически активными, или, если выражаться более точно, хиральными [290] От греческого χείρ – «рука». ; долгое время их можно было получить только из биологических источников. Каждый раз, когда химики пытались добиться этого в лаборатории, в круглой лабораторной колбе появлялись молекулы и левого, и правого вращения; этим фактом ловко воспользовались в качестве сюжетного хода Дороти Сэйерс и Роберт Юстас в романе «Следственные документы», опубликованном в 1930 году [291] Sayers D., Eustace R. The Documents in the Case. Victor Gollancz, 1930. .

Однако с 30-х годов мы проделали большую работу, и сегодня химики регулярно получают в лаборатории любой из зеркальных вариантов (или энантиомеров, как мы предпочитаем их называть) большого числа молекул. Это по-прежнему сложная и дорогостоящая задача, особенно для массового производства, поэтому многие из моих друзей, занимающихся органической химией, посвящают свою исследовательскую карьеру тому, чтобы найти новые улучшенные методы ее решения.

К счастью для больных болезнью Паркинсона, проблему с L-допой еще в богатом на важные события 1968 году решил Уильям Ноулз, химик-технолог в американской химической компании Monsanto. Уже тогда было ясно, что эта молекула будет пользоваться большим спросом, гораздо более высоким, чем тот, который в состоянии удовлетворить природные источники, и в 1974 году началось ее промышленное производство. Это произошло через 14 лет после того, как Арвид Карлссон из Университета Гётеборга впервые предложил L-допу в качестве лекарства от болезни Паркинсона.

Я не стану вдаваться в детали работы этих двух джентльменов – она в достаточной мере описана в других источниках, в частности на сайте Фонда Нобеля, так как оба они стали лауреатами Нобелевской премии за исследования L-допы: Карлссон получил премию в 2000 году за достижения в области физиологии или медицины, а Ноулз в 2001 году был награжден премией по химии. Однако важнейшей частью промышленного способа производства L-допы является катализ с использованием ценного металла родия, а поскольку катализ – центральная концепция современной химии, этот процесс заслуживает дальнейшего рассмотрения.

К настоящему моменту у вас есть хотя бы туманное представление о катализаторах – веществах, которые заставляют химическую реакцию идти гораздо быстрее, не расходуясь при этом в процессе; однако вы, возможно, не осознаете фундаментальной важности, которую это понятие будет иметь для нас в будущем. Если химическая реакция протекает недостаточно быстро, то что нам делать в отсутствие подходящего катализатора? Мы задаем ей взбучку, чаще всего при помощи тепла, и если делать это круглосуточно, то затраты на энергию будут очень высоки. Другая проблема – то, что мы называем выходом реакции и побочными продуктами. Хороший катализатор превращает большее количество реагентов в полезный продукт и производит меньше отходов. Не менее важно и то, что в этом случае будет меньше проблем с отделением полезных веществ от нежелательных молекул, так как в большинстве промышленных химических процессов эта задача требует существенных энергозатрат.

Ноулз и его сотрудники создали родийсодержащую молекулу, в которой одну сторону маленького иона металла прикрывает органическая молекула, использующая для связи с родием фосфор [292] Knowles W.S. Nobel Lecture // Les Prix Nobel: The Nobel Prizes 2001. Nobel Foundation, 2002. . Эта органическая молекула уже обладает вышеупомянутой хиральностью, и, несмотря на то что реакция протекает на атоме родия, эта хиральность определяет, какая из двух возможных молекул допы образуется. После реакции с участием газообразного водорода и исходного вещества от атома родия отделяется одна молекула L-допы, что позволяет всей структуре из родия и прикрепленной к нему фосфорной органической молекулы вернуться в исходное состояние, а весь процесс может начинаться заново.

Рисунок 49. Вверху : Упрощенная реакционная схема, показывающая превращение ахирального исходного реагента в энантиомерно (оптически) чистый продукт. Эта реакция протекает в несколько стадий, но хиральность создается родиевым катализатором. Внизу : схематическое изображение родиевого катализатора в действии. Жирными линиями показаны те атомы, которые станут молекулой L-допы [293] Elschenbroich C., Salzer A. Organometallics: A Concise Introduction. VCH, Weinheim, 1989. .

У катализатора есть лишь одно важное ограничение: это не философский камень, и поэтому катализ не может нарушать законы термодинамики. Невозможно найти катализатор, который превратит воду и углекислый газ в топливо, потому что, выражаясь языком термодинамики, это реакция с возрастающей энергией. Те реакции, которые мы можем осуществлять на практике, – убывающие с точки зрения свободной энергии Гиббса (с которой мы встречались, когда обсуждали наполеоновские пуговицы), что, заметим, отличается от утверждения о том, что во всех самопроизвольных реакциях выделяется тепло.

Термодинамика, особенно химическая, – весьма увлекательный предмет, но многие студенты считают ее трудной. Мне кажется, отчасти проблема заключается в том, что сначала термодинамика утверждает очевидное, но при этом с большим количеством математических подробностей, и это вгоняет всех в сон; а когда студенты просыпаются, лектор уже добрался до частных производных и символов S, G и μ, и студентам очень трудно наверстать упущенное. Это как если бы кому-то объясняли правила крикета и человек заснул на словах о том, что отбивающий бьет по мячу, а проснулся уже в разгаре игры.