Химический синтез

Химический анализ и синтез, как правило, неразрывно связаны. После того как экспериментатор разделит какое-либо соединение на составляющие его элементы, он пытается построить определенную гипотезу относительно их упорядоченности в соединении, и лучший способ проверить ее — это синтез. Именно так строилась работа Эмиля Германа Фишера по изучению строения и синтезу углеводов и ряда производных пурина (веществ, имеющих исключительно большое значение для биохимии).

Свои исследования Сахаров Фишер начал в 1884 г., накопив значительный опыт в работе с более простыми соединениями, у которых проявляются подобные свойства. Он синтезировал большое число моносахаридов, в том числе глюкозу и фруктозу. Обобщая свои данные, Фишер предложил простую номенклатуру, которую довольно быстро химики приняли. Наряду с этими работами Фишер экспериментировал также с соединениями, объединенными в группу пурина и его производных. Она включает такие вещества, как кофеин, теобромин из бобов какао, гуанин, аденин, гипоксантин и другие. Фишёр показал их большое сходство и синтезировал пурин — исходное соединение, имеющее молекулу кольцевидной формы, из которого получают различные вещества данной группы. Далее Фишер стал разрабатывать методы синтеза пуриновых соединений и их взаимного превращения.

Имея большое значение для химии органических соединений, эти исследования впоследствии стали основой, на которой формировались представления о строении углеводов и нуклеиновых кислот. К этой группе относятся такие гигантские биомолекулы, как целлюлоза, гликоген, ДНК и многие другие. Работы Фишера по сахарам подтолкнули ученых и экспериментаторов к исследованиям процессов ферментации и ферментов, а затем и белков. Фишер принадлежал к числу тех ученых, которые считали, что между ферментом и субстратом, превращение которого он катализирует, должно существовать пространственное соответствие — они должны подходить друг к другу, как «ключ к замку».

В 1889 г. Фишер начал исследования белковых веществ, создав метод разделения и анализа аминокислот, из которых они строятся. В 1902 г. он установил, каким образом аминокислоты соединяются между собой, образуя гигантские биополимеры. Это крупнейшие его открытия, благодаря которым он широко известен и сегодня. Однако и до этих исследований Фишер пользовался большим авторитетом среди своих коллег. За исследование Сахаров и пуринов он был удостоен в 1902 г. Нобелевской премии по химии.

С того времени как стали присуждаться Нобелевские премии, было немало крупных ученых, работы которых, однако, не совсем отвечали условиям, предусмотренным уставом Нобелевского фонда. В ряде случаев эксперты из Нобелевских комитетов, желая отметить заслуги таких исследователей, находили компромиссное решение. Так произошло с одним из самых замечательных специалистов в области химического синтеза второй половины XIX в. Адольфом Байером. Через три года после своего ученика Э. Фишера он также стал лауреатом Нобелевской премии.

Сегодня А. Байер наиболее известен как исследователь, который синтезировал и установил свойства индиго. Начиная с 1865 г. он в течение более чем десяти лет исследовал структуру этого природного красителя и испытывал различные способы его получения. Путь к разработке промышленной технологии оказался более длинным, и лишь в 1890 г. началось производство дешевого искусственного красителя, а к концу прошлого века плантации, на которых выращивали растение индигофера, стали нерентабельны. Немецкий ученый провел обширные исследования и других красителей, в частности фенолфталеина. Байер стремился создать теорию, которая могла бы объяснить связь между строением и цветом соединения. Он работал и с пироловыми, и с пиридиновыми циклическими соединениями и начал исследования пуринов, продолженные его учеником Фишером.

Опыты Байера с так называемыми ароматическими соединениями (они обязаны своим названием отнюдь не аромату), которые характеризуются определенной структурой, производной от бензола, привели его в 90-е годы прошлого века к открытию гидроароматических соединений. Эти вещества насыщены водородом, и в них отсутствуют двойные связи, столь характерные для бензола и подобных ему веществ. К гидроароматическим соединениям относятся такие природные вещества, как терпены и камфора.

Адольф Байер, один из самых универсальных химиков конца прошлого века, работал во многих областях. Однако Нобелевская премия была присуждена ему в 1905 г. именно за исследования органических красителей и гидроароматических соединений. Его работы внесли большой вклад в развитие органической химии.

Основной метод синтетической химии состоит в нахождении соответствующих реакций, при которых в молекулы могут выстраиваться определенные атомы и радикалы. Реакцию такого типа открыл Виктор Гриньяр из Лионского университета. Исследования этого ученого были связаны с элементоорганическими соединениями. Это органические соединения, содержащие в молекуле помимо углерода и водорода любой элемент (за исключением азота, кислорода, серы и галогенов), непосредственно связанный с углеродом. (Соединения, в которых таким элементом является металл, называются металлоорганическими.) В ходе своих исследований Гриньяр обнаружил вещества с особыми свойствами, подходящими для синтеза.

Реактивы, открытые Гриньяром в начале века, применяются ныне почти в любой области химии синтеза. Это соединения, в которых органическая молекула связана с магнием, а атом магния — с каким-либо галогеном, например хлором, бромом, йодом и т. д. С помощью реактивов Гриньяра получаются разные спирты, элементоорганические соединения и многие другие вещества. И в наши дни этот метод синтеза остается одним из наиболее популярных и широко применяемых в органической химии. За это крупное открытие Виктор Гриньяр был удостоен в 1912. г. Нобелевской премии по химии. Эту награду с ним разделил Поль Сабатье, также известный своими достижениями в области синтетической химии, синтеза, разработавший методы органического катализа.

Сабатье, как и Гриньяр, стал академиком. Однако до этого он долгие годы работал в провинции — преподавал в Тулузском университете. Этому учебному заведению Сабатье отдал почти полвека своей жизни. Его наиболее известные работы связаны с применением каталитических методов. Он первым выдвинул теорию каталитического действия металлов. Вместе со своим сотрудником Жаном Батистом Сандераном Сабатье разработал так называемые гетерогенные катализаторы (сильно раздробленные металлы, ускоряющие химические реакции). Во множестве экспериментов были исследованы каталитические свойства никеля, кобальта, платины, железа, меди и ряда других металлов, а также их окислов и сплавов. Основной механизм действия этих катализаторов заключается в добавлении водорода к органической молекуле или в выделении его из молекулы.

Присоединение водорода (гидрирование) — прием, которым широко пользуются в химической технологии. При высоких температурах и давлениях таким методом получают аммиак из атмосферного азота или жидкие углеводороды из угля. Каталитическое гидрирование, начало которому положили работы Поля Сабатье, дает возможность при достаточно мягких условиях получать из жидких растительных масел твердые. Примером может служить производство маргарина.

Большим шагом вперед явилось введение в органический синтез порошкообразных катализаторов. За обширные исследования в этой области П. Сабатье получил в 1912 г. Нобелевскую премию по химии вместе с В. Триньяром. Работы этих ученых имели особенно большое значение для прикладной химии и химической технологии.

В 20-е годы профессор Кильского университета Отто Дильс вместе со своим сотрудником Куртом Альдером предложил новый метод химического синтеза, который нашел такое же широкое применение, как и реактивы Гриньяра. Реакция основывалась на свойствах так называемых диеновых соединений, имеющих двойные связи.

В 1928 г. О. Дильс и К. Альдер открыли и объяснили один из видов реакции диеновых соединений с молекулами, имеющими обычные одинарные связи. Подобные реакции наблюдались и раньше, однако не получили должного объяснения. Два немецких исследователя сразу же поняли, что вновь открытое взаимодействие позволяет создать новый метод синтеза. И действительно, методом диенового синтеза было получено большое количество соединений, синтез которых до этого был очень затруднен или даже казался невозможным.

Реакция Дильса — Альдера широко используется для синтеза циклических соединений с кольцевидной структурой. Так получают молекулы, служащие исходным сырьем для получения большого числа важных веществ — аналогов природных соединений. Наряду с этим указанная реакция служит ценным методом исследования строения сложных молекул.

Отто Дильс, ученик Э. Фишера, стал лауреатом Нобелевской премии по химии в 1950 г. Вместе с ним был награжден и Курт Альдер. Носящая их имя реакция сегодня широко используется в синтетической химии.

Синтез сложных природных соединений позволяет также и разгадать их структуру. Особых успехов в этой области добился американский химик-органик, профессор Гарвардского университета Роберт Берне Вудворд. Этот ученый осуществил целую серию замечательных синтезов: хинина, стрихнина, холестерина, кортизона, различных аминокислот и т. д. К этому можно добавить исследования структуры антибиотиков. Последующие синтезы дали возможность получать их различные модификации. Синтезирование новых антибиотиков очень важно для медицинской практики, так как позволяет «опережать» микроорганизмы, многие из которых, как известно, быстро приспосабливаются к действию лекарств. Наряду с экспериментальной деятельностью Р. Вудворд известен и теоретическими разработками, касающимися химических реакций различных видов и перегруппировки атомов в ходе этих реакций. Занявшись биологией, Вудворд создал теорию биологического происхождения алкалоидов и занялся синтезом белковых молекул.

За свою плодотворную и разностороннюю деятельность Роберт Берне Вудворд в 1965 г. был удостоен Нобелевской премии по химии.

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.