Химики соревнуются с природой. Химический конструктор
Всего в природе найдено 90 различных элементов, и еще более 20 получено искусственным путем. Из этих нескольких десятков «кирпичиков» и состоят все окружающие нас тела — воздух, которым мы дышим; бумага, на которой напечатана эта книга, и красители в рисунках и самих буквах; глаза, которые читают этот текст, и клетки мозга, которые анализируют, хорошо ли он написан...
На самом деле живые организмы состоят из еще меньшего числа элементов, чем объекты неживой природы. В книге американского ученого Глена Снбор- га (он участвовал в создании многих искусственных элементов, а один из элементов даже назва!і его именем) есть забавная картинка. На фо- тографии изображен мужчина средних лет в белой рубашке и в галстуке, а на столе перед ним - куча баночек и несколько сосудов с газами, і Іодписьже гласит: «Здесь изображен известный химик Бернард Харви в двух различных вариантах — в одном случае он в своем нормальном состоянии, в другом — расщеплен на составные элементы».Люди, не шаюшие химии, часто удивляются, когда до них доходит информации о том, что из сотни с лишним известных химических элементов в состав растений и животных входит всего два десятка. Действительно, если принять, что Харви весил 70 кг, то на столе должны были бы находиться: 45,5 кг кислорода, 12,6 кг углерода, 7 кг водорода, 2,1 кг азота, 1,4 кг кальция, 700 г фосфора, 260 г калия, 175 г серы, но 100 г натрия и хлора, 30 г магния, 3 г железа и в очень малых количествах несколько других элементов (например, иода — всего 0.03 г, а марганиа - 0,01 г). Как же природа ухитрилась из небольшого числа «составных частей» создать такое чудо, как мыслящий человек? А также кустик земляники (и ее запах!), гигантское дерево эвкалипт, крошечного муравья и огромною кита, миллионы других видов растений и животных...
Однако подобных «чудес» в мире немало. Разве не удивительно, что всего 12 нот хроматической гаммы дают бесконечное число разнообразных мелодий — от бесхитростной песни монгольского пастуха до мотивов «Спящей красавицы» П.
И. Чайковского?! Разве не удивительно. что всего 16 белых и 16 черных шахматных фигур способны создать огромное разнообразие шахматных комбинаций - начиная от простейшего «детского мата» в два хода и кончая гениальными творениями лучших шахматистов мира?! Наконец, разве не удивительно, что из небольшого числа букв (в венгерском алфавите их 38, в русском — 33, в латинском — 26, в греческом — 24) можно составить бесконечное число слов, выражений и литературных произведений - от "Чижика- пыжика» до «Войны и мира» Л. Н. Толстого.Так и в химии. Из ограниченного числа элементов, соединенных друге другом в разных сочетаниях, построены все вещества. Возможности разных сочетаний элементов можно проиллюстрировать на та-ком примере. Во второй половине XX века ученые выяснили, что для записи всей наследственной информации живого организма достаточно всего нескольких химических элементов! А информация эта. «записанная» в живой клетке, определяет, что именно вырастет из этой клеточки, неразличимой для невооруженного глаза: сибирский кедр, морской конек или человек. Как же удается записать эту информацию?
Аборигены (коренные жители) Америки много веков назад изобрели «узелковую письменность»: к длинной веревке они привязывали шнурки с узелками различной формы. Таким образом они могли пе- редавать разнообразную информацию. Возьмем теперь длинную «веревку», построенную из соединенных лруг с другом атомов углерода {эти атомы легко соединяются в цепочки любой длины). Получится молекула, которая не несет никакой информации. Кстати, именно из таких молекул состоит полиэтилен, применяемый для изготовления пакетов, и парафин, из которого делают свечки. Разные свойства полиэтилена и парафина связаны в основном с разной длиной моле- кул-ценочек. Но если в разных местах этой молекулы присоединить по бокам атомы других элементов (в том числе п углерода), можно получить осмысленное «сообщение». Чтобы его «прочитать», надо знать, из каких элементов состоят боковые группы (кстати, «боковая группа» — обычный химический термин), каково их строение и по каким правилам они присоединяются к центральной нити.
Именно по этому принципу природа создала «текст» с определенным биологическим смыслом - его называют генетическим кодом. И вряд ли здесь было бы возможно какое-то другое решение.Чтобы собрать из готовых деталей какой-либо механизм, надо знать, какой устроен. Именно такая задача в первую очередь стояла перед химиками, которые захотели искусственно получать различные соединения. Химики всегда стремятся сделать что-то совершенно новое, никогда и никем не виданное, в природе не встречающееся (например, даже простейший полимер полиэтилен в природе сам по себе никогда не образуется). А зачем химикам все это было нужно? Ведь далеко не всегда очевидно, что полученное ими новое вещество принесет хоть какую-нибудь пользу! Прежде всего, создавать новые вещества очень интересно! Зачем ребенок строит из песка или из деталей конструкт ора башни и крепости? Ведь он прекрасно знает, что они ненастоящие. Но - интересно! Химики В этом отношении похожи на детей - им тоже очень интересно «построить» в колбе сложную конструкцию из атомов, синтезировать какое-нибудь вещество с необычными свойствами. Но дело не только в интересе. Многие вещества, которых в природе мало или вообще нет, оказались совершенно необходимы людям. Среди них - удобрения, необходимые для повышения урожайности сельскохозяйственных культур: без них сельское хозяйство уже не смогло бы прокормить выросшее во много раз население Земли. Химики получили также множество разнообразных лекарственных веществ, чтобы избавлять людей от болезней. Или - взрывчатые вещества, с помощью которых, к сожалению, этих же людей можно убивать... Чтобы получить какое-либо новое вещество или вещество, уже созданное природой, надо знать, какие атомы н в каких пропорциях содержатся в этом веществе. Это - задача аналитической химии, о которой еще будет отдельный рассказ. Но этого мало. Требуется еще установить, в каком порядке должны быть соединены атомы в веществе, т, е. каково его строение. Л от строения вещества {порядка соединения атомов) очень сильно «шисят его свойства.
Например, в молекуле ами-нокислоты аланина содержатся 3 атома углерода, 7 атомов водорода, 1 атом азота и 2 а тома кислорода (химики записывают такую формулу в виде C\H,NO,. обозначая буквами сорт атомов и цифрами их количество в молекуле). Алании встречается во всех организмах в свободном виде и в составе белков; это бесцветные кристаллы сладкого вкуса. Ноте же атомы и в таком же количестве находятся и в молекуле искусственно полученного вещества пропилнитрита — летучей, взрывчатой, очень ядовитой жидкости, пары которой при вдыхании вызывают резкое расширение сосудов, снижение кровяного давления и учащение сердцебиения (похожим действием обладает и всем известный нит-роглицерин. так как его строение очень напоминает строение пропил- нитрита). Такое существенное различие в свойствах двух соединений одинакового состава объясняется тем, что указанные атомы соединены в этих веществах по-разному: в аланине атом азота соединен с двумя атомами водорода и одним атомом углерода, а в пропилнитрите — с двумя атомами кислорода.Допустим теперь, что химик узнал, какие элементы и в каком соотношении содержатся в данном веществе; узнал он такхсе, в каком порядке они соединены друге другом. Сможет ли он теперь самостоятельно получить такое же вещество? Э та задача похожа на такую: человеку сказали, какие детали и в каком количестве содержатся в его телевизоре или автомобиле, а также в каком порядке они соединены друге другом. Сумеетлион, воспользовавшись этой информацией, самостоятельно сделать точно такой же телевизор или автомобиль? Понятно, что это зависит от мастерства человека, его знаний и возможностей. Если он должен сначала сам найти нужные руды, выплавить из них разные металлы... ну и так далее, то вряд ли он что-то успеет за всю свою жизнь. Если же это опытный механик, и у него есть все готовые детали, а также хорошие помощники, то за месяц-другой, глядишь, у него что-то и получится.
Примерно такая же ситуация и у химиков. Первые химики все реактивы готовили для себя сами идо «большой» химии было еще далеко.
Сначала должны были заработать химические заводы, производящие тысячи разнообразных химических веществ — «заготовок» для будущих искусственных изделий. Одновременно должны были открыться химические лаборатории, в которых бы молодые химики учились пре-мудростям соединения элементов в нужных пропорциях и в нужном порядке. Наконец, ученые-химики должны были разработать способы и приемы разнообразных превращений. Именно поэтому химия начала особенно интенсивно развиваться только во второй половине XIX века.Все эти условия действуют и в настоящее время: химические пред-приятия производят вещества для синтезов {такие вещества называются химическими реактивами). Некоторые из них производятся миллионами тонн, потому что они нужны для получения синтетических тканей, моющих веществ, средств защиты растений и множества иных товаров, другие — в количестве всего лишь нескольких граммов или даже миллиграммов {например, радиоактивные препараты).
Подобно тому, как опытный механик из отдельных частей собирает сложный механизм {а при необходимости и сам изготавливает некоторые части), химики научились «разбирать» сложные органические молекулы на составные части и соединять их в иной последовательности — по своему желанию. Появилась также возможность, не затрагивая остов молекулы, заменять в ней отдельные фрагменты другими, что приводит порой к полнейшему изменению всех свойств вещества. Как из рога изобилия посыпались новые методы и приемы синтеза самых разнообразных органических соединений.