fbpx
ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І миттєво отримуй 9 електронних журналів Куншт у подарунок.

Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

Читати

Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

Повідомлення успішно надіслано

Для пошуку
введіть назву запису
Хімія — 07.10.21
ТЕКСТ: Володимир Саркісян
Ілюстрації: Каталіна Маєвська
Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
Ctrl+Enter.
Нобелівка‒2021: хімія. Революція у «молекулярному будівництві»

Шостого жовтня Шведська королівська академія наук оголосила імена лауреатів Нобелівської премії з хімії 2021 року. «За розробку асиметричного органокаталізу» ними стали хіміки Бенджамін Ліст з Інституту Макса Планка (Німеччина) і Девід Макміллан з Принстонського університету (США). Ці двоє вчених, що працювали незалежно один від одного, винайшли нову концепцію каталізаторів, які не містять атомів важких металів, ані природних ферментів. Нобелівський комітет вважає відкриття асиметричного органокаталізу (авторство терміну належить Девідові Макміллану) «революцією у молекулярному будівництві». І це насправді так.

Сьогодні вчені здатні відтворити у лабораторіях більшість природних речовин. Вже відтворені чи не всі рослинні алкалоїди та інші біологічно активні сполуки, і навіть створені подібні їм за дією цілком синтетичні речовини, що стали основою ефективних ліків. Стійкі й безпечні штучні барвники, міцні, витривалі й гіпоалергенні полімерні матеріали, створені впродовж останнього століття мистецтвом хіміків-синтетиків, давно перевершили свої природні аналоги. В сучасних лабораторіях синтезують навіть білки та нуклеїнові кислоти, які є основою життя.

 

Проблема полягає у тому, що такі синтези потребують доволі жорстких лабораторних умов: високих або наднизьких температур, присутності міцних кислот та лугів. Вони відбуваються повільно і з великою кількістю проміжних стадій та побічних продуктів. Ще на початку позаминулого століття шведський хімік Якоб Берцеліус помітив, що присутність в реакційному середовищі певних речовин, які ніби й не витрачаються в процесі реакції, полегшує її перебіг і зміщує рівновагу в бік утворення кінцевого продукту. Він назвав такі речовини каталізаторами, а сам процес – каталізом. 

 

Ідеї Берцеліуса знайшли широке визнання в період розквіту промислової хімії у ХХ столітті. Більшість виробничих хімічних процесів нині йдуть за участю каталізаторів – платини, міді, нікелю тощо. У харчовій і фармацевтичній промисловості широко застосовуються природні сполуки – ферменти, до складу яких також подекуди входять іони металів. Незалежно від природи каталізаторів, суть їхньої дії одна й та сама: маючи активний іонізований центр, вони утворюють з одним із реагентів так званий проміжний комплекс – нестабільну речовину, яка набагато охочіше взаємодіє з іншими компонентами реакції, ніж нативний реагент. Після цього проміжний комплекс руйнується, звільняючи молекулу каталізатора. Природа цього явища проста: сума енергій, що витрачаються на процеси утворення проміжного комплексу і шуканої речовини менша за енергію утворення хімічного зв’язку безпосередньо між реагентами. Природно, що метали, яким властива легша іонізація, ніж неметалам, частіше виступають в якості таких активних точок каталізу. Втім, відомі й каталізатори, які не містять іонів металів, наприклад, хлоридна кислота або пероксид гідрогену.

 

Каталітичні реакції вельми вимогливі до складу реагентів і їхньої чистоти: іноді незначна кількість забруднень здатна повністю вивести з ладу недешевий каталізатор, поєднуючись із ним у неактивну сполуку. Технологи називають це явище отруєнням каталізатора. Водночас, Природа, ніби глузуючи з учених, щосекунди синтезує й перетворює у живій матерії надскладні органічні молекули, не потребуючи для цього граничних температур і не ставлячи особливих вимог до реагентів. 

 

Площиною поляризації називається геометрична площина, проведена через напрямок розповсюдження електромагнітного випромінювання, зокрема світла, в якій лежить вектор коливання електричного вектора цієї хвилі. Певні речовини, структурні властивості яких відрізняються у різних напрямках (анізотропні), так само по-різному пропускають світло. Обертаючи прозору анізотропну платівку у світловому потоці, можна побачити, як його інтенсивність змінюється. Якщо ж помістити у попередньо поляризований світловий промінь ще одну анізотропну речовину, як-от розчин оптично активної сполуки, вектор поляризації вихідного потоку повернеться відносно вхідного на певний кут, який можна виміряти.

У 1848 році, розглядаючи у мікроскоп препарат натрій-амонійної солі винної кислоти, Луї Пастер помітив, що деякі кришталики її мають одну форму, інші – ніби дзеркально обернені стосовно перших, і як їх не перевертай з боку на бік, не суміщаються один з одним, як ліва рука із правицею. За допомогою препаративної голки Пастер відділив одні кристали від інших, вважаючи їх різними сполуками. Однак хімічний аналіз показав, що це одна й та сама речовина. Такі сполуки назвали енантіомерами, а саме явище – хіральністю (від грецького χέρι – рука). Згодом виявилося, що енантіомери у розчинах по-різному заломлюють поляризоване світло: одні обертають площину поляризації ліворуч, інші – праворуч. Їхня ж суміш, яку звуть рацематом, площину поляризації не обертає. Але це так і залишилося б суто академічною забавкою, якби не з’ясувалося, що енантіомери природного походження майже всі є лівообертальними. Ба більше, лише такі «ліві» молекули у рацематі мають біологічну активність! Так, наприклад, в препараті атропіні, який є сумішшю двох енантіомерів, активним є лише лівообертальний гіосціамін (той самий, яким Клавдій отруїв короля Гамлета). Правобертальний ізомер є просто нікчемним баластом! Цю проблему ще 1946 року окреслив письменник Артур Кларк. В його оповіданні «Технічна помилка» інженер, який за збігом обставин став власною оберненою копією, буквально помирав з голоду, хоча їжі не бракувало. Продукти класичного хімічного синтезу майже завжди є рацематами. Цілеспрямоване отримання лише одного з енантіомерів або є надскладним, або просто технічно неможливим. Що ж робити? 

 

Можна, звісно, отримувати рацемат, а потім, як колись Пастер, сортувати голкою кристали – адже хімічні властивості переважної більшості енантіомерів абсолютно однакові. Але, погодьтеся, для промисловості це тупиковий шлях. Можна вводити хворим рацемат, сподіваючись на те, що «правий» ізомер ніяк не вплине на здоров’я. Втім, гірка трагедія 1960-х, коли правообертальний ізомер препарату «Талідомід» став причиною вад ембріонального розвитку тисяч дітей, перекреслила й цей варіант. Бенджамін Ліст і Девід Макміллан вирішили водночас всі перелічені проблеми. Вони розробили силу-силенну дешевих і стійких до «отруєння» органічних каталізаторів на основі амінокислот, які є доволі простими в сенсі молекулярної структури. До того ж їхні органокаталізатори в кілька разів скорочують кількість стадій синтезу шуканої речовини, уможливлюючи каскадні реакції. І, врешті, асиметричний каталіз суттєво зміщує хімічну рівновагу в бік утворення одного з енантіомерів, тобто домішки неактивного ізомера у продуктах реакції є мінімальними.

 

Нобелівський комітет так резюмував це без перебільшення вікопомне відкриття: «Бенджаміну Лісту та Девіду Макміллану вдалося знайти геніальне вирішення проблеми, з якою хіміки боролися десятиліттями».

ТЕКСТ: Володимир Саркісян
Ілюстрації: Каталіна Маєвська
Статті
Промо
Проєкт інтелект. Епізод 8: Як приміряти одяг, не заходячи до магазину

Як приміряти одяг, не заходячи до магазину?

Наука
Коли хімія стає зброєю. Уривок з книжки «Вибухова історія людства»

Людство має бойові отруйні речовини і ядерну зброю, вічне джерело енергії, яке водночас може спричинити техногенні катастрофи і радіаційне зараження. Як все це винайшли?

Ідеї
Довіряй, але перевіряй: інтерв’ю з головним редактором журналу «Скептик» Майклом Шермером

У будь-яку мить може з'явитися нова теорія змови. Як зрозуміти, що це омана, і переконати інших довіряти фактам?

Спалах
Світ – велика пробірка: як людям доведеться пристосовуватися до нових мутантів коронавірусу

З’ясовуємо, чим штам вірусу відрізняється від варіанта, як може мутувати коронавірус та як це вплине на розвиток пандемії.

Медицина
Тетрада Фало. Уривок з книжки «Сміх у кінці тунелю»

Лікарям часто доводиться стикатися з труднощами, робити складний вибір і працювати під шаленим тиском. Про свій досвід розповів анестезіолог Іван Черненко у книжці «Сміх у кінці тунелю», яка вийшла у видавництві «Віхола».

Промо
Проєкт інтелект. Епізод 7: Чи може смарт-годинник врятувати життя

Українська компанія Mawi створює смарт-годинники спеціально для вимірювання життєвих показників людини. Про неї сьогодні й поговоримо! 

Повідомити про помилку

Текст, який буде надіслано нашим редакторам: