Страница 47 из 92
Синтетическая химия — это своеобразное творчество. Итальянский историк химии Микеле Джуа называет ее «покорением вещества». В этой области химии наиболее отчетливо видно, как ученые продвигаются вперед на ощупь, ведомые своей интуицией. Правила и принципы синтеза вырабатываются лишь после того, как открываются новые удачные реакции. Эта область деятельности продолжает оставаться плодотворным поприщем для многих исследователей[12]. К числу последних достижений синтетической химии относятся исследования Герберта Чарлза Брауна и Георга Виттига, которые разработали методы синтеза сложных органических соединений, содержащих элементы бор и фосфор.
Герберт Браун, выпускник Чикагского университета, сначала занимался неорганической химией. Еще молодым исследователем он как-то получил в подарок книгу о соединениях бора. Эти вопросы очень его заинтересовали и в значительной степени определили его дальнейший путь. Еще в начале 40-х годов он получил реактивы, нашедшие широкое применение в органической химии.
В 1956 г. Браун открыл реакцию, в которой бор присоединялся к органическим молекулам двойной связью. Производные вещества могут вступать далее в различные реакции, при которых на место бора вводятся функциональные группы. Этот метод открывал возможность получения новых комбинаций атомов и радикалов, синтеза большого числа органических соединений, природных и лекарственных веществ. Были открыты также соединения, ранее вообще неизвестные.
Как и многие крупные ученые, Браун чрезвычайно плодотворно работает. Он автор 700 статей и 4 монографий, подготовил более 200 будущих научных работников. За большие достижения в исследовании органических соединений бора Герберт Браун был удостоен в 1979 г. Нобелевской премии по химии.
Другим лауреатом того же года стал химик из Гейдельбергского университета Георг Виттиг. Коллеги причисляют Виттига к создателям современного органического синтеза, в котором особенно широко используются элементоорганические соединения. В обычных органических молекулах главное место занимает углерод, наряду с ним встречаются водород, кислород и азот. К этим молекулам могут добавляться атомы металлов или других элементов. Работа Виттига связана преимущественно с фосфорорганическими соединениями.
Виттиг сосредоточил внимание на реакции, исследованной Штаудингером еще в 1919 г. В этой реакции осуществляется взаимодействие полярных фосфорорганических соединений — так называемых илидов — с различными органическими молекулами. Для илидов характерно, что в них углерод, связываясь с фосфором или другим подобным элементом, приобретает отрицательный заряд. Это приводит к таким свойствам фосфорпроизводных, которые создают условия для необычной реакции.
Многие годы на эту реакцию никто не обращал внимания, и ее возможности оставались нераскрытыми. Она широко введена в химию в 1953 г. именно Виттигом и названа его именем. Использование фосфоилидов — один из основных методов современного органического синтеза. Реакция Виттига обеспечивает эффективный способ получения огромного множества самых разнообразных соединений: с ее помощью можно синтезировать как линейные структуры, подобные витамину А, так и сложные кольцевидные соединения.
Чисто лабораторное открытие Виттига благодаря работе химиков и технологов нашло широкое практическое применение. Сам Виттиг сегодня занимается другими исследованиями подобного рода, польза которых пока еще не очевидна, однако истинное их значение покажет лишь будущее. Присуждение Георгу Виттигу и Герберту Брауну Нобелевской премии является еще одним свидетельством большого значения синтетической химии — области науки, непосредственно связанной с повседневной жизнью человека.
После работ Ф. Сенгера начались попытки синтеза белковых молекул. Это оказалось очень непросто. Необходимы были сотни реакций для получения белка всего в тысячных долях процента.
В 1961 г. Роберт Брюс Мэррифилд из Рокфеллеровского университета решил синтезировать пептидные цепи белков, используя автомат, работавший на принципиально новой основе. Синтез полипептидной нити осуществлялся на микроскопическом шарике твердого полимерного носителя. К такому шарику прикрепляли первую аминокислоту, а затем последовательно «наращивали» на ней остальные. В конце концов полученный пептид отделялся от твердого носителя и переводился в раствор. Эффективность нового метода была продемонстрирована уже в 1963 г. был синтезирован пептидный гормон брадикинин, состоящий из 9 аминокислот. Существенно то, что методы очистки и разделения продуктов можно заменить стандартными операциями промывки и фильтрования.
В Советском Союзе М.М. Шемякин и Ю.А. Овчинников разработали такой же метод синтеза на растворимом полимерном носителе. Он позволяет получить более однородный и чистый пептид. Разработанная Р. Мэррифилдом методология твердофазного синтеза произвела подлинную революцию в химическом синтезе и оказала мощное воздействие на развитие различных областей биохимии, молекулярной биологии, биотехнологии и т. д. По мнению многих авторитетных ученых, открытие Мэррифилда оказало большое влияние на сам образ мышления специалистов. За свое выдающееся достижение, открывающее новые горизонты в познании свойств вещества, Роберт Брюс Мэррифилд был удостоен в 1984 г. Нобелевской премии по химии.
X. ПРИРОДНЫЕ ВЕЩЕСТВА
Изучение веществ, содержащихся в живых организмах, привело в начале XIX в. к возникновению органической химии. Однако постепенно эта наука свелась в основном к исследованию многочисленных соединений углерода. Приблизительно в то же время возникла и биохимия, которая сосредоточила свое внимание преимущественно на сложных макромолекулах, по своему строению и свойствам резко отличающихся от простых соединений, с которыми имеет дело обычная химия. Промежуточное место между этими двумя областями химии занимает так называемая биоорганическая химия. Она изучает природные соединения, которые относятся к числу сравнительно низкомолекулярных, физиологически активных веществ и синтезируются в живых организмах[13]. В этой области работало немало известных ученых, труды которых значительно обогатили науку.
В конце прошлого века химики вторглись в обширную группу алициклических соединений (органических молекул циклического строения). Одним из пионеров в исследовании этих соединений является немецкий химик-органик Отто Баллах, который достиг больших успехов в изучении терпенов — весьма интересных представителей названной группы.
Эти вещества содержатся во многих растениях и входят в состав эфирных масел, широко использовавшихся еще в древности. С развитием современной химии удалось выделить в чистом виде значительное число таких соединений. До О. Валлаха, который начал заниматься этим вопросом в 1884 г., было описано свыше ста различных терпенов. А спустя шесть лет осталось не исследовано всего восемь терпенов; впоследствии к ним добавилось еще несколько вновь открытых. Баллах установил, что большинство из описанных терпенов химически идентично. Занимаясь их выделением, он исследовал их химические свойства, а также способы превращения одних терпенов в другие. Как обнаружилось, каждый из видов терпенов отличается своим особым ароматом, что делало их очень ценными для парфюмерной промышленности.
Плодотворная деятельность Отто Валлаха увенчалась созданием отдельного раздела в химии. За исследования терпенов Баллах был удостоен в 1910 г. Нобелевской премии по химии.
В исследовании и классификации так называемых высших терпенов большая заслуга принадлежит швейцарскому химику-органику, профессору Федерального технического института в Цюрихе Леопольду Стефану Ружичке. Его работы привлекли, в частности, внимание производителей духов.
Старейшая в мире фирма «Хартман и Реймер» использовала в 1916 г. результаты его научной работы, выполненной на соискание ученой степени. Год спустя фирма «Сиба» в Базеле заинтересовалась синтезированным Ружичкой веществом, напоминающим хинин. Однако основные открытия Ружички были связаны с исследованиями мускуса и цибетина, веществ с острым запахом, выделяемым некоторыми животными, особенно самцами.
12
Благодаря работам таких ученых, как Р.Б. Вудворд, Д. Бартон, советский химик М.М. Шемякин и др., органический синтез из «искусства» превратился в область целенаправленного «крупноблочного строительства» — Прим. ред.
13
Эти определения упрощены — биоорганическая химия изучает вещества, лежащие в основе процессов жизнедеятельности, и их биологические функции. Биополимеры (в том числе белки и нуклеиновые кислоты) — основные объекты ее исследования. — Прим. ред.