Що таке атомарна точність? Фізики, напевно, скажуть, що це той випадок, коли для експерименту значення має кожен конкретний атом. Наприклад, за допомогою атомно-силового мікроскопа можна не тільки бачити окремі молекули і навіть атоми на поверхні матеріалів, а й поштучно переміщати їх довільним чином. Дослідники з однієї лабораторії навіть зробили мультфільм, намальований справжнісінькими молекулами. Звичайно, такі технології створюються зовсім не для того, щоб займатися атомарної мультиплікацією - маніпулювання поодинокими атомами дозволяє створити носії інформації з неймовірною ємністю.
Наука і життя // Ілюстрації
Кадр з мультфільму «A boy and his atom», намальованого атомами за допомогою атомно-силового мікроскопа. Ілюстрація: IBM.
Наука і життя // Ілюстрації
<
>
Про те, що рано чи пізно людство навчиться поводитися з окремими атомами і молекулами, говорив ще в середині минулого століття відомий фізик Річард Фейнман. Його пророча фраза: «Там внизу багато місця» - фактично стала девізом, під яким розвиваються сучасні нанотехнології. Однак є одна невелика проблема. Так, ми навчилися маніпулювати матерією на атомарному рівні, однак таким чином поки неможливо створити речовину в скільки-небудь значній кількості. Щоб усвідомити масштаб, який розділяє наносвіт і світ реальний, ви можете взяти ручку і написати на аркуші число з двадцятьма п'ятьма нулями - саме стільки молекул знаходиться в звичайному склянці з водою. Тому, якщо хочеться «посувати» атоми в відчутних кількостях, то існуючі фізичні методи тут не допоможуть - занадто дорого і дуже довго. Так що в справі «масової» збірки молекул поки продовжує панувати хімія. Правда, сучасна органічна хімія вже дуже сильно відрізняється від тієї, що вивчають в старших класах школи.
Що являє собою «класичний» органічний синтез? Розміщуємо в колбу речовина A, додаємо до нього речовина B, доливають розчинник, нагріваємо, перемішуємо і отримуємо речовина C. Потім з речовини C схожим чином отримуємо речовина D і так далі по ланцюжку. Схема добре виглядає на папері, однак на ділі все виявляється складніше. Після того як ми проведемо першу з реакцій, в колбі крім потрібного продукту виявляться різні домішки, розчинник, що не прореагували вихідні речовини. Тому, перш ніж запускати речовина в наступну реакцію, його треба виділити з отриманого «бульйону» і очистити. А це знову ж таки час, витрати, літри шкідливих розчинників і, що важливо, втрата продукту. Якщо для отримання якого-небудь складного речовини, наприклад антибіотика, потрібні не одна, не дві, а близько десяти послідовних стадій, то можна уявити, який обсяг хімії виливається «в трубу» заради кількох грамів кінцевого продукту. І чим складніше речовина (а сучасні хіміки мають справу з синтезом молекул, що складаються з декількох сотень атомів і десятків функціональних груп), тим більш витратним виходить його отримання. Потрібно щось робити.
Як приєднати до складній молекулі нову групу або замінити одну на іншу, не отримуючи при цьому кілограми непотрібних речовин, не використовуючи позамежних тисків і температур і не застосовуючи екзотичних розчинників? А ще бажано, щоб весь багатостадійний синтез протікав в буквальному сенсі в одній колбі - тут у хіміків є свій маленький корисливий інтерес, не доведеться перемивати гору брудного посуду. Треба сказати, що природа давно вирішила цю задачу, «розробивши» свою хімію - біохімію, де все реакції протікають за участю каталізаторів, в якості яких виступають ферменти. Однак щоб відтворити механізм ферментативних реакцій, доведеться фактично створювати штучну клітину - з усім набором її складних біохімічних механізмів. Тому хімікам хотілося чогось простіше, нехай воно буде і не таким ефективним. Так з'явилася концепція високоселективних і атом-економічних хімічних технологій - хімічних реакцій, в яких ми отримуємо речовини складного складу, потрібного нам будови і робимо все це максимально екологічним і найменш витратним способом.
Методи, за якими можна було «відщипнути» від молекули шматочок і практично хірургічно пришити інший, були і раніше, проте чим складніше стають синтезовані об'єкти, тим важче хімікам з ними звертатися. Наприклад, якщо в молекулі є одна функціональна група, яку потрібно замінити на іншу, - тут цілком сильної може показати себе звичайна хімія. Але от якщо в молекулі десять однакових груп, а потрібно, щоб прореагувала тільки одна з них, то без використання селективного каталізатора вже ніяк не обійтися. Тому багато складних реакції просто не здійсненні без каталізаторів, розроблених під конкретну реакцію. В цілому це нагадує принцип, реалізований в живих системах, де кожної реакції відповідає свій фермент.
У 2014 році колектив російських авторів, до якого увійшли представники 15 лабораторій і наукових груп з Москви, Санкт-Петербурга, Новосибірська, Омська, Єкатеринбурга, Бійська, сформулював основні принципи проведення реакцій для побудови органічних молекул з атомарної точністю. В огляді, опублікованому в журналі «Успіхи хімії», описані найрізноманітніші каталітичні методи синтезу сполук: від промислового виробництва органічних речовин до органічної електроніки і супрамолекулярних гелів - нового класу «розумних» матеріалів, які змінюють свої властивості в залежності від зовнішніх впливів.
Високоселективні каталізатори можуть з успіхом замінити традиційні методи синтезу багатьох широко використовуваних речовин. Візьмемо такий приклад: коли ви купуєте засіб для миття посуду, то напевно віддаєте перевагу який-небудь певний аромат - лимона, яблука або навіть тропічних фруктів. Як можна здогадатися, ніхто ні лимони, ні яблука, ні вже тим більше інші фрукти в миючі рідини не додає, а їх запах створюється штучними ароматизаторами. Напевно, це сама приємно пахне частина органічної хімії - з'єднання, що належать до класу так званих складних ефірів. Класичний спосіб синтезу складного ефіру полягає в проведенні реакції між органічною кислотою і спиртом в присутності сильної неорганічної кислоти, яка виступає в ролі каталізатора - якщо ви ще пам'ятаєте органічну хімію зі школи, то це реакція етерифікації. А ось якщо використовувати сучасні каталізатори, то складні ефіри можна з високими виходами отримувати з простих спиртів. Для цього потрібно взяти два різних спирту і рутенієвого каталізатор, як, наприклад, у цікавій реакції окисного крос-поєднання:
Ідея концепції високоселективного синтезу знайшла відгук в міжнародному науковому співтоваристві. Уже в цьому році вийшов спеціальний випуск наукового журналу «Chemistry - An Asian Journal», присвячений атомарної точності в каталітичних перетвореннях.
Так що сучасна органічна хімія поступово рухається від тієї, яка пахне шкідливими розчинниками і залишає після себе сотні брудних колб, до цілком екологічною і економічною «зеленої хімії».
За матеріалами: Russ. Chem. Rev. 2014 року, 83, 885-985 і Chem. Asian J. 2016, 11, 328-329; doi .: 10.1002 / asia.201501405.
Що таке атомарна точність?Що являє собою «класичний» органічний синтез?
