Рецепт создания всего

Прежде чем начать читать этот текст, оглянитесь вокруг себя. Вероятнее всего, вы сидите в кресле или на стуле перед монитором. Под ногами у вас ковролин или ламинат, вокруг вас стены с наклеенными обоями или же просто покрашенные краской. Сами вы одеты в джинсы, костюм или юбку. Как вы думаете, что общего между креслом, ковролином, вашей одеждой и монитором?

Ответ на этот вопрос - и то, и другое, и третье и так далее содержит в своем составе сложные химические вещества, которые не встречаются в природе или же встречаются в очень незначительных количествах. Сегодня без этих веществ невозможно представить себе нормальную жизнь. Человека, живущего в крупном мегаполисе или в сельской местности, окружает множество предметов, целиком или частично созданных искусственно. Нобелевская премия по химии 2010 года была присуждена ученым, благодаря которым люди смогли сотворить свой мир, так непохожий на мир дикой природы.

Издалека

Считается, что мохнатое существо с маленьким лбом и большой челюстью начало превращаться в Homo sapiens в тот момент, когда впервые взяло палку, чтобы выкопать из земли особенно вкусный корешок. На следующей стадии эволюции наши предки начали улучшать найденные палки, например, затачивать их при помощи острых камней. Затем люди стали изготавливать такие орудия, которых в природе не существовало, и с их помощью принялись все более и более эффективно подстраивать под себя окружающий мир.

Но в какой-то момент замыслы людей стали настолько изощренными, что реализовать их, используя только имеющиеся в природе материалы, стало невозможно. Человеку потребовались новые вещества, обладающие строго заданными свойствами. И чем более специфические свойства требовались людям, тем сложнее становился процесс изготовления новых материалов. Сначала условия синтеза подбирались методом проб и ошибок, но по мере развития представлений о свойствах материи люди научились предсказывать, как будут вести себя те или иные компоненты, и заранее планировали необходимые реакции.

Больше всего новых веществ с необычными свойствами химикам (именно они в основном и занимаются созданием не существовавших ранее материалов) удавалось синтезировать из органических молекул. Под термином "органические вещества" специалисты подразумевают вещества относительно сложного строения, обязательно содержащие углерод. При помощи связей между атомами углерода такие вещества могут соединяться в длинные прочные молекулы, из которых химики способны составлять всевозможные конструкции.

Самодостаточность

Практически всегда синтез какой-нибудь сложной молекулы (а именно такие молекулы требуются чаще всего) проходит не в одну, а в несколько стадий. Сначала специалисты получают одну небольшую молекулу, потом присоединяют к ней еще кусочек, потом модифицируют и присоединяют еще один, и так далее. Составление схем таких реакций - процесс сам по себе весьма непростой, но он еще и многократно осложняется тем, что атомы углерода в органических соединениях не очень-то стремятся взаимодействовать друг с другом.

Чтобы понять нежелание углерода связываться с себе подобными, нужно вспомнить, как устроены атомы любого вещества. В центре атома находится ядро из протонов и нейтронов (у всех элементов, за исключением водорода), вокруг которых обращаются электроны. Протоны заряжены положительно, а электроны отрицательно, и для того чтобы суммарный заряд атома был равен нулю, число протонов и электронов должно совпадать (нейтроны не имеют заряда). Соответственно, чем больше в ядре содержится протонов, тем больше электронов его окружает.

Чтобы не мешать друг другу, электроны занимают различные области пространства вокруг ядра – можно сказать, что они образуют вокруг ядра множество оболочек наподобие луковой шелухи. На каждой оболочке могут свободно разместиться восемь электронов, и когда все они "дома", оболочка становится самодостаточной. Она противится любым попыткам нарушить воцарившуюся гармонию - например, попыткам добавить или убрать электроны.

Для химиков важнейшей является самая внешняя электронная оболочка - именно она во многом определяет, как данный атом будет взаимодействовать с другими атомами. У углерода на этой оболочке находятся четыре электрона, и он всеми силами старается заполучить себе еще четыре. Недостающие электроны атом углерода может взять у других атомов, например, у атома водорода, на единственной оболочке которого находится один электрон. Если углероду удастся сблизиться с водородом на достаточно близкое расстояние, он сможет "заманить" этот электрон к себе. Но насовсем электрон к углероду не уйдет - он будет обращаться то вокруг ядра углерода, то вокруг ядра водорода, одновременно удовлетворяя потребности обоих. Чтобы не потерять неверный электрон, оба ядра будут вынуждены постоянно находиться друг рядом с другом - это состояние и называется химической связью.

Место встречи

Теперь вернемся к сложным органическим молекулам, которые синтезируют химики. Практически никогда исходным компонентом для них не выступает чистый углерод - как правило, специалисты используют относительно простые молекулы, содержащие помимо углерода и другие элементы. В таких молекулах внешняя электронная оболочка углерода полностью насыщена электронами, и поэтому он не испытывает никакого желания взаимодействовать с посторонними атомами.

Первым человеком, которому удалось сломить "упрямство" углерода, был Виктор Гриньяр (Victor Grignard). В самом начале XX века он создал вещество, позже названное реактивом Гриньяра, которое, благодаря особому строению, дестабилизировало самодостаточную оболочку углерода в органических молекулах и значительно повышало его реакционноспособность. В 1912 году за создание этого вещества Гриньяр получил Нобелевскую премию. Необычная для Нобелевского комитета поспешность в присуждении награды вполне объяснима - благодаря реактиву Гриньяра химическая промышленность сразу поднялась на качественно новый уровень. Ученые и инженеры получили инструмент, который позволил им конструировать молекулы, на порядок более сложные, чем те, что они создавали до этого.

Но через некоторое время химикам потребовался новый инструмент - реактив Гриньяра был слишком уж активным и зачастую стимулировал синтез не только нужных химикам молекул, но еще и огромного количества побочных продуктов. В некоторых случаях подобных посторонних веществ образовывалось намного больше, чем искомого компонента.

Способ обойти эту трудность нашел в 70-е годы американский химик Ричард Хек (Richard Heck). Он впервые стимулировал образование связи между двумя атомами углерода при помощи органических молекул с так называемыми двойными связями (химики называют их алкенами). В алкенах атом углерода, находящийся рядом с двойной связью, уже немного менее инертен, чем "обычный" углерод. Но использование алкенов - не главное новшество, предложенное Хеком. Будущий Нобелевский лауреат впервые использовал для проведения реакции палладиевый катализатор.

Под термином "катализаторы" объединяют вещества, способные во много раз ускорять скорость протекания химических реакций. При этом механизмы действия катализаторов могут быть очень различными. Палладий способствует образованию связи между двумя атомами углерода благодаря тому, что он предоставляет им максимально удобную площадку для взаимодействия. Атом палладия "притягивает" к себе молекулы, которые должны вступить в реакцию, причем они располагаются вокруг него так, что их углероды практически лишаются выбора - в таком удобном для реакции положении они оказываются. В итоге при добавлении палладия вероятность образования углерод-углеродных связей между исходными компонентами возрастает во много раз.

Хек опубликовал несколько статей с описанием придуманного им "рецепта" проведения реакций между органическими веществами в начале 1970-х годов. В 1977 году вышла работа Эйити Нагиси (Ei-ichi Nagishi), в которой он дополнил предложенную Хеком методику, добавив к ней модифицированный реактив Гриньяра. Обновленный реактив, в котором атом магния был заменен на цинк, приобрел способность "завлекать" углерод к атому палладия. Еще через два года Акира Судзуки (Akira Suzuki) заменил цинк на бор, который работал не хуже, но был намного менее токсичным.

Все что угодно

Значение работ Хека, Нагиси и Судзуки трудно переоценить - несмотря на то, что имена этих ученых неизвестны широкой публике. Во время пресс-конференции с Нагиси сразу после того, как стали известно решение Нобелевского комитета, журналисты упорно пытались узнать у ученого, какое же вещество из созданных при помощи разработанной новоиспеченными лауреатами технологии является самым важным для человечества. В ответ Нагиси безуспешно пытался объяснить, что палладиевые катализаторы и реакции кросс-сочетания используются для синтеза огромного количества всевозможных веществ, так как при этом облегчается образование связи между двумя атомами углерода независимо от того, в каких молекулах он находится.

При помощи созданной Хеком, Нагиси и Судзуки схемы сегодня создаются пластики, лекарства, вещества, входящие в состав светодиодов и много другого. Весной 2010 года исследователям удалось соединить палладиевый катализатор с листами графена - слоя углерода толщиной в один атом, создатели которого стали лауреатами Нобелевской премии по физике 2010 года. И если триумф графена еще впереди, то реакции кросс-сочетания с применением палладиевых катализаторов заслужили признание ученых и далеких от науки людей уже давно и в полной мере.