Нобелевские премии. Ученые и открытия - Валерий Чолаков

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.

X. ПРИРОДНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Изучение веществ, содержащихся в живых организмах, привело в начале XIX в. к возникновению органической химии. Однако постепенно эта наука свелась в основном к исследованию многочисленных соединений углерода. Приблизительно в то же время возникла и биохимия, которая сосредоточила свое внимание преимущественно на сложных макромолекулах, по своему строению и свойствам резко отличающихся от простых соединений, с которыми имеет дело обычная химия. Промежуточное место между этими двумя областями химии занимает так называемая биоорганическая химия. Она изучает природные соединения, которые относятся к числу сравнительно низкомолекулярных, физиологически активных веществ и синтезируются в живых организмах[13]. В этой области работало немало известных ученых, труды которых значительно обогатили науку.