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. 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.
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.

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

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.


Подробнее см.: http://www.nkj.ru/archive/articles/28492/ (Наука и жизнь, Атомарная точность в создании сложных молекул).