Атомарная точность в создании сложных молекул

Кандидат химических наук Максим Абаев

Что такое атомарная точность? Физики, наверное, скажут, что это тот случай, когда для эксперимента значение имеет каждый конкретный атом.

Что такое атомарная точность? Физики, наверное, скажут, что это тот случай, когда для эксперимента значение имеет каждый конкретный атом. Например, с помощью атомно-силового микроскопа можно не только видеть отдельные молекулы и даже атомы на поверхности материалов, но и поштучно перемещать их произвольным образом. Исследователи из одной лаборатории даже сделали мультфильм, нарисованный самыми настоящими молекулами. Конечно, такие технологии создаются вовсе не для того, чтобы заниматься атомарной мультипликацией — манипулирование единичными атомами позволяет создать носители информации с невообразимой ёмкостью.

Наука и жизнь // Иллюстрации
Кадр из мультфильма «A boy and his atom», нарисованного атомами с помощью атомно-силового микроскопа. Иллюстрация: IBM.
Наука и жизнь // Иллюстрации

О том, что рано или поздно человечество научится обращаться с отдельными атомами и молекулами, говорил ещё в середине прошлого века известный физик Ричард Фейнман. Его пророческая фраза: «Там внизу много места» — фактически стала девизом, под которым развиваются современные нанотехнологии. Однако есть одна небольшая проблема. Да, мы научились манипулировать материей на атомарном уровне, однако таким образом пока невозможно создать вещество в сколько-нибудь значимом количестве. Чтобы осознать масштаб, который разделяет наномир и мир реальный, вы можете взять ручку и написать на листе число с двадцатью пятью нулями — именно столько молекул находится в обычном стакане с водой. Поэтому, если хочется «подвигать» атомы в осязаемых количествах, то существующие физические методы тут не помогут — слишком дорого и слишком долго. Так что в деле «массовой» сборки молекул пока продолжает господствовать химия. Правда, современная органическая химия уже очень сильно отличается от той, что изучают в старших классах школы.

Что представляет собой «классический» органический синтез? Помещаем в колбу вещество A, добавляем к нему вещество B, приливаем растворитель, нагреваем, перемешиваем и получаем вещество C. Потом из вещества C похожим образом получаем вещество D и так далее по цепочке. Схема хорошо выглядит на бумаге, однако на деле всё оказывается сложнее. После того как мы проведём первую из реакций, в колбе кроме нужного продукта окажутся различные примеси, растворитель, непрореагировавшие исходные вещества. Поэтому, прежде чем запускать вещество в следующую реакцию, его надо выделить из полученного «бульона» и очистить. А это опять же время, затраты, литры вредных растворителей и, что немаловажно, потеря продукта. Если для получения какого-нибудь сложного вещества, к примеру антибиотика, нужны не одна, не две, а около десяти последовательных стадий, то можно представить, какой объём химии выливается «в трубу» ради нескольких граммов конечного продукта. И чем сложнее вещество (а современные химики имеют дело с синтезом молекул, состоящих из нескольких сотен атомов и десятков функциональных групп), тем более затратным получается его получение. Нужно что-то делать.

Как присоединить к сложной молекуле новую группу или заменить одну на другую, не получая при этом килограммы ненужных веществ, не используя запредельных давлений и температур и не применяя экзотических растворителей? А ещё желательно, чтобы весь многостадийный синтез протекал в буквальном смысле в одной колбе — тут у химиков есть свой маленький корыстный интерес, не придётся перемывать гору грязной посуды. Надо сказать, что природа давно решила эту задачу, «разработав» свою химию — биохимию, где все реакции протекают при участии катализаторов, в качестве которых выступают ферменты. Однако чтобы воссоздать механизм ферментативных реакций, придётся фактически создавать искусственную клетку — со всем набором её сложнейших биохимических механизмов. Поэтому химикам хотелось чего-нибудь попроще, пусть оно будет и не таким эффективным. Так появилась концепция высокоселективных и атом-экономичных химических технологий — химических реакций, в которых мы получаем вещества сложного состава, нужного нам строения и делаем всё это максимально экологичным и наименее затратным способом.

Методы, по которым можно было «отщипнуть» от молекулы кусочек и практически хирургически пришить другой, были и раньше, однако чем сложнее становятся синтезируемые объекты, тем труднее химикам с ними обращаться. Например, если в молекуле есть одна функциональная группа, которую нужно заменить на другую, — здесь вполне сильной может показать себя обычная химия. Но вот если в молекуле десять одинаковых групп, а нужно, чтобы прореагировала только одна из них, то без использования селективного катализатора уже никак не обойтись. Поэтому многие сложные реакции просто не осуществимы без катализаторов, разработанных под конкретную реакцию. В целом это напоминает принцип, реализованный в живых системах, где каждой реакции соответствует свой фермент.

В 2014 году коллектив российских авторов, в который вошли представители 15 лабораторий и научных групп из Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска, Омска, Екатеринбурга, Бийска, сформулировал основные принципы проведения реакций для построения органических молекул с атомарной точностью. В обзоре, опубликованном в журнале «Успехи химии», описаны самые разнообразные каталитические методы синтеза соединений: от промышленного производства органических веществ до органической электроники и супрамолекулярных гелей — нового класса «умных» материалов, которые меняют свои свойства в зависимости от внешних воздействий.

Высокоселективные катализаторы могут с успехом заменить классические способы синтеза многих широко используемых веществ. Возьмём такой пример: когда вы покупаете средство для мытья посуды, то наверняка предпочитаете какой-нибудь определённый аромат — лимона, яблока или даже тропических фруктов. Как можно догадаться, никто ни лимоны, ни яблоки, ни уж тем более другие фрукты в моющие жидкости не добавляет, а их запах создаётся искусственными ароматизаторами. Наверное, это самая приятно пахнущая часть органической химии — соединения, принадлежащие к классу так называемых сложных эфиров. Классический способ синтеза сложного эфира состоит в проведении реакции между органической кислотой и спиртом в присутствии сильной неорганической кислоты, выступающей в роли катализатора — если вы ещё помните органическую химию из школы, то это реакция этерификации. А вот если использовать современные катализаторы, то сложные эфиры можно с высокими выходами получать из простых спиртов. Для этого нужно взять два разных спирта и рутениевый катализатор, как, например, в интересной реакции окислительного кросс-сочетания:

Идея концепции высокоселективного синтеза нашла отклик в международном научном сообществе. Уже в этом году вышел специальный выпуск научного журнала «Chemistry — An Asian Journal», посвящённый атомарной точности в каталитических превращениях.

Так что современная органическая химия постепенно движется от той, которая пахнет вредными растворителями и оставляет после себя сотни грязных колб, к вполне экологичной и экономичной «зелёной химии».

По материалам: Russ. Chem. Rev. 2014, 83, 885—985 и Chem. Asian J. 2016, 11, 328—329; doi.: 10.1002/asia.201501405.

Случайная статья

Статьи по теме


Товар добавлен в корзину

Оформить заказ

или продолжить покупки