Техника-молодежи №2 2000 г
 
 
ГЛАВНАЯ
СОДЕРЖАНИЕ
ВПЕРЕД
НАЗАД

Круглые даты всегда служат поводом для подведения итогов и составления прогнозов. Поэтому в конце XX века (не следует забывать, что XXI век начнется только 1 января 2001 года!) трудно не попытаться проанализировать достижения науки минувших лет и не оценить перспективы ее дальнейшего развития. В частности - науки о веществах и их превращениях. То есть химии, о которой еще Михаил Васильевич Ломоносов говорил, что она «широко простирает руки свои в дела человеческие»...

И возвращается химия на круги своя

Первая древнейшая наука

Самыми первыми учеными на Земле были наши доисторические предки, научившиеся добывать огонь и пользоваться им для приготовления пищи. Это значит, что химия - древнейшая из всех естественных наук, потому что процессы, происходящие при горении, при варке и жарке, - сугубо химические, связанные с превращениями веществ. Древние люди, - ставшие собственно людьми именно после овладения силой огня, - освоили и другие химические технологии, научившись обжигать глину, выделывать шкуры животных, выплавлять из руды металлы.

Алхимики, пытавшиеся получить философский камень, изучили свойства множества веществ и превратили свое занятие в своеобразное ремесло. А наукой, способной не только констатировать факты, но и предвидеть результаты манипуляций с веществами, химия стала лишь в прошлом веке, после открытия периодической системы элементов и создания теории строения органических соединений.

Но химия до сих пор имеет двойственный характер. С одной стороны, ее задача заключается в познании глубинных механизмов превращений веществ; с другой стороны, в умении пользоваться этими знаниями для тех или иных сугубо практических надобностей. Поэтому химию принято делить на фундаментальную и прикладную, хотя грань между ними всегда была весьма зыбкой.

Уходящий XX век ознаменовался многими замечательными достижениями в области химической теории и химического эксперимента, которые просто невозможно перечислить. Однако заметны явные признаки того,что химия в значительной мере выработала свой ресурс как фундаментальная наука и в ближайшем будущем станет наукой по преимуществу прикладной.

Элементарно, Ватсон!

В первой половине XX века химия привлекала к себе внимание не только тем, что позволяла узнать много нового о природе вещей и давала ценные практические плоды, но и тем, что сама несла в себе некую тайну. В самом деле, уже давно никто не сомневался в реальности существования атомов и молекул, но их еще никто не видел. Поэтому работа химика была чем-то сродни деятельности детектива, раскрывающего преступление по косвенным уликам, что уже само по себе было увлекательнейшим занятием.

Например, если следовало узнать структуру молекулы какого-нибудь ценного природного лекарства (что было необходимо для того, чтобы потом его искусственно синтезировать), то поступали так. Это вещество подвергали разрушающему действию различных реактивов в различных условиях, выделяли продукты реакций (структура которых тоже была неизвестной), их вновь вслепую подвергали химическим превращениям - и так далее, до тех пор, пока не получали какое-нибудь простейшее соединение известного строения. А потом, пользуясь дедуктивным методом Шерлока Холмса, шаг за шагом восстанавливали исходную картину «преступления». О том, сколь тяжким был этот труд, свидетельствует хотя бы тот факт, что строение алкалоида морфина (рис. 1), выделенного в чистом виде в начале XIX века, удалось окончательно установить лишь в 1952 году!

Теория и эксперимент

Примерно до второй трети нынешнего века воздух любой лаборатории был пропитан необычными запахами - порой, приятными, порой, отвратительными, но всегда милыми сердцу (вернее, носу) химика. Это было неизбежно, потому что химия, несмотря на существование уже достаточно глубоко разработанной теории строения веществ, все еще продолжала оставаться сугубо экспериментальной наукой, за что физики ее не очень уважали и упрекали в «ползучем эмпиризме».

Физика начала активно вторгаться в химию лишь в послевоенные годы, когда для описания строения веществ и предсказания их свойств стали использовать методы квантовой механики. Суть их заключалась в том, что реальное строение молекулы описывалось как бы взаимодействием (суперпозицией или резонансом) нескольких предельных структур, существующих только на бумаге. Например, строение реальной молекулы бензола описывалось суперпозицией пяти различных формул (рис.2).

Разумеется, это была чисто математическая процедура, вовсе не отрицающая объективного существования молекул. Но советские философы-материалисты узрели в этом идеалистическую ересь и организовали травлю сторонников теории резонанса по всем правилам того времени.

Летом 1951 г. состоялось Всесоюзное совещание Отделения химических наук АН СССР, посвященное борьбе с «лженаучной» квантовой химией. Как известно, в эти же годы состоялся погром генетики и кибернетики, на очереди были химия и физика. И если физика благополучно избежала наказания (каким бы идеализмом она ни пахла, атомная бомба - вполне материальное изделие!), химии досталось на орехи. Читать стенограмму этого совещания (она была издана в виде толстого тома в твердом переплете) и смешно, и грустно; слова умных и порядочных людей вдребезги разбивались о стену глупости и подлости зачинщиков этого позорного действа, которое закончилось, как было принято в те времена, покаянием виновных, бурными, долго не смолкающими аплодисментами и трогательным обращением к гениальному вождю всех времен и народов...

Вообще-то говоря, химики отделались от этой напасти куда легче, чем генетики и кибернетики: никто из них не угодил за решетку, все ограничилось лишь обычными (хотя и весьма болезненными) оргвыводами. Но, тем не менее, в области квантовой химии наша страна успела отстать от Запада; тому способствовало и отставание в области вычислительной техники, без которой серьезные квантово-механические расчеты совершенно невозможны.

А от этого пострадала и наша экспериментальная химия. Так, именно квантово-механические расчеты позволили предсказать возможность существования соединений инертных газов, впервые полученных западными учеными в 1962 г., и сейчас используемых, например, в лазерной технике. Пострадала и наша химическая промышленность, поскольку именно благодаря быстродействующим ЭВМ можно оптимизировать и автоматизировать химико-технологические процессы.

Ну а сейчас, когда с компьютерами у нас уже нет проблем, возник другой перекос: скажите, почему воздух многих отечественных химических лабораторий стал чистым и свежим? Да потому, что их сотрудники стали заниматься сугубо теоретическими исследованиями, не требующими ни дорогостоящих реактивов и оборудования, ни интуиции и экспериментального мастерства.

Но как может существовать химия без реальных экспериментов, результатами которых можно было бы воспользоваться на практике?

Съедобные плоды знания

Физика начала вторгаться и в святая святых химии - в эксперимент. Для определения структуры молекул стали использовать различные спектроскопические методы, основанные на способности вещества специфически взаимодействовать с электромагнитным излучением. Химики как бы прозрели, дедуктивные методы перестали играть решающую роль. А рентгеноструктурный анализ вообще позволил в некоторых случаях сразу же получать изображения молекул (в частности, именно с помощью этого метода удалось узнать строение ДНК). Работа пошла быстрее: то, на что раньше требовались усилия нескольких поколений химиков, удавалось сделать уже за считанные месяцы. Но, вместе с тем, такая работа в значительной мере потеряла привлекательность таинственной «кухни алхимика".

Кстати, о кухне. Один наш современник, - в прошлом талантливый химик, а ныне преуспевающий бизнесмен, - как-то высказал занятную мысль: плоды химии должны быть съедобными. И действительно, разбогател, использовав результаты своей научной работы для изготовления деликатесов.

Впрочем, он был не оригинален. Один из патриархов отечественной органической химии, академик Н.Д. Зелинский, всю свою жизнь изучал углеводороды нефти и тем самым заслужил мировую известность. Но в голодные годы Гражданской войны вдруг переключился на исследование белков и углеводов. Суть его работы заключалась в том, что он варил в лабораторном автоклаве казенного гуся и анализировал полученный бульон, содержащий смесь пептидов и аминокислот, а то, что оставалось (можно смело утверждать) вряд ли выливал в раковину; точно также он вряд ли использовал только в научных целях и мед, из которого выделял углеводы... Никаких ценных результатов эти исследования не дали, и как только голод закончился, Николай Дмитриевич Зелинский немедленно вернулся к изучению любимой нефти.

Другой наш выдающийся химик, академик А.Н. Несмеянов, прославившийся своими исследованиями элементо-органических соединений, вдруг в середине 60-х гг. выступил с предложением использовать методы химической технологии для изготовления пищи (что, возможно, объяснялось его строгим вегетарианством). В качестве первого объекта он избрал черную икру, и действительно, вскоре его сотрудники научились ее делать из молочного казеина. До недавнего времени этот вполне съедобный и сравнительно дешевый продукт можно было встретить на прилавках магазинов под названиями «Искра» (то есть «искусственная икра») или «Икра белковая». По этому поводу коллега Несмеянова как-то ехидно заметил: «Проблему выпивки давно решили химики всего мира. Но вот проблемой закуски занимается только Александр Николаевич!».

Справедливости ради следует сказать, что в использовании достижений химии для производства пищи нет ничего низкого, смешного или зазорного. Они позволяют намного эффективнее, чем традиционные методы, использовать сельскохозяйственную продукцию. Так, с помощью химических и физико-химических методов любой растительный белок можно напрямую превратить в котлету, по вкусу неотличимую от натуральной, не прибегая к помощи животного. Но результаты, полученные учениками Несмеянова, не были, к сожалению, востребованы нашей пищевой промышленностью - возможно, из-за своеобразной хемофобии. А ведь на Западе, где люди гораздо требовательнее относятся к качеству пищи, успешно производится и реализуется мясо, творог и молоко, изготовленные из сои с использованием элементов химической технологии. (Об этом мы, кстати, писали неоднократно, но, увы, безрезультатно - см. хотя бы статью Ю.Федорова «Яства, сконструированные по заказу» в «ТМ», № 10 за 1975 г. - Ред.).

Конец культа чистоты

Важнейшими химическими процедурами, разработанными еще алхимиками, всегда были методы очистки веществ от посторонних примесей: перегонка, сублимация, кристаллизация, осаждение. А в XX веке были созданы и более эффективные методы разделения смесей веществ - например, различные виды хроматографии.

Для чего это нужно? Во-первых, только чистое вещество, состоящее из молекул одного сорта, можно охарактеризовать определенными химическими и физическими свойствами, в то время как свойства смесей неопределенного состава непредсказуемы. Во-вторых, разделение на компоненты сложных природных смесей органических соединений позволило выделить ценные биологически активные компоненты, используемые в медицине, а также разобраться в молекулярных механизмах процессов жизнедеятельности. В-третьих, не используя методы очистки, невозможно целенаправленно синтезировать вещество даже сравнительно простого строения.

Дело в том, что если из вещества А необходимо получить вещество Б, затем превратить его в вещество В и так далее, чтобы в конечном счете получить целевой продукт, - скажем, какое-либо лекарство, - то после каждой такой стадии необходимо избавляться от примесей, так как в ином случае число молекул неизвестного строения (и неизвестных свойств) будет расти в геометрической прогрессии, а количество нужного вещества столь же стремительно станет убывать.

Величайшим достижением органической химии по праву считается синтез витамина B12(рис.3), выполненный лауреатом Нобелевской премии Робертом Бёрнсом Вудвордом в 72 (!) стадии. Если допустить, что на каждой стадии он получал бы смесь только двух веществ и, не разделяя их, проводил последующие реакции, то, в конце концов, получил бы смесь более 10^54 соединений!

Однако в последние годы стала развиваться так называемая комбинаторная химия, решающая противоположную задачу - как можно быстрее получать смеси как можно большего числа различных молекул. Это связано с тем, что синтез индивидуальных веществ крайне трудоемок, и обнаружить среди 10^180 теоретически возможных соединений углерода (это чудовищно большая величина!) вещество с нужными полезными свойствами до сих пор во многом остается делом везения, хотя существующие методы компьютерного моделирования и позволяют сократить поиск. А методы комбинаторной химии основаны на том, что продукты реакций, получаемые на каждой синтетической стадии, не разделяются на индивидуальные компоненты. В результате этого, в конечном счете, образуется сложнейшая смесь молекул, среди которых можно быстро обнаружить вещества с полезными свойствами, а затем уж синтезировать их по отдельности традиционными методами.

Атомно-молекулярная технология

Деятельность химиков-синетиков первой и начала второй половины XX века можно сравнить с работой архитекторов, представляющей сплав искусства и знаний, а не прорабов, возводящих здания по готовым чертежам Так, уже упоминавшийся синтез витамина B12, был плодом высочайшего творчества, потребовал сочетания интуиции и точного расчета, позволивших создать молекулу беспрецедентной сложности. В те же годы возникло и новое модное направление - синтез соединений углерода, молекулы которых имеют формы строгих геометрических фигур. Например, куба или додекаэдра (рис. 4, 5). а также все более и более экзотических конструкций: имеющих форму ленты Мёбиуса, цепи, гантели, узла (рис.6 - 9). Появились молекулы-клетки, молекулы-сэндвичи и молекулы-шашлыки... Синтез подобных структур тоже был творческой работой, требовал от химиков изобретательности и экспериментального мастерства.

А потом вдруг выяснилось, что сложнейшие молекулы можно получать не мудрствуя лукаво, а лишь комбинируя различные физические воздействия на вещество, в результате которых атомы соединяются друг с другом сами собой, как бы по чертежам, изготовленным природой. Так удалось получить небезызвестные фуллерены - вещества состава С^60 (рис.10), молекулы которых имеют форму мячика, в середину которого можно заключать атомы различных металлов; у этих веществ была обнаружена склонность к сверхпроводимости. Такими же чисто технологическими приемами были синтезированы нанотрубки (рис.11), то есть трубчатые углеродные конструкции, имеющие размеры порядка нанометров, миллиардных долей метра: нанотрубки, нафаршированные атомами металлов, считаются перспективными элементами микроэлектроники будущего.

В какой-то мере это напоминает то, что в последние годы происходило в молекулярной биологии и генной инженерии: если лет тридцать назад расшифровка генетического кода, выяснение механизма считывания наследственной информации и его использование для синтеза, скажем, инсулина или интерферона считались крупнейшими научными достижениями, то теперь биотехнологические методы получения лекарств и трансгенных организмов стали рутиной.

Конечно, было бы неосмотрительно утверждать, химия и смежные с ней области знания перестали быть наукой, что все важнейшие открытия уже сделаны. Однако следует честно признать, что в предвидимом будущем манипуляции с атомами и молекулами будут все больше и больше преследовать не познавательные, а сугубо прикладные цели, используя все более и более рутинные методы.

Совершив гигантский виток, химия возвращается к своим изначальным сугубо прагматическим задачам, первые из которых решал огонь древнего костра.



Михаил
БАТАРЦЕВ

на предыдущую страницу к началу этой страницына следующую страницу