Акупунктура, Аюрведа Ароматерапия и эфирные масла, Консультации специалистов: Рэйки; Гомеопатия; Народная медицина; Йога; Лекарственные травы; Нетрадиционная медицина; Дыхательные практики; Гороскоп; Правильное питание Эзотерика

0. Введение

0.1. Предисловие от автора

Когда я учился в школе, в кабинете химии друг напротив друга висело два плаката с классическими для позднесоветских кабинетов химии цитатами. Одна из них висела рядом с портретом М. В. Ломоносова: «Широко распростирает химия руки свои в дела человеческие… Куда ни посмотрим, куда ни оглянемся, везде обращаются перед очами нашими успехи её прилежания», а поверх текста второй суровыми глазами на наш класс смотрел первый пролетарский писатель М. Горький: «Химия – это область чудес, в ней скрыто счастье человечества, величайшие завоевания разума будут сделаны именно в этой области».

С момента окончания школы прошло три десятка лет, за которые изменилось многое: химию в школах стали изучать меньше, к первому пролетарскому писателю стали относиться без пиетета и придыхания. В итоге за эти годы мы пришли к тому, что в наши дни химия все также продолжает широко распространять свои руки в наши дела, но вот людей, которые склонны считать её «областью чудес», стало гораздо меньше. Как-то так произошло, что химия стала вызывать опасение и страх, расцвёл иррациональный страх перед всем «химическим» – хемофобия.

Приметой времени являются книжки-советы из серии «Как убрать дом без химии», в которых рекомендуется пользоваться содой, уксусом и лимонной кислотой, самыми что ни на есть продуктами крупнотоннажного химического производства (возможно, для некоторых читателей может оказаться неожиданностью, что в наше время лимонную кислоту не получают из лимонов, точно также как и муравьиную кислоту уже давно не получают из муравьев). В Интернете регулярно появляется кто-то, разоблачающий пищевые добавки или дающий советы из серии: «Чем опаснее химическое вещество, тем сложнее его название» (по логике таких советчиков хлор гораздо менее опасен, чем ДНК, полное название которой «дезоксирибонуклеиновая кислота»). В конечном итоге и в российской, и в международной инфосфере мы можем столкнуться с огромным количеством легенд и страшных историй на ночь, связанных с химией.

Бывает, что коллеги, которым «не за себя, а за химию обидно», высмеивают подобные нелепости, запуская «контрлегенды». Чего стоит одна мистификация с дигидрогена моноксидом – использование незнакомого широкой публике названия воды и описание её фатальных (но при этом вполне рельных) свойств в попытке убедить общественность в необходимости тщательной регуляции или даже полного запрета на использование этого вещества. И хотя шутка зашла далеко – первое упоминание о злокозненном дигидрогена моноксиде датируется 1990 годом, а в 1998 году, несмотря на большое количество промежуточных разоблачений, член австралийского парламента объявил о начале кампании по запрещению дигидрогена моноксида на международном уровне, – людей, которых пугает «дигидрогена моноксид», можно встретить где угодно.

Однако настоящие истории, связанные с открытием химических веществ, обнаружением их полезных свойств, просто рассказы о веществах гораздо интереснее придуманных (и чаще всего неправильных) легенд. Мне всегда казалось, что такие рассказы смогут избавить тех, кто их прочтет, от иррационального страха перед всем химическим, заинтересовать химией и сделать так, чтобы все больше и больше людей (причём не обязательно тех, чья профессия так или иначе связана с химией) перестали бы воспринимать вещества, полученные с помощью химического синтеза, как что-то опасное, и приблизились к горьковскому восприятию химии. Идеальным конечно же было бы всеобщее отношение к химии как к «области чудес», но будем реалистами – к сожалению, даже среди моих коллег есть те, кто опасается химии гораздо больше, чем следовало бы (справедливости ради стоит отметить, что работать в химическом институте и совсем не бояться химии – тоже не самый лучший способ поведения).

Можно сказать, что материал для этой книги подбирался, обрабатывался и писался более 10 лет. С 2006 года я начал ежедневно следить за новостями в химии и областях, с ней связанных, а наиболее интересные факты и открытия адаптировать для краткого рассказа о них в Сети, обеспечивая работу раздела «Новости химии» сайта www.chemport.ru, в 2012 году появилось название этой книги «Жизнь замечательных веществ». Тогда это был тэг для рассказов об известных и не очень известных веществах на страницах Живого Журнала (в 2013 году цикл рассказов о веществах, объединенных этим названием, даже занял первое место в конкурсе научных блогов, организованном интернет-изданием «Наука и технологии России – STRF.ru»). С 2016 года я регулярно сотрудничаю с журналом «Химия и жизнь. XXI век», где ежемесячно освещаю новости химии в разделе «Хемоскоп» и пишу рассказы и про замечательные вещества, и про не менее замечательных ученых, открывших эти вещества. Материалы, вошедшие в эту книгу, были написаны в период с 2006 по 2017 год, хотя, конечно, большая их часть датируется последними двумя-тремя годами.

Надеюсь, что читателю понравится читать рассказы о жизни замечательных веществ хотя бы так, как мне нравилось их писать, подбирая материал, отбирая его по различным источникам. Ну а наилучшей наградой, которую я бы мог заслужить, станет то, что читатели этой книги заинтересуются химией и она не будет последней научно-популярной книгой (а может, и серьезной научной), которая будет ими прочитана. Всё же я искренне вместе с М. Горьким считаю, что химия – это область чудес, а настоящие замечательные открытия в области химии нас ещё ожидают впереди.

0.2. Случайность или непознанная закономерность?

Химия – наука экспериментальная, и без корректно поставленного эксперимента, проверяющего теоретические догадки учёного, представить её невозможно. Иногда эксперимент удается (и это хорошо), иногда – не удается (это, конечно, нехорошо, но без этого никуда не денешься), а иногда (и это самый интересный случай) эксперимент даёт нам замечательные, но неожиданные результаты.

Если бы в результате экспериментов мы получали то, что планируем, в принципе, экспериментальная наука, наверное, была бы и не нужна. Но нам не всегда удается предугадать результаты эксперимента, что, с одной стороны, плохо – бывает жаль потраченных времени и усилий, а с другой, иногда и хорошо – опытный экспериментатор может обернуть любую конфузию в викторию, и даже если что-то пошло не так или даже кто-то что-то пролил, облизал испачканные реагентом пальцы или просто вдохнул пары реагента – есть ещё шанс получить из этого выгоду в виде нового знания или полезного вещества. Особенно часто ситуация, описанная в бессмертной комедии А. С. Грибоедова: «Шёл в комнату, попал в другую…» – встречалась в те времена, когда у химии не было теоретической базы (точнее говоря, база-то была, но была она несколько своеобразной), и сначала алхимики, а потом и химики вели свой научный поиск методом проб и ошибок.

Например, открытие углеродных нанотрубок уже нельзя полноправно считать достижением XXI века. Оказывается, их открытие было предвосхищено средневековыми арабскими оружейниками, их Дамасские клинки, показавшие крестоносцам истинное значение выражения «холодная сталь», обладали своими уникальными свойствами из-за армирующих материал клинка углеродных нанотрубок.

Петер Пауфлер (Peter Paufler) и его коллеги из Дрезденского технического университета обнаружили углеродные нанотрубки в дамасской сабле 17 века при изучении ее микроструктуры (Nature, 2006, 444, 286). Наиболее интригующим являлось то, что нанотрубки были инкапсулированы в линейные структуры, образованные карбидом железа. По мнению учёных, такая организация материала клинка могла обуславливать механическую прочность и остроту Дамасских мечей.

Европейцы приписывали Дамасским клинкам волшебные свойства. Только волшебством можно было объяснить столь острую заточку меча, способного разрезать шелковый платок, просто падающий на лезвие, и одновременно способность клинка разрубать оружие и доспехи из менее качественной стали, не теряя своей остроты.

Проблема, с которой сталкивались средневековые оружейники, заключалась в том, как получить одновременно жёсткую и ковкую сталь. Большое количество углерода сделает сталь твердой, но хрупкой, малое содержание углерода приведет к образованию более ковкого материала, который, однако, будет настолько мягок, что не сможет образовать жёсткой режущей кромки при заточке. Клинки дамасской стали ковали из небольших по размеру слитков железа, содержавших 1,6–1,7 % углерода. Эти слитки [их еще называют вутц (wootz)] производились в Индии, экспортировались в Дамаск, где опытные оружейники превращали их в клинки.

Сканирующий электронный микроскоп позволяет разглядеть нанотрубки в дамасском клинке (рисунок из Nature, 2006, 444, 286).

Сталь, содержащая такое количество углерода, обычно образует пластины цементита (Fe₃C), который в свою очередь делает сталь ломкой. Однако в ходе выплавки дамасской стали при температуре около 800 градусов Цельсия в исходный материал вносили небольшое количество добавок, представляющих собой элементы первого ряда переходных металлов (например: ванадий, хром, марганец, кобальт и никель), вольфрам и некоторые редкоземельные элементы. Совместное и одновременное внесение этих добавок в сталь приводило к тому, что отдельные пластины цементита объединялись, формируя его нановолокна. Все это давало клинкам прочность, ковкость и характерный волнообразный рисунок микроструктуры. Искусство ковки дамасской стали было потеряно к XVIII веку благодаря истощению запасов сырьевой базы как для железосодержащих руд, так и для легирующих добавок.

Ранее проводимые исследования микроструктуры дамасской стали показывали на наличие нановолокон цементита в материале. Сейчас группа Пауфлера обнаружила наличие нанотрубок в стали. Это открытие было сделано следующим образом: небольшой образец материала клинка был корродирован действием плавиковой кислоты, после чего материал изучался с помощью сканирующего электронного микроскопа с высоким разрешением.

Нанотрубки могли образоваться в результате добавок некоторых растительных ингредиентов ещё на стадии образования вутца. Ученые предполагают, что образованию углеродных нанотрубок могла способствовать древесина Cassia auriculata и листья Coltropis gigantean. Таким образом, эмпирически оптимизируя процесс выплавки стали и ковки клинка, средневековые мастера получили наноматериалы ещё несколько сотен лет назад, правда, естественно, ответить на вопрос: «Благодаря чему клинок, скованный на Востоке, превосходит свойствами клинок, скованный на Западе», – металлурги и алхимики и Саладина, и европейских правителей не могли, и переход на древесный уголь из других сортов древесины привёл в конечном итоге к «утере» секрета дамасской стали.

Пожалуй, учитывая все обстоятельства, самый приятный из всех химических сюрпризов произошел в 1669 году, когда алхимик Хенниг Бранд попытался получить золото, нагревая мочу с песком.

Спрашивается – зачем он взял такие неожиданные исходные вещества для трансмутации? Ответ прост: принцип подобия, который использовали алхимики, в те времена касался не только растворимости, а чуть более, чем всего – запахов, вкуса, внешнего вида. Исходя из принципа подобия, теоретической базой для подбора условий проведения эксперимента послужило то, что и золото, и моча отличаются одинаковым цветом. Конечно же, Хенниг Бранд не смог выпарить золото из мочи, но в историю химии вошел как первооткрыватель нового элемента – фосфора.

Открытие удалось сделать благодаря тому, что помимо мочевины и мочевой кислоты моча содержит метафосфат натрия, а при высокой температуре её органические компоненты обугливаются до углерода, который при нагревании может восстановить фосфор из фосфата. Бранд хранил свой метод получения нового вещества в тайне (из-за свечения считая его облегчённой версией философского камня), но в 1680 году независимо от него Роберт Бойль опубликовал рецепт получения фосфора по такой же методике – при нагревании мочи с песком. Специалисты по химии фосфора и фосфорорганических соединений до сих пор уверены в том, что главное достижение алхимии – тот самый эксперимент Бранда и позднее Бойля, который позволил открыть новый (тогда) и уникальный (до настоящего времени) химический элемент.

В наши дни фосфор производится путем восстановления фосфатов (например, фосфатов кальция – апатитов) с песком и коксом в электрической печи при температуре около 1200 °C. Основной компонент песка – диоксид кремния – вступает в реакцию с фосфатом, образуя оксид фосфора P₂O₅, ну а входящий в состав кокса углерод восстанавливает P₂O₅ до элементарного фосфора.

Свою роль случайности сыграли и при разработке химических процессов, связанных с фотографией. К 1835 году француз Луи Дагер разработал такое светочувствительное устройство, как покрытая серебром и обработанная парами йода медная пластина. Дагер подверг пластинку действию света и положил её на шкаф, а когда через некоторое время он вернулся к ней, на пластинке проявилось изображение. Расследование показало, что в шкафу лежал разбитый ртутный термометр, и пары ртути проявили изображение.

В 1837 году Дагер запатентовал фотографическую систему, получившую название «дагеротип», для получения изображения с помощью которой необходимо было подвергнуть металлическую пластинку воздействию света, обработать пластинку парами ртути и закрепить его соленой водой. Метод Дагера, ставший началом современной фотографии, был небезопасен для здоровья, долог и трудоемок, но по тем временам дагеротипы были прорывом в области создания изображений.

Благодаря счастливой случайности был открыт и состав нержавеющей стали. Примерно в 1910 году британский металлург Гарри Брирли (Harry Brearley) пытался создать новый сплав для ружейных стволов, способный выдержать стрельбу патронами большей мощности, однако каждый из образцов полученных сплавов проваливал тесты, не обладая достаточной прочностью, и Брирли свалил все неудачные образцы в сыром углу своей лаборатории, где те лежали и ржавели.

В один прекрасный день, глядя на плоды своих неудачных экспериментов, Брирли с удивлением обнаружил, что один образец так и не был тронут ржавчиной. Металлург взял этот кусок сплава и проанализировал его – это был первый образец нержавеющей стали. Обратив конфузию в викторию, Брирли, не получивший господдержки на производство оружейной стали, быстро сориентировался и скооперировался с производителем посуды, получив подряд на изготовление материала для столовых приборов. В наши дни мы настолько привыкли к столовым приборам из нержавейки, что даже не можем оценить, каких огромных усилий и какого везения стоило Брирли его изобретение.

Хотя к концу ХIХ века химия накопила достаточное количество теорий и обобщений, чтобы посматривать на своего предка – алхимию – с легким пренебрежением и чувством собственного превосходства, случайные открытия не прекратились, а можно даже сказать, что участились.

Так, до целенаправленной разработки и открытия компанией NutraSweet подсластителя неотама (Е-961) в 2002 году каждый из подсластителей-заменителей сахара находили неожиданно – если кто-то случайно пробовал на вкус какое-то вещество.

Неотам

Очевидно, что первооткрывателем первого сахарозаменителя был какой-то римский винодел, обнаруживший сладкий вкус белых кристаллов, образующихся в результате воздействия на свинец уксуса. Однако первый в истории сахарозаменитель – ацетат свинца или свинцовый сахар – сыграл дурную роль для Рима: римляне не знали о токсичности и тератогенности соединений свинца (собственно говоря, они не имели и понятия о том, что такое «тератогенность»), и помимо социальных процессов Рим подкосила в том числе и практика сластить вино свинцовым сахаром, вызывавшая хронические отравления свинцом.

Сахарин

Практика обнаружения подсластителей «на вкус» была продолжена в 19 веке Константином Фальбергом, тогда работавшим в лаборатории Айры Ремзена. После долгого дня, проведенного в лаборатории над синтезом производных толуола, Фальберг отправился обедать, не помыв руки.

Взяв хлеб этими самыми немытыми руками, Фальберг обнаружил, что этот хлеб необычно сладок на вкус, и связал это с остатками вещества на своих руках. Вместе с Ремзеном Фальберг очистил сладкое вещество, которым были загрязнены его руки, и написал статью «Об окислении орто-толуолсульфонимида». Спустя несколько лет Фальберг оптимизировал условия синтеза, запатентовал его и начал промышленное производство сахарина, уже не включив Ремзена в соавторы и патентообладатели. Именно с того момента началась история сахарина, который известен ещё и тем, что это первый продукт, продававшийся компанией «Монсанто».

Синтез сахарина по Ремзену – Фальбергу

Аспартам

Спустя почти столетие почти по такому же сценарию произошло открытие очередного сахарозаменителя – аспартама, сделанное Джеймсом Шлаттером.

В процессе синтеза гормона гастрина содержимое колбы с метанольным раствором аспартама пролилось Шлаттеру на руки, однако он как ни в чем не бывало продолжил работу. Чуть позже ему потребовался кусочек бумаги. Чтобы подхватить кусочек бумаги, Шлаттер облизнул пальцы и почувствовал сладкий вкус. Первая мысль Шлаттера была о том, что ему на руки попал сахар, однако он быстро сообразил, что дело в аспартаме.

Сукралоза

Ну и совсем уже анекдотический случай произошел при обнаружении сукралозы. Аспирант Шашикант Пхандис (Shashikant Phadnis) получил хлорированную сахарозу в рамках проекта по разработке новых пестицидов, и его научный руководитель Лесли Хью (Leslie Hough) дал ему задание протестировать препарат (test), однако шотландский акцент Хью и неродной для Пхандиса английский привели к тому, что аспирант понял, что шеф требует от него попробовать новое вещество на вкус (taste), что он тут же и сделал, сунув небольшую порцию порошка прямо в рот, и сообщил шефу о сладком вкусе. На следующее утро, убедившись в том, что за ночь с аспирантом ничего не случилось, Хью и сам добавил сукралозу в кофе.

Вообще химики ничуть не отстают от врачей-подвижников, которые, чтобы доказать безопасность и эффективность вакцинации, в первую очередь делали прививки от смертельных болезней. Даже в ХХ веке, спустя полтора столетия после смерти Шееле, описавшего вкус синильной кислоты, находились люди, испытывавшие результаты своих экспериментов на себе.

Одним из самых известных химиков, ставивших эксперименты на себе, был американский химик Александр Шульгин, фармаколог, публицист и разработчик многих психоактивных веществ. Неоднократно применяя синтезированные им же вещества, в том числе и для «расслабления», Шульгин известен многим химикам в первую очередь из-за неоднозначности оценки своих взглядов на жизнь, химию и отношение к тайне публикации методик синтеза некоторых препаратов (синтетический протокол, описывавший синтез любого психоактивного вещества, полученного в своей лаборатории, Шульгин тут же делал достоянием общественности).

Имея лицензию американского агентства DEA на исследование психоактивных веществ и свободу в выборе направления исследований (в конечном итоге она была отозвана от греха подальше), Шульгин проводил независимые исследования в области контролирующих сознание веществ, потенциально применяемых в психотерапии, сообщая о результатах экспериментов над собой. Испытание нового препарата начиналось с небольших доз, в 10–50 раз меньших, чем эффективная доза уже известного препарата, наиболее близкого по строению синтезированному, потом доза увеличивалась. Все это делалось без мероприятий, которые кажутся обязательными и естественными для каждого химика сейчас: изучение цитотоксичности, опыты на животных, определение фармакокинетики. В конечном итоге, по версии Шульгина, эффективная доза нового препарата определялась как доза, после которой изменённое сознание уже прекращало меняться. Для выражения активности Шульгин даже придумал специальную систему измерений – мескалиновые единицы, сравнивая «расширители сознания» с известным психоделиком – мескалином.

Лабораторные журналы Шульгина подтверждают, что он был опытным и умелым химиком-синтетиком, но отсутствие ученой степени и какой-либо официальной должности в вузе или отделе R&D фирмы так и не позволило ему получить при жизни признание среди коллег-профессионалов, хотя люди, увлекающиеся психофармакологией, иногда называют в шутку Шульгина «папой».

Из книг Шульгина, которые можно считать автобиографическими – PiHKAL («Phenethylamines I Have Known And Loved») и TiHKAL («Tryptamines I Have Known And Loved»), становится однозначно понятно, что Шульгин компенсировал галлюциногенными эффектами тяжесть и сложность работы в лаборатории, и проверка новых рецептур на себе скорее была для него в радость.

К сожалению, история химии ХХ века знает и другого ученого, экспериментировавшего на себе, судьба которого гораздо более печальна, – Гельмута Фельбингера (Helmut H. Velbinger). В начале ХХ века Фельбингер посвятил свою научную карьеру исследованию нейротоксичных инсектицидов, проводя исследования их токсикологии на позвоночных, включая млекопитающих. С помощью экспериментов с хлорорганическими пестицидами (включая ДДТ) на себе Фельбингер пытался установить безопасные дозировки применения этих веществ как для защиты урожая, так и по той причине, что ДДТ и его аналоги в 1940-х годах изучались в том числе и как потенциальные препараты для химиотерапии. Первоначальная дозировка инсектицидов для испытания подбиралась на основе экспериментов с животными, а также окончившихся без последствий примеров случайного контакта сельскохозяйственных рабочих с инсектицидами. В конечном итоге Фельбингер установил на себе, что минимальное однократное воздействие ДДТ на организм человека, которое не приводит к токсичному поражению, составляет 10–12 мг/кг. В этих экспериментах отсутствие токсичного воздействия определялось не по уровню самочувствия, как в экспериментах Шульгина, а по результатам анализа крови и мочи. Экспериментируя на себе, Фельбингер также установил дозы ДДТ и пестицидов, безопасные для многократного воздействия, возможно, смог бы определить и другие свойства веществ, но в возрасте 33 лет умер от слишком частых экспериментов на себе.

Некролог Фельбингера был опубликован в том же номере немецкого журнала Die Pharmazie, что и его последняя статья. В некрологе упоминалось о том, каким изобретательным и усердным химиком был покойный. Тем не менее, хотя слова в некрологе и были хорошие, в наше время химикам лучше проводить эксперименты с новыми веществами не на своём организме (и не на организмах своих коллег по работе), а как положено – на культурах клеток и лабораторных животных.

История полимерной химии также сообщает о ряде счастливых случайностей, первой из которых является история о Чарльзе Гудиере (Charles Goodyear), случайно смешавшем на горячей печи каучук и серу, получив продукт вулканизации (реакции серы с двойными связями в нитях каучука), который в наше время известен как резина или эбонит; также случайно был открыт и тефлон, но об этом мы поговорим немного позже.

Некоторые композитные материалы тоже были открыты благодаря счастливой случайности – одним из таких материалов был триплекс, который первоначально применялся для изготовления защитных очков. По легенде Эдуард Бенедиктус (Edouard Benedictus), пытаясь достать склянку реактива с верхней полки, смахнул с неё пузырек, содержащий раствор нитроцеллюлозы. Пузырек упал и треснул, но, как заметил Бенедиктус, сохранил свою форму – осколки стекла склеила нитроцеллюлоза. Бенедиктуса осенило, и через сутки, в течение которых исследователь не прерывался ни на отдых, ни на сон, были получены первые образцы небьющегося триплексного стекла, в которых два листа стекла были склеены полимером, не дающим осколкам разлетаться.

Где-где, а в химии лекарственных препаратов таки существует непаханое поле случайных открытий, сводящихся, например, к тому, что лекарство начинали использовать совсем не для того, для чего оно изначально предназначалось. Классикой жанра, естественно, является открытие виагры.

Силденафил – обладающий фармакологической активностью компонент «виагры».

История «виагры» началась в 1992 году в ходе фармакологических исследований фирмы «Пфайзер». Исследователи проводили клинические испытания нового лекарственного вещества – цитрата силденафила, который разрабатывался как средство для лечения ряда сердечных недугов.

Ученые рассчитывали на то, что цитрат силденафила будет способствовать увеличению притока крови к сердечной мышце и снижению артериального давления. Однако было отмечено, что цитрат силденафила не оказывает существенного влияния ни на кровообращение в сердечной мышце (миокарде), ни на артериальное давление. Параллельно обнаружилось, что многие пациенты мужского пола, которые участвовали в исследовании, отказываются возвращать таблетки силденафила, несмотря на окончание тестирования. Причина отказа у всех этих пациентов была одна – все они отметили у себя резкое улучшение качества эрекций. Таким образом, несмотря на минимальное влияние нового лекарства на кровообращение в миокарде, силденафил вызвал ощутимый приток крови к мужским половым органам. Исследователи фармакологической компании «Пфайзер» отнеслись к этому неожиданному свойству цитрата силденафила с должным вниманием и сумели распознать в нем мощное средство для борьбы с нарушениями эрекций. Новый препарат получил название «Виагра» – название родилось как бы в результате слияния слов «Vigor» (власть, энергия, сила) и Ниагара – самый мощный водопад в Северной Америке.

1. Вещества, которые принято считать «неживыми»

В начале XIX века Йёнс Якоб Берцелиус разделил существующую в те времена химию на «органическую», которую он и его последователи рассматривали как «химию живых организмов», и «неорганическую» – «химию неживого».

Хоте уже через 20 лет после такого размежевания Фридрих Вёлер (случайно, правда) показал, что границы между «химией живого» и «химией неживого» нет, а в 1850-х годах Эдуард Франкланд добавил третий раздел химии – «металлоорганическую», для большинства людей, представление которых о химии ограничивается курсом средней общеобразовательной школы, в памяти сохраняется это противостояние живого и неживого, ведь как иначе можно объяснить то, что на полном серьёзе появляется термин «органические продукты питания», ведь из того, что мы едим или пьём, «неорганическими» являются только поваренная соль и вода. Вместе с тем, как учит диалектика, противоположности не только борются друг с другом, но и находятся в единстве. Точно так же многие неорганические вещества важны для нормальной работы живых систем, а некоторые образуются в результате их жизнедеятельности, и, конечно же, каждое по-своему замечательно.

1.1. Соляная кислота

Подавляющая часть людей, отсидев на уроках химии в школе, сохраняет в памяти названия четырех кислот – азотной, серной, соляной и уксусной. При этом большинство если и догадываются, что уксусную кислоту мы можем найти на кухонной полке в виде раствора уксуса для консервирования или готовки, серную – в аккумуляторе автомобиля, то насчёт азотной и соляной кислот уж точно уверены, что с ними они попрощались, выйдя за ворота школы. Однако я гарантирую вам, что соляная кислота сопровождает вас с самого рождения и является неотъемлемой частью вашей жизни – она играет существенную роль в процессах, протекающих в организме.

Эта сильная кислота, водный раствор хлороводорода в воде, была известна очень давно. Ранние названия этого замечательного вещества были связаны с её запахом, который, как казалось алхимикам, связан с морской свежестью (из чего я делаю вывод, что либо они нюхали какое-то не то море, либо не обжигали хлороводородом слизистые носоглотки), а также с тем, что эту кислоту получали из морской (каменной, поваренной) соли. В алхимических трактатах хлороводород упоминается как «дух соли» или «соляной спирт» (spiritus salis), потом появился термин «муриевая кислота» (muria – рассол, соленая вода). Термином «muria» называлось особо едко-соленое ощущение. В одном из трактатов XVII века можно встретить разъяснение: «Muria – это едко-соленое».

Кстати, становление номенклатуры в России проходило через причудливые этапы, одним из которых была попытка пойти своим собственным путем и русифицировать все названия. Так, в одной из российских рукописей, относящихся к 1870 году, можно прочитать: «Водород хлорович взаимодействует с глиноземием с образованием глиноземия хлоровича». В 1870–1875 гг. в Петербургской академии наук обсуждалась возможность использования для названий химических веществ таких сочетаний слов, которые напоминали бы русские фамилии и отчества. Например, для воды Н₂О предлагалось название «водород кислородович», для хлорида калия КСl – «калий хлорович» или «потассий хлорович», для хлороводорода НСl – «водород хлорович», для гипохлорита калия КСlO – «калий хлорович кислов», для хлората калия КСlO₃ – «калий хлорович трёхкислов» и т. п. В приведенной цитате говорилось о взаимодействии алюминия («глиноземия») с раствором хлороводорода в воде – соляной кислотой HCI: 2Al + 6НСl = 2АlСl₃ + ЗН₂.

Точная дата первого получения соляной кислоты неизвестна. Алхимики могли получать смеси, содержащие соляную кислоту, практически с самого начала алхимических изысканий. Существует предположение, что первым соляную кислоту получил в начале IX века Джабир ибн Хайян – знаменитый арабский алхимик, врач, фармацевт, математик и астроном, которому также приписывается открытие мышьяка, сурьмы и висмута.

Естественно, соляная кислота в Cредневековье применялась при изготовлении царской водки (смеси соляной и азотной кислот). Известно, что чистый газообразный хлороводород был впервые получен Джозефом Пристли в 1772 году, а в 1818 году Хэмпфри Дэви успешно доказал, что полученный газ состоит из хлора и водорода.

Первоначально хлороводород, образующийся попутно при переработке каменной соли и получении соды, был отходом промышленного производства, просто стравливавшимся в воздух. Однако в середине XIX века такой подход и загрязнение окружающей среды стали рассматриваться как неприемлемое решение. К счастью, к тому же самому времени газообразный хлороводород стал применяться как ценный источник для производства соляной кислоты. Несмотря на то что подходы с тех времен значительно изменились, соляная кислота до сих пор получается как продукт утилизации отходов производства. Правда, сейчас большую часть соляной кислоты получают, утилизируя хлороводород, выделяющийся при хлорировании органических соединений.

При этом хлороводород очень часто применяют для получения хлорорганических соединений. Например, в результате присоединения хлороводорода к тройной связи ацетилена образуется хлорвинил, из которого с помощью полимеризации получают полихлорвинил (ПВХ) – материал, применяющийся для электроизоляции проводов и кабелей, производства листов, труб (преимущественно хлорированный поливинилхлорид), плёнок, плёнок для натяжных потолков, искусственных кож, поливинилхлоридного волокна, пенополивинилхлорида, линолеума, обувных пластикатов, мебельной кромки и т. д.

Поскольку хлороводород образуется в качестве побочного продукта производств органических соединений и используется в промышленном производстве органических соединений, чаще всего хлороводород эффективно получают и употребляют в рамках одного и того же производства, что выгоднее выделения отдельного производства хлороводорода и логистики по его доставке потребителю. Ещё одним способом масштабного промышленного применения раствора хлороводорода – соляной кислоты – является травление металлических поверхностей.

Хотя соляная кислота играет определенную роль в пищевой промышленности (корректировка кислотного уровня воды, применяющейся при приготовлении пищи), гораздо более существенную роль она играет в потреблении пищи. В нашем желудке содержится порядочное количество соляной кислоты, а рН желудочного сока может достигать единицы (это соответствует раствору с примерным содержанием кислоты 0,35 %).

Сильнокислая среда желудочного сока отчасти служит для защиты желудка от инфекций, но главная её роль – участие в пищеварении. Кислота способствует денатурации белков (примером такой денатурации, вызванной, правда, не химическим, а температурным воздействием, являются процессы, протекающие с куриным яйцом при варке или жарке), попадающих к нам в организм с пищей, они меняют форму, расплетаются и становятся более уязвимыми к действию пищеварительных ферментов, расщепляющих их на отдельные аминокислоты.

Наш желудок защищен от содержащейся в нем кислоты за счет слоя слизи, а специальный мускул – пилорическая створка (желудочный клапан) надежно удерживает соляную кислоту в желудке. Однако по каким-то причинам может произойти нарушение работы этого клапана, и желудочный сок попадает в пищевод, а соляная кислота этого желудочного сока вызывает чувство жжения, в ряде случае нарушение работы пилорической створки может привести к несварению желудка. В общем случае мы называем результат такой дисфункции просто – «повышенная кислотность».

Для лечения повышенной кислотности существует целый ряд препаратов со сложными названиями, однако в подавляющем большинстве это неорганические вещества, способные нейтрализовать кислоту. Ранее для понижения кислотности использовались карбонаты кальция, магния или натрия (до сих пор народным средством от изжоги является раствор соды), однако применение таких препаратов не совсем комфортно, а иногда может быть и опасно. Делов том, что при нейтрализации соляной кислоты карбонатом происходит образование слабой угольной кислоты, которая разлагается с выделением углекислого газа, в данном случае покидающего наше тело через не совсем приспособленный для этого пищевод. В результате этого понижение кислотности желудка карбонатными препаратами чревато в лучшем случае обильной отрыжкой, а если переборщить с содой, намудрив с народными рецептами, то можно доиграться и до перфорации пищевода. Выделения углекислого газа можно избежать, применяя антациды на основе смеси гидроксидов магния и алюминия (торговые марки: «Алмагель», «Алтацид», «Алюмаг», «Гастрацид», «Маалокс», «Маалукол» и «Палмагель»).

Используется ли соляная кислота для очистки заржавевшего металла, синтеза полихлорвинила или расщепления белков, она, как рабочая лошадка, просто делает свое дело. Конечно, мы можем обвинять соляную кислоту за дискомфорт в нашем желудке, вызванный перееданием, но не стоит во всем обвинять это замечательное вещество – переели вы, а не соляная кислота: она всего лишь играет свою роль в ежедневном переваривании пищи.

1.2. Мел или карбонат кальция

Хотя в школы сейчас и приходят всякие новшества вроде белых досок с маркерами или даже интерактивных досок, темная доска – черная, коричневая или зеленая – и мел до сих пор остаются главной атрибутикой учебного процесса.

Даже если кто-то, окончив школу, прекращает свой контакт с органами образования раз и навсегда, его руки не продолжают прикасаться к ближайшему родственнику мела: каждый раз, когда мы берем в руки яйцо, чтобы очистить его от скорлупы, мы касаемся известняка – формы карбоната кальция, придающей жесткость яичной скорлупе и раковинам моллюсков.

Многоликий карбонат калия существует (и известен) в виде различных форм. Формула этого соединения – CaCO₃, оно представляет собой соль, в которой катион кальция связан ионной связью с карбонат-анионом. Это вещество достаточно распространено в природе, в качестве самостоятельного вещества оно образует два минерала – кальцит и арагонит, а также является основным компонентом таких минералов, как известняк, мел и мрамор. В состав последней троицы помимо карбоната кальция входит его «кузен» – карбонат магния MgCO₃, а также оксиды металлов; именно оксиды переходных металлов придают мрамору характерную окраску – оксид трёхвалентного железа дает оттенки красного, а оксид трёхвалентного хрома – оттенки зелёного.

Что же касается школьных мелков, времена, когда они состояли практически из чистого мела, канули в Лету. Гарантированно, что в моем школьном детстве мы писали практически чистым мелом, в котором иногда попадались кусочки раковин, и мы любили испытывать нервы учителей, специально проводя таким кусочком раковины по доске. Современный формованный школьный мелок на 40 % состоит из собственно мела (карбоната кальция) и на 60 % из гипса (это родственник карбоната кальция – двухводный кристаллогидрат сульфата кальция – CaSO₄xH₂O), ну а добавление к нему пигментов органического или неорганического происхождения позволяет разнообразить белый цвет школьного мелка, придав ему окраску.

Большая часть известных в настоящее время скальных пород, содержащих карбонат кальция, имеет осадочное происхождение – они образовались из раковин и скелетов мертвых обитателей моря, уплотнявшихся в результате давления следующих слоёв осадочных пород. Мел и известняк представляют собой похожие друг на друга материалы, различие состоит лишь в том, что мел является менее компактным и по этой причине более мягким. Для формирования мрамора, кальцита и арагонита требуется большее время: исходным веществом является известняк или мел, которые под воздействием высоких давлений и температур (условий, обычных для геологического формирования минералов) перестраиваются в форму с более компактной и плотной кристаллической решеткой.

Био-, а точнее – зоогенные отложения карбоната кальция дали название целому геологическому периоду – меловому периоду (или Мелу). Этот период – последний период мезозойской эры, он продолжался 80 миллионов лет (145 миллионов лет – 65 миллионов лет назад) и наиболее известен «меловой катастрофой», в результате которой произошло массовое вымирание видов – вымерли многие голосеменные растения, водные рептилии, птерозавры, все динозавры (но уцелели птицы). Исчезли аммониты, многие брахиоподы, практически все белемниты. В уцелевших группах вымерло 30–50 % видов.

Одной из интересных форм минералов карбоната кальция является прозрачный кальцит, или исландский шпат. В 1669 году датский естествоиспытатель Расмус Бартолин описал странное свойство исландского шпата, известное в настоящее время как «двойное лучепреломление». Оно заключается в том, что если луч света падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то на этой поверхности он расщепляется на два луча. Первый луч продолжает распространяться прямо и называется обыкновенным, второй же отклоняется в сторону, нарушая обычный закон преломления света, и называется необыкновенным, и, соответственно, глядя через кристалл кальцита, мы видим «удвоенное» изображение.

Двойное лучепреломление в кристаллах исландского шпата применялось и применяется на практике, например для дальномеров в бомбовых прицелах, однако естественно, что применение человечеством карбоната кальция началось очень давно.

Карбонат кальция в форме известняка и мрамора использовался с древних времен в качестве строительного материала. Несмотря на определенную мягкость известняка, человечество не отказывалось от его практического применения: так, великая пирамида Гизы, четыре тысячелетия остававшаяся самым высоким зданием в мире, построена примерно из двух с половиной миллионов блоков известняка.

Так, одним из первых примеров «ландшафтного дизайна» могут быть считающиеся доисторическими белые лошади британского графства Вилшир, которых получали, удаляя дерн и плодородный слой почвы, обнажая лежащий ниже слой мела.

Опять же с древности карбонат кальция породил ещё один строительный материал, правда, для этого потребовалось первое химическое производство. Со времен Древнего Египта зодчие знали, что прокаливание карбоната позволяет получить негашеную (или прокаленную) известь, основным компонентом которой является оксид кальция СаО. Негашеная известь используется в связующих строительных растворах и при изготовлении цемента – сама по себе или после обработки водой (гашеная известь или гидроксид кальция Ca(OH)₂). Известны случаи применения негашеной извести при обороне замков – негашеная известь активно взаимодействует с водой, а поскольку кожа здорового человека всегда влажна (особенно если этот здоровый человек ползет по осадной лестнице на чужую крепостную стену), осажденные высыпали на осаждающих негашеную известь, вызывая у них ожоги кожи и органов зрения.

Также с древних времен карбонат кальция применяется для понижения кислотности почвы (это в том числе и тот самый рецепт садовода-любителя, коих в стране советов было миллионы: бросать в почву, на которой начал «колоситься» мох, скорлупу от яиц – мох растет на кислых почвах, а карбонат кальция, являясь солью слабой кислоты, реагирует со свободной кислотой почвы, связывая её).

С начала XX века карбонат кальция находит применение во многих промышленных производствах помимо строительной отрасли, например – целлюлозно-бумажной для производства высококачественной мелованной бумаги. Карбонат кальция используется в качестве наполнителя, придающего дополнительную прочность полимерным материалам, его использовали в хлебопекарном производстве (для увеличения потребления кальция). В наши дни карбонат кальция применяется в пищевой промышленности как белый пищевой краситель (E170). Карбонат кальция применялся и применяется в зубных порошках и зубных пастах, правда, для этой цели применяют не «органический» мел, образовавшийся из останков вымерших видов животных, а синтетический – для гигиены полости рта карбонат кальция получают, пропуская углекислый газ через гашеную известь: Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O. Причиной такого подхода является то, что в природном (или как это принято говорить сейчас – натуральном) карбонате кальция содержатся окаменелости организмов, не переживших меловую катастрофу, и те самые кусочки раковин, которые, испытывая нервы наших учителей, скрипели на доске, оставляя на ней царапины, точно также могут повреждать эмаль зубов.

К сожалению, то, что карбонат кальция реагирует с кислотами, в настоящее время стало целой проблемой для сохранения архитектурного и художественного наследия: здания и скульптуры и различных форм карбоната кальция, в особенности из менее плотного известняка (хотя и мрамора эта проблема касается, пусть он и разрушается с меньшей скоростью), повреждаются из-за эрозии, причиной которой являются кислотные дожди.

Ни одно вещество не внесло такой вклад в культуру человечества (и продолжает вносить его до наших дней), как карбонат кальция. Мы можем проследить его путь в человеческой цивилизации от первых наскальных рисунков на стенах пещеры мелом, пирамид и до школьной доски и зданий из стекла и бетона. И, зная, как человеческая цивилизация обязана карбонату кальция, мы не ошибемся, если скажем, что человеческая цивилизация выросла на костях – костях огромного количества вымерших в конце мелового периода организмов.

1.3. Карбонат лития

Ещё со школы я и мои ровесники усвоили, что литий и его соли окрашивают пламя в карминово-красный цвет, хотя в школе я с трудом представлял, что это за цвет – «карминово-красный», и уже совсем не представлял, что при желании препарат одного из активных щелочных металлов можно купить в обычной аптеке, чтобы посмотреть на этот цвет своими глазами. Литий тогда казался химической экзотикой, смотрящей на нас с олимпиадных задачников, и мы, участники олимпиад, не представляли, что он ближе, чем кажется, и мы имеем шансы пересечься с его соединениями, среди которых наиболее часто можно встретить карбонат лития Li₂CO₃.

Но начнем с цвета. Пожалуй, наиболее частым примером из реальной жизни, связанным с применением характерной окраски пламени солями лития, является случай, произошедший в молодости с американским физиком Робертом Вудом. Осенью 1891 года Вуд приехал в Университет Джона Гопкинса, намереваясь получить там степень доктора философии по химии. В университетском пансионе, где он жил, уже давно ходило страшное подозрение, что утреннее жаркое приготовляется из остатков вчерашнего обеда, собранных с тарелок. Так, если во вторник на обед подавался бифштекс, то в среду на завтрак подавалось жаркое. Но как доказать такое обвинение? Вуд немного подумал, почесал в затылке и сказал: «Я думаю, что мне удастся это доказать при помощи бунзеновской горелки и спектроскопа».

Вуд знал, что хлорид лития – совершенно безопасное вещество, похожее на обыкновенную поваренную соль, а также что спектроскоп дает возможность открыть мельчайшие следы лития в любом материале, если его сжечь в бесцветном пламени – ионы лития дают хорошо известную красную спектральную линию или же карминово-красное окрашивание.

Когда студентам на обед был подан бифштекс, Вуд на своей тарелке оставил несколько больших обрезков мяса, посыпанных хлоридом лития. На следующее утро кусочки завтрака были спрятаны в карман, отнесены в лабораторию и сожжены перед щелью спектроскопа, а появившаяся красная линия лития полностью подтвердила страшную догадку студентов и аспирантов.

Вернемся же к карбонату лития. В отличие от карбонатов других щелочных металлов (соды – карбоната натрия и поташа – карбоната калия) карбонат лития плохо растворим в воде и поэтому теоретически может накапливаться в природе в виде минерала. Минерал, основным компонентом которого является карбонат лития – забуелит, был обнаружен в 1987 году у озера Забуйе в Тибете, однако это скорее исключение: карбонат лития практически не встречается в природе.

К счастью, низкая растворимость карбоната лития облегчает его получение из растворимых солей лития, обычно того самого хлорида лития, который, в свою очередь, можно выделить из месторождений поваренной соли (ну любят хлориды щелочных металлов залегать в природе совместно – свойства у них общие). Особенно богаты хлоридом лития некоторые минеральные источники Южной Америки – Чили и Аргентины. Карбонат лития был впервые получен шведским химиком Йоханом Августом Арфведсоном (Johan August Arfwedson) в 1817 году вместе с другими соединениями лития.

Применение карбоната лития достаточно разнообразно, что необычно для вещества, которое хоть и замечательное, но не так чтобы чрезвычайно известное. Карбонат лития можно найти в детекторах на диоксид углерода: там он обеспечивает электрохимическую реакцию, протекающую на катоде в присутствии диоксида углерода. Естественно, карминово-красная окраска пламени обеспечивает карбонату лития постоянное место в пиротехнических составах, он может применяться при изготовлении керамики и стекла.

Небольшие количества карбоната лития применяются в качестве флюсов для понижения температуры плавления оксида кремния, особенно часто эта особенность применяется при изготовлении стекла для жаропрочной посуды. В глазировке, которая обеспечивает цвет и блеск керамики, карбонат лития сам по себе не является красителем, но усиливает окраску других пигментов, в частности оксида железа. Это разностороннее соединение также используется в клеевых композициях и цементах – там карбонат лития ускоряет время затвердевания композиций.

Несмотря на то что анионом в литий-ионных аккумуляторах обычно является смешанный оксид лития-кобальта, а не карбонат, сырьем для получения электродов является карбонат лития. Процесс получения электрода заключается в перетирании карбонатов лития и кобальта при температуре 900 °C в течение 60 часов.

Вместе с тем наиболее частое и наиболее противоречивое применение карбоната лития заключается в том, что он представляет собой лекарственный препарат для лечения биполярных расстройств. Карбонат лития оказался в арсенале врачей не более чем через 25 лет после открытия – первоначально его применяли для растворения камней в мочевом пузыре, затем в XIX веке его назначали для лечения головной боли, ревматизма и подагры. Помогал ли карбонат лития от этих хворей или нет – непонятно. В XIX веке врачи часто использовали новые соединения «от всего»: псевдонародная медицина под маской научности (при этом не забываем, что эффект плацебо работал и тогда).

Эффект плацебо или реальная польза от карбоната лития привели к тому, что он был запатентован как лекарство, а затем как компонент популярных напитков. Так, в 1929 году был создан новый литийсодержащий напиток «Литиированная содовая с лимоном и лаймом». В этом напитке литий содержался до 1940 года, сейчас же этот напиток (уже без лития) известен нам как 7Up.

В 1949 году американский психиатр Джон Каде обнаружил, что карбонат лития является эффективным препаратом для лечения заболевания, которое тогда называлось «маниакальной депрессией», а сейчас – «биполярным расстройством». Открытие произошло случайно: Каде предположил, что психическое расстройство связано с содержанием мочевой кислоты в моче, поэтому он использовал урат лития (литиевая соль мочевой кислоты) для растворения мочевой кислоты и её вывода из организма. Экспериментируя, Каде обнаружил, что ионов лития достаточно, чтобы успокоить человека, находящегося в состоянии маниакального психоза.

Эффект купирования приступов оказался серьезным, что позволило Каде предположить, что маниакальная депрессия вызывается недостатком лития в пище, и предложил компенсировать недостаток лития с помощью карбоната лития. Вывод был неправильным, но на фоне того, что в те лихие годы большинство психических заболеваний лечилось с помощью лоботомии или электрошоковой терапии, возможность химиотерапии биполярного расстройства карбонатом лития рассматривалась родственниками больных (да и самими больными) как подарок судьбы.

К несчастью, лечение биполярного расстройства карбонатом лития не лишено опасностей: слишком высокий уровень лития в организме может вызывать смерть, и до того, как психиатрам удалось подобрать нужные дозировки для лечения биполярного расстройства, без смертей пациентов не обошлось. Из-за того, что литий взаимодействует с гормоном, помогающим почкам реадсорбировать воду из мочи, применение лития может вызывать серьезную дегидратацию организма. Лечение карбонатом лития также сопровождается такими побочными эффектами, как насморк и головная боль. Увы, но шансы на получение эффективных препаратов без побочных эффектов из карбоната лития невелики: поскольку карбонат лития является встречающимся в природе соединением, его нельзя запатентовать, что, очевидно, не стимулирует фармацевтические компании вести исследования, направленные на повышение эффективности этого вещества.

В настоящее время известно, что причиной биполярного расстройства является не дефицит лития в диете, и влияние карбоната лития сводится к тому, что ионы лития могут блокировать некоторые сигнальные системы в мозгу человека – именно те, которые перегружаются во время маниакальных приступов биполярного расстройства. Точный механизм действия на молекулярном уровне неизвестен, хотя и предполагается, что ионы лития мешают работе калий-натриевых насосов, позволяющих ионам проникать через мембраны клеток. Карбонат лития до сих пор применяется в качестве нормотимического средства (в наших широтах его выпускают под торговой маркой «Седалит»), и, естественно, в наши дни за побочными эффектами и дозировкой препарата следят гораздо более тщательно, чем шестьдесят лет назад.

Итак, хотя на первый взгляд карбонат лития кажется простым белым порошком, о котором из неспециалистов мало кто слышал, его способность лечить биполярное расстройство, а также применение в фейерверках и глазировке с полным правом позволяет говорить о нём как о замечательном веществе.

1.4. Уголь, сера, нитрат натрия, хлорат калия и не только

Как говорит народная мудрость, огонь – одна из тех трёх вещей, на которые можно смотреть бесконечно. Пламя пробуждает наши страхи и мечты, огонь говорит с нами на языке, появившемся прежде наших слов и мыслей. Куда бы мы ни торопились, ни летели по делам, языки огня, будь то горящий камин, костёр в лесу или фейерверк, привлекают наше внимание и завораживают нас.

Магия огня объективна – она породила не только человеческую цивилизацию, но и привела к появлению человека разумного. С того момента, когда наши далёкие предки начали жарить пищу на кострах, её потребление позволило древним человекообразным существам тратить меньше времени на пережевывание и переваривание сырых продуктов. У них оставалось больше времени и энергии на другие занятия (к примеру, на общение), а снижение энергетических затрат на расщепление термически обработанной еды позволило перенаправить ресурсы организма на другие биохимические процессы, что в конечном итоге привело к росту мозга и биологическому эволюционированию нашей нервной системы. Так, благодаря огню появилась жизнь человека разумного.

Благодаря огню появилась и химия – когда-то первобытные люди поняли, что можно не собирать «огненный цветок» на месте природных пожаров, а разводить огонь самостоятельно, высекая камушками искры в сухую листву и кострище. Ещё чуть позже, методом проб и ошибок или просто в результате случайной находки, было обнаружено, что если посыпать на топливо для костра чёрный порошок, который можно получить, растирая какие-то тёмные камни, огонь разводится гораздо легче: при раскопках стоянок неандертальцев археологи обнаружили подвергавшиеся трению куски оксида марганца с повышенным содержанием диоксида марганца. Сейчас нам известно, что если присыпать MnO₂ к дровам и сухой лучине, то температура их воспламенения понизится примерно на 100 °C. Конечно, ни про температуру возгорания, ни про диоксид марганца неандертальцы ничего не знали, но поскольку причинно-следственную связь между обработкой дров порошком пиролюзита и легкостью разведения костра им все же удалось найти (Sci. Rep., 2016, DOI: 10.1038/srep22159), первыми химиками-технологами вполне можно считать неандертальцев.

Итак, огню нужно топливо и окислитель. Для разведения пламени необходимо инициирование – искра, которую можно получить трением. Тепло вспышки инициирует реакцию горения – взаимодействие топлива с окислителем, и далее экзотермическая реакция идет сама собой. Кажется, что всё просто, но детали этого процесса остаются тайной даже и для современной науки.

Шли годы, огонь помогал человеку и строить цивилизации, и разрушать их. В какой-то момент (снова методом проб и ошибок) было обнаружено, что поддерживать горение может не только кислород воздуха, и для огненного цветка можно использовать твердый окислитель. Опять же это было сделано задолго до открытия кислорода и кислородной теории горения, равно как и до появления первых представлений о процессах окисления и восстановления. Китайские алхимики получили горючий состав, в котором топливом служили уголь и сера, а окислителем – селитра. При горении этого состава выделяющееся тепло способствует разложению селитры и высвобождению кислорода, который ускоряет горение. Горючий состав стал не просто гореть, а взрываться, и появился порох. Воины Поднебесной использовали порох в военных кампаниях в качестве зажигательной смеси, для снаряжения первых ракет, которые, пугая лошадей, расстраивали ряды кавалерии противника и наносили вред легкой пехоте, а также для изготовления предтечей современного ружья – «копий яростного огня». Последнее оружие представляло собой бамбуковую трубку, закрытую с одного конца и открытую с другого. В трубку сначала насыпали порох, а потом немного круглых камешков.

Европейцы не мелочились на ручное вооружение, и европейский «открыватель» пороха монах Бертольд Шварц (в миру – Константин Анклитцен) сразу же изобрел пороховую артиллерию. По легенде, Шварц растирал в ступке куски серы, селитры и древесного угля и получил черный порошок, который взорвался, выбросив всё содержимое ступки, которая при этом раскололась. Дальнейшие эксперименты показали, что если что-то, похожее на ступку, но размером побольше, изготовить не из керамики, а из бронзы, оно не разрушается взрывом, а вот содержимое бросает на вполне хорошее расстояние. Так на вооружении венецианцев, а потом и других европейских армий появились первые пороховые артиллерийские системы – мортиры, получившие название в честь погибшей при эксперименте Шварца ступки (ступка по латыни – mortarium).

Изобретение порохового оружия перевернуло военное дело: не только перекроило карты Старого и Нового Света – об этом написано столько книг, что только одно перечисление их заглавий займет не одну книгу, но и, что более важно, породило новый тип химиков-технологов, даже химиков-биотехнологов, которые финансировались за счет государственной казны.

Когда мы слышим про биотехнологию, нам в голову приходят образы сверкающих реакторов из нержавеющей стали, специалистов в белоснежных халатах, пипетки, шприцы и управляемые компьютерами процессы, протекающие в безукоризненно чистых лабораториях. Вряд ли мы думаем о лопатах, ржавых котлах в человеческий рост, моче и навозе. Тем не менее именно этими инструментами работали со своими реагентами селитрянщики – химики-биотехнологи, оплата труда которых шла из государственного бюджета.

Возможно, современных химиков это сравнение может и покоробить, однако именно с селитрянщиков начиналась спонсируемая государством химическая промышленность. Презираемые нанимателями и дворянством, но, тем не менее, хорошо организованные отряды селитрянщиков были ужасом крестьян XVI–XVII веков – с дозволения Короны или парламента они перерывали хлева, конюшни, а иногда и отхожие места, собирая селитру или нитрат калия KNO₃.

Из трех компонентов дымного пороха селитра оказалась самым редким. Если в те времена леса покрывали большую часть Европы, в сырье для производства древесного угля недостатка не было, серу добывали во многих, в том числе и европейских государствах, то вот селитра была завозным товаром, который импортировался в государства Северной или Западной Европы из Южной Европы и Азии. Одним из основных экспортеров нитрата калия была Индия, отсюда его несколько более позднее название – «индийская селитра».

Появление и повышение значения огнестрельного оружия приводило к зависимости боеспособности армий от привозного сырья, что не могло не беспокоить королей и парламенты таких стран, как, например, Франция, Англия и Швеция, и поэтому стратегия импортозамещения селитры своими местными источниками вскоре стала одним из приоритетных направлений военно-экономической политики государств Европы.

Вскоре после того, как было обнаружено (опять же, скорее всего – случайно), что если прокипятить в большом количестве воды верхний слой почвы стойла, отфильтровать воду от твердых остатков жизнедеятельности животных, а затем добавить к раствору поташ, то из кипящего котла можно выделить белые кристаллы селитры, королевские дома и парламенты Европы организовали целую сеть концессий селитрянщиков, работа которых регламентировалась соответствующими ордонансами. Единственными аналитическими инструментами селитрянщиков были их интуиция и вкусовые сосочки их языков. Без сомнения, для работы этим химикам, трудившимся на военно-промышленный комплекс стран и княжеств эпохи Возрождения, требовались недюжинные умения и опыт.

Хотя разорение амбаров и добыча стратегических ресурсов для селитрянщиков было весьма прибыльным делом, крестьяне, чьи постройки подвергались регулярным налетам, не получали никакой компенсации. Чтобы отвадить «химиков с большой дороги» от своих построек, сообразительные фермеры начали мостить полы в хлевах. Твердое напольное покрытие портило лопаты селитрянщиков. Эта практика распространилась широко, но селитра стоила столь дорого, что в странах, испытывающих наибольший её дефицит, – Англии и Швеции, практика постройки помещений для скота с твердым напольным покрытием была объявлена вне закона. Король Швеции Густав I Васа так вообще объявил, что земля в шведских конюшнях и коровниках является собственностью Короны.

Интенсивность переработки продуктов жизнедеятельности крупного рогатого скота в компоненты чёрного пороха немного снизилась после Великих географических открытий – в Новом Свете были найдены залежи нитрата натрия (чилийской селитры), но всё равно изготовление чёрного пороха оставалось недешёвым, и воюющие армии почти всегда испытывали его дефицит. Так, свидетельства участников Испанской кампании Наполеона (с британской стороны) часто говорят о том, что, успешно отбив обоз противника, солдаты, даже находившиеся в крайней степени истощения, первоначально наполняли пороховницы и набирали порох про запас, а только потом набрасывались на еду.

Спустя некоторое время после изобретения и потери репутации «дьявольского порошка» порох, конечно, использовался не только для штурмов и осад, он находил применение и в исключительно мирных целях – для фейерверков, но было это крайне редко. Во-первых, всё же было чрезмерным расточительством расходовать стратегическое сырье на развлечение горожан и изнеженных аристократов, и разумные правители это понимали. Во-вторых, горящий и взрывающийся порох отвратительно пах диоксидом серы, и далеко не все утонченные и изнеженные аристократы могли выдержать этот запах. В-третьих, поскольку при разложении нитратов выделяется сравнительно мало кислорода что на единицу количества вещества, что на единицу массы, горение пороха не давало достаточной энергии для ионизации металлов, придающих окраску пламени современной пиротехники, и пороховые фейерверки были однообразно скучного желтого цвета.

Яркие краски в «развлекательных взрывах» появились благодаря работам Луи Бертолле, а бертолетова соль (хлорат калия KClO₃) стала первым окислителем не нитратной природы, который стали добавлять в пиротехнические составы. Впервые это вещество французский химик получил в 1786 году, пропуская хлор через горячий концентрированный раствор гидроксида калия: 6KOH + 3Cl₂ – KClO₃ + 5KCl + 3H₂O. При охлаждении раствора был получен белый осадок (при низких температурах бертолетова соль растворяется в воде гораздо хуже других солей калия). Большее в сравнении с селитрами количество кислорода, выделяемое бертолетовой солью при нагревании, обеспечивает более интенсивное горение топлива, энергии которого хватает для возбуждения металлов и окраски их ионами пламени. Сейчас, создавая фейерверки, специалисты подбирают такие химические компоненты, которые при вспышке дают определенные цвета. Соли бария, например, окрашивают пламя в зелёные цвета, соли меди – в зелёные и голубые, соли натрия – в жёлтые. Литий дает красные тона, магний при горении выделяет сверкающий белый цвет, а стронций – искрящийся красный.

Работы Бертолле привели не только к тому, что фейерверки заиграли новыми красками (хотя и к этому тоже). Благодаря новым подходам к химии горения и окисления ученые получили возможность определения металлов по цвету их пламени (о, эти знакомые со школьных учебников карминово-красный, малиново-красный и кирпично-красный цвета) – сначала качественного, а потом, с развитием метода атомно-адсорбционного анализа, – и количественного.

В наши дни бертолетова соль практически не используется в создании пиротехнических составов по соображениям безопасности – она чересчур реакционноспособна. Так, смесь бертолетовой соли с серой небезопасна уже своей экстраординарной чувствительностью к трению, и она была запрещена в Британии еще в XIX веке. В настоящее время окислителем для пиротехники являются более стабильные и, следовательно, менее опасные перхлораты калия KClO₄ и аммония NH₄ClO₄.

С работ Бертолле и появления огневых составов, предназначенных исключительно для несмертельного использования, появился и термин «пиротехника», который в современной интерпретации звучит так: «Пиротехника представляет собой смесь материалов, способных к сгоранию с определённым эффектом при подходящем способе инициирования». В большинстве случаев современные пиротехнические составы состоят из топлива, окислителя и связующего, дающего составу структурное однообразие. Иногда к пиротехническим составам добавляют дополнительные вещества, придающие составу особые свойства. Топлива пиротехнических составов должны сгорать с большим экзотермическим эффектом, и поэтому чаще всего в качестве топлив используются простые вещества-металлы (алюминий, хром, магний, марганец, титан) и простые вещества-неметаллы (бор, кремний, сера). Окислителями в большинстве пиротехнических составов являются перхлораты и нитраты (органические и неорганические), реже – хлораты, хроматы и пероксиды. И, наконец, связующие в пиротехнике могут быть как природного (пчелиный воск, шеллак, отвержденное льняное масло), так и искусственного происхождения (полихлорвинил, бакелит, хлорированные каучуки и полиэфирные смолы).

Так как помимо фейерверков в ведении современной пиротехники находятся ещё и автомобильные подушки безопасности, ракетное топливо, сигнальные ракеты военного и гражданского назначения, конкретная область применения того или иного состава диктует необходимость введения добавок, отвечающих либо за увеличение объема продуктов сгорания, либо за особо яркое и окрашенное пламя. Есть добавки, которые отвечают за звуковые сигналы (многие помнят анекдот про сигнал, который подается «тремя зелёными свистками»), есть добавки, позволяющие пиротехническим составам давать густой и устойчивый сигнальный дым или дымовую завесу. Естественно, что при взрыве пиротехнического изделия высвобождается целый «коктейль» ядовитых соединений, опасных для человека и для окружающей среды: тяжелые металлы, хлораты и диоксины, аэрозоли дымов, моноксид углерода, оксиды серы (Angew. Chem. Int. Ed, 2008, DOI: 10.1002/anie.200704510).

В связи с необходимостью создания новых пиротехнических составов, способных демонстрировать новые «спецэффекты», а также для решения вопросов защиты окружающей среды в наши дни ситуация с химией и пиротехникой изменилась. Если где-то до середины XIX века открытие нового взрывчатого вещества или состава с новым цветом пламени влекло за собой новые открытия в химии и других естественных науках и пиротехника была одним из локомотивов химического прогресса, то сейчас мы имеем дело с обратной ситуацией – наши представления о строении и свойствах веществ, наши знания о химии теперь применяются для рационального создания пиротехнических составов, в первую очередь оказывающих минимальное воздействие на состояние окружающей среды.

Очевидно, что одним из способов решения экологических проблем, связанных с применением пиротехники, является простая оптимизация её горения, исключающая образование продуктов неполного сгорания. В идеале необходимо, чтобы пиротехника при срабатывании не образовывала неполных продуктов сгорания, и единственными веществами, образовавшимися во вспышке, были вода и диоксид углерода, до которых должны окислиться органические вещества, входящие в состав, а также оксиды металлов (MgO, Al₂O₃), если топливом состава является металл. Способность пиротехнического состава к полному сгоранию за счёт «внутренних ресурсов» окислителя выражается таким его параметром, как кислородный баланс. Кислородный баланс взрывчатого вещества или пиротехнической смеси является положительным, если общего количества связанного кислорода, входящего в их состав, хватает до полного сгорания смеси до углекислого газа, воды и оксидов металлов, и кислород даже остается в избытке и выделяется в виде простого вещества. Если же входящего в состав пиротехники кислорода не хватает до образования продуктов полного сгорания, а продуктам сгорания неполного приходится догорать в кислороде атмосферном, мы говорим про отрицательный кислородный баланс.

Гипотетически можно предположить и существование нулевого кислородного баланса (весь кислород пиротехнического состава ушел на его полное сгорание, и избыточного кислорода не осталось), но подгадать так точно на практике едва ли удается. К тому же, если учесть, что при формовании петард и прочей пиротехники равномерного перемешивания окислителя, связующего и топлива не всегда удается добиться, существует возможность того, что даже пиротехнические изделия одной партии могут незначительно отличаться по составу. Памятуя об этом, производители пиротехники там, где это возможно, стараются выдерживать положительный кислородный баланс. Для органического вещества, состоящего только из углерода, водорода, азота и кислорода состава C_aH_bN_cO_d, кислородный баланс вычисляется по формуле:

Ещё в XIX веке выяснив опытным путем, что нитросоединения взрываются, и тем громче, чем больше в их структуре содержится нитрогрупп, и отработав методологию получения органических соединений, содержащих нитро– и нитратогруппы, исследователи отправились в поход за получением новых органических нитросоединений, которые сразу после разработки технологии их получения становились и взрывчатыми веществами, и окислителями в пиротехнике.

За 150 лет содержание кислорода в органических взрывчатых веществах, способных выступать в качестве окислителей, выросло с 42,3 до 70.1 %.

Началось все относительно скромно – с обладающего отрицательным кислородным балансом (–74 %) тринитротолуола, содержание кислорода в котором составляет 42,3 %. Со временем количество групп – NO₂ или – NO₃ увеличивалось, и последний рекорд по содержанию кислорода и кислородному балансу для органического соединения был поставлен в 2015 году (Chem. Commun., 2016, 52, 916; DOI: 10.1039/c5cc09010e).

Исследователи из Мюнхенского технического университета, работающие в группе Томаса Клапотке (Thomas Klap?tke), сообщили о синтезе, протекающем в соответствии с достаточно простым протоколом, исключительно богатого кислородом тетранитратэтана (C₂H₂N₄O₁₂). Исследование, в результате которого удалось получить новый тип твердого окислителя, является частью международного проекта по получению новых окислителей, способных заменить токсичный перхлорат аммония.

Тетранитратэтан, полученный в лаборатории, не только отличается наиболее высоким содержанием кислорода по сравнению с известными в настоящее время твердыми окислителями, но и представляет собой весьма редкий пример соединения, в котором с одним атомом углерода одновременно связано больше одной богатой кислородом нитрато-группы – O–NO₂.

C содержанием кислорода, равным 70,1 %, и кислородным балансом, составляющим 40,9 %, тетранитратэтан мог бы рассматриваться как перспективный окислитель. Расчёты эффективности его применения как окислителя в процессах горения, моделирующих горение ракетного топлива, позволяют говорить о том, что смеси топливо/тетранитратэтан эффективнее смесей топливо/перхлорат аммония и многих других.

Клапотке и его коллеги пока ещё сомневаются в возможности практического применения своего детища: тетранитратэтан отличается низкой термической устойчивостью, при нагревании разлагается со взрывом, он чувствителен к трению и толчкам и способен к самопроизвольному разложению со взрывом (с другой стороны, все эти свойства присущи и чистому нитроглицерину, «взрывной характер» которого всё же методом проб и ошибок был укрощен).

Ещё одно направление повышения экологической чистоты пиротехники – разработка добавок, которые бы позволили снизить нежелательные выбросы продуктов горения пиротехники в окружающую среду. Первыми кандидатами на замену оказались хлорид меди (компонент синих огней) и соединения бария, дающие пламени зелёную окраску.

Обычно пиротехнические составы, дающие светло-голубое пламя, получают, используя металлическую медь или медьсодержащие вещества в комбинации с источником хлора. Принцип действия составов основан на том, что при высокой температуре хлор реагирует с медью с образованием хлорида меди (I). Другими способами получить полноценное голубое пламя очень сложно. Тот же Томас Клапотке в соавторстве с Джессом Сабатини (Jesse Sabatini), работающим в подразделении пиротехнических составов армии США, смог получить не содержащую хлор смесь химических веществ, которая горит светло-голубым пламенем (Angew. Chem. Int. Ed., 2014, doi: 10.1002/anie.201405195) и представляет собой практичную альтернативу обычным составам для фейерверков и сигнальных огней.

Новая пиротехническая смесь содержит йодид меди (I), который отличается значительной эмиссией в голубой области видимого спектра. Помимо того что CuI экологичнее существующих пиротехнических составов, новая смесь отличается большей спектральной чистотой, чем традиционные комбинации веществ, которые применяются в пиротехнике.

Работая уже без Клапотке, Джесс Сабатини выяснил, как получить зелёные во всех смыслах пиротехнические составы. Он обнаружил, что при использовании в фейерверках карбида бора получается такая же эффективная зелёная окраска, какую дают применяющиеся в настоящее время в пиротехнических составах производные бария (Angew. Chem. Int. Edn., 2011; doi:10.1002/anie.201007827).

Работа Сабатини началась с того, что он получил от армии США заказ на разработку дешёвой, не содержащей бария альтернативы ручной сигнальной ракете зелёного пламени M125A1, основой состава которой является смесь нитрата бария с поливинилхлоридом. Эта смесь горит зелёным пламенем с образованием хлорида бария.

В поисках кандидатов на новый пиротехнический состав без бария и хлора исследователи обратили внимание на бор. Порошок аморфного бора сгорает зелёным пламенем с образованием оксида бора, однако сгорание аморфного бора происходит слишком быстро, чтобы применять его в пиротехнических составах. Исследователи обнаружили, что скорость горения можно замедлить, добавив к бору аморфному другую аллотропную модификацию – бор кристаллический, но кристаллический бор слишком дорог.

Как отмечает Сабатини, исследователям казалось, что они находятся на грани прорыва, и они решили провести скрининг «экзотических» производных бора. В ставших уже классикой химических статьях 1950-х – 60-х годов Сабатини с соавторами обнаружили информацию о том, что отличающийся крайней химической инертностью при комнатной температуре карбид бора проявляет значительную химическую активность при повышенной температуре. Введение значительных количеств карбида бора в аморфный бор значительно увеличило время горения пиротехнического состава, но, более того, исследователи с удивлением обнаружили, что наиболее эффективным временем горения отличается чистый карбид бора. Не меньшее удивление вызвали эти результаты и у коллеги Сабатини по пиротехнике. Клапотке высоко оценил его работу, отметив, что именно химическая инертность карбида бора в своё время привела к тому, что это соединение не рассматривали как возможный компонент для пиротехнических составов.

Пиротехники ХХI века не обошли вниманием и такой тип взрывчатых веществ, как инициирующие взрывчатые вещества. Основным инициирующим веществом для детонаторов в боеприпасах в настоящее время является токсичный азид свинца.

В наибольшей степени вредное влияние «капсюльного» свинца на окружающую среду проявляется на армейских стрельбищах, где свинец из инициирующих взрывчатых веществ попадает в окружающую среду десятилетиями, из-за чего его концентрация на этих местах приблизилась к критическому уровню, и военнослужащие, равно как и гражданский персонал, обеспечивающий работу стрельбища, регулярно подвергаются воздействию свинца. Инициирующие взрывчатые вещества на основе азида свинца применяются в военных и полицейских боеприпасах, а также в детонаторах, которые применяются в ходе горных разработок. Только в США ежегодно производится около 10 миллионов тонн устройств, содержащих азид свинца, при этом из-за их использования в окружающую среду ежегодно попадает около 350 килограммов свинца.

Инициирующие взрывчатые вещества требуют осторожного обращения не только из-за легкости их детонации, но и из-за того, что свинец, входящий в состав двух наиболее распространенных инициирующих взрывчатых веществ – азида и тринитрорезорцината, отличается высокой токсичностью, канцеро– и тератогенностью, а долговременное использование этих материалов может привести к существенному загрязнению окружающей среды.

Клапотке удалось подобрать ключи к созданию экологически чистых инициирующих ВВ – он с коллегами разработал первичное взрывчатое вещество, не содержащее свинец или другие опасные для окружающей среды тяжелые металлы (Angew. Chem. Int. Ed., 2014, DOI: 10.1002/anie.201404790).

Единственный металл, присутствующий в новом веществе, которое бабахает, – 1,1'-динитрамино-5,5'-бистетразоляте калия (K2DNABT) – это калий, безопасный как с точки зрения токсикологии человека, так и потенциального урона окружающей среде. Клапотке также добавляет, что в соответствии с результатами лабораторных испытаний новое взрывчатое вещество устойчиво по отношению к ударам, трению и статическому электричеству примерно в такой же степени, как и азид свинца. Ещё одним направлением увеличения экологичности фейерверков и пиротехники является замена сгорающего с образованием целого букета вредной хлорорганики полихлорвинила на менее опасные связующие материалы. В качестве возможной замены рассматриваются даже столь популярные в настоящее время металлоорганические каркасные структуры (Chem. Comm., 2015, DOI: 10.1039/c5cc04174k).

За века и тысячелетия человек приручил огонь, сделал его управляемым, расцветил «огненный цветок» почти всеми цветами радуги, делая его менее опасным и для себя, и для окружающей среды. Сложно сказать, как будет эволюционировать химия взрывчатых веществ и пиротехнических составов далее, но об одном точно можно было бы мечтать: чтобы вся современная пиротехника применялась исключительно для того, чтобы радовать глаз людей на фейерверках, и для решения только мирных задач, – не хотелось бы, чтобы огонь, создавший человеческую цивилизацию и самого человека, послужил бы её разрушению.

1.5. Фуллерены – еще одна разновидность углерода

В 1967 году на Мировой ярмарке в Монреале павильоном американской композиции стало уникальное сооруженное, получившее название «Биосфера». Геодезический купол представлял собой конструкцию из стальных труб, обтянутых полимерной тканью. Внутри располагались 4 стальные платформы, разделенные на 7 уровней. Эти уровни соединял 37-метровый эскалатор – самый длинный из построенных к тому времени. «Биосфера» стала символом Монреаля.

Архитектором, построившим «Биосферу», был Ричард Бакминстер Фуллер, американский архитектор, дизайнер, инженер и изобретатель. Фуллер начал разрабатывать проекты таких невесомых куполов в 1950-е годы. Он надеялся, что его проекты станут основой прочных и при этом легких конструкций. Будучи не только архитектором, но и философом, он верил, что человеческое общество вскоре будет полагаться в основном на возобновляемые источники энергии, такие как электричество из солнечного света и энергии ветра. Он надеялся на наступление эры «всеуспешного образования и обеспеченности человечества». Не удивительно, что открытая через два года после его смерти в 1983 году молекула, строением напоминающая ажурные невесомые конструкции, созданные его воображением, была названа в честь Фуллера.

Открытая в 1985 году аллотропная форма углерода (аллотропными формами называются разные простые вещества, образованные атомами одного элемента – аллотропными формами элемента углерода, например, являются алмаз, графит, фуллерены и графен) получила название «бакминстерфуллерены». Правда, сами первооткрыватели в своей первой статье в журнале Nature признавались в том, что их «немного беспокоит большое количество гласных и согласных в названии». Тем не менее название оказалось оправданным – бакминстерфуллерены, или фуллерены, или бакиболы, первый обнаруженный представитель которых имел формулу С₆₀, очень похожи на каркасные архитектурные проекты Фуллера.

В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести– и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов – [60]фуллерен (С₆₀), в котором углеродные атомы образуют усечённый икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Так как каждый атом углерода фуллерена С₆₀ принадлежит одновременно двум шести– и одному пятиугольнику, то все атомы в С₆₀ эквивалентны. Следующим по распространённости является фуллерен С₇₀, отличающийся от фуллерена С₆₀ вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область С₆₀, в результате чего молекула С₇₀ оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби.

Высшие фуллерены содержат большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить С_n, где n=74, 76, 78, 80, 82 и 84. Когда в состав молекулы фуллерена помимо атомов углерода входят атомы других химических элементов, то если атомы других химических элементов расположены внутри углеродного каркаса, такие фуллерены называются эндоэдральными, а если снаружи – экзоэдральными.

В 1985 году Ричард Смолли и Гарольд Крото сообщили о том, что в углеродной плазме методом масс-спектрометрии (метод, позволяющий измерять молекулярные массы веществ и продуктов их распада) ими были обнаружены сигналы, как тогда казалось, странным образом соответствующие формуле С₆₀. Несмотря на отсутствие в то время иных свидетельств, кроме информации о массе частицы, они предположили, что С₆₀ должны образовывать форму искаженного икосаэдра, и окрестили их бакминстерфуллеренами. Построив модель фуллерена С₆₀, Смолли и Крото пришли к выводу о том, что такая частица должна быть устойчива, поскольку вся объемная клетка С₆₀ представляет собой ароматическую систему, для разрушения которой надо затратить значительное количество энергии.

В 1990 году интуиция Смолли и Крото подтвердилась – международная группа исследователей из США и Германии разработала способ получения углеродной плазмы с высоким содержанием фуллерена С₆₀, и им удалось наработать достаточное количество образцов для того, чтобы сканирующая электронная микроскопия смогла предоставить изображение фуллеренов и подтвердила идею, выдвинутую Смолли и Крото, и в итоге Смолли и Крото в 1996 году получили Нобелевскую премию по химии.

Есть ли у фуллеренов какое-то применение или это просто красивая молекула, просто ещё раз позволяющая химикам почувствовать себя повелителями вещества? На самом деле есть, но, если честно, они не так популяризованы, как их ближайший родственник – графен, двумерный гексагональный кристалл углерода, тоже, кстати, отмеченный Нобелевской премией, но по физике (2010 год). Фуллерены обладают низким коэффициентом трения, и поэтому разрабатываются рецептуры машинных масел с добавками фуллеренов; фуллерены рассматривают как потенциальные «емкости» для хранения водорода в водородной энергетике; рассматривается возможность применения фуллеренов в фотодинамической терапии рака: С₆₀ при облучении на воздухе способствует образованию активного синглетного кислорода, индуцирующего смерть опухолевых клеток. Правда, говоря начистоту, фуллерены являются лишь стартовыми моделями для изучения возможностей такого применения, и после доказательства способностей каркасных соединений углерода решать какую-то практическую задачу исследователи обычно пытаются работать с более дешевыми аналогами фуллеренов – углеродными нанотрубками.

Недавно астрономы из Университета Западного Онтарио и Корнеллского университета установили, что фуллерены С₆₀ и С₈₀ существуют в планетарной туманности Tc 1 (на расстоянии более чем 6000 световых лет от нас в созвездии Жертвенника), что опровергло бытовавшую среди космохимиков идею о том, что молекулы с большим количеством атомов не могут образоваться в межзвездном космическом пространстве. Правда, в космосе фуллерены получаются примерно в тех же условиях, что и в лаборатории – из углеродной плазмы, образующейся из старых углеродных звезд.

Может быть, фуллерены и не так широко применяются на практике, а в ряде случаев даже разочаровали исследователей, «ставивших» на них, но, тем не менее, открытие фуллерена и подтверждение его структуры стали определяющими факторами для дальнейшего поиска и разработки углеродных наноматериалов – графена и углеродных нанотрубок (кстати, о последних говорят как о потенциальных компонентах ультрапрочных и ультралегких конструкционных материалов, что, несомненно, понравилось бы Ричарду Бакминстеру Фуллеру).

1.6. Циановодород

Циановодород (его раствор в воде называют синильной кислотой) представляет собой простую небольшую по размеру молекулу с линейным строением H – C?N. Атом азота связан с атомом углерода прочной тройной связью, в то время как связь Н – С менее прочна, и ее гетеролитический разрыв приводит к образованию цианид-аниона – CN^—.

Цианид-анион образует прочные координационные связи с металлами, и это его свойство применяется в золотодобывающей промышленности. Золотосодержащую породу перемешивают в растворе цианида натрия, пробулькивая через этот раствор воздух. При этом происходит растворение золота и образование растворимых комплексов золота. Эта реакция называется реакцией Эльснера:

4Au + 8NaCN + O₂+ 2H₂O -> 4Na[Au(CN)₂] + 4NaOH

Таким образом можно отмыть золото от породы в виде комплекса, а затем восстановить комплекс до металлического золота химическим или электрохимическим способом. Для очистки такого рода требуется большое количество цианидов, и хотя происходит их рециклизация, из-за опасности случайного попадания большого количества цианидов в окружающую среду процесс золотодобычи считается процессом опасным как для окружающей среды, так и для людей, занятых в этом процессе.

Существует легенда о происходившем во времена СССР ряде случаев хищения золота с Ленских приисков: отправляясь на Большую землю, расхитители социалистической собственности разливали золотосодержащий раствор по бутылкам из-под минеральной воды и без проблем проходили весьма тщательный досмотр в аэропорту. Правда, хищения длились недолго – поскольку плотность (масса, сосредоточенная в единице объёма) золотосодержащего раствора выше, чем плотность нарзана, бутылки на досмотре стали просто взвешивать.

Цианид-анион является одним из наиболее быстродействующих ядов; цианид калия можно считать химическим веществом-героем многочисленных детективных и шпионских романов и рассказов: в них цианид калия выступает и как любимый яд отравителей, и как средство, с помощью которого провалившийся шпион мог избежать допроса с пристрастием. В американском фильме про заговор полковника Штауффенберга в критический момент, когда командующий резервным батальоном майор Ремер решает, какой из двух взаимоисключающих приказов ему выполнять, Геббельс незаметно крутит в руках капсулу, вероятно, с цианидом.

Когда цианид-ионы попадают в организм человека, они быстро проходят через клеточную мембрану и взаимодействуют с атомами железа внутри клеток. Связывание с железом приводит к ингибированию (понижению эффективности вплоть до нулевой) фермента цитохром-С-оксидазы; это ингибирование происходит в митохондриях. Ингибируемый фермент критически важен для подержания жизни, так как он катализирует завершающую стадию окисления глюкозы. Ингибирование фермента приводит к тому, что источник энергии для организма «пересыхает», что немедленно влияет на центральную нервную систему и сердце. Связывание цианид-иона с оксидазой можно считать необратимым – регенерировать фермент и заставит его работать «нормально» можно только в результате взаимодействия пораженного цианидом фермента с соответствующим антидотом. При отравлении цианидом человек теряет сознание и хотя ещё и продолжает дышать, частота сокращений сердца понижается, что в итоге приводит к смерти.

Минимальная смертельная доза циановодорода для человека < 1 мг/кг (миллиграмм яда на килограмм живого веса человека). Впервые в роли боевого отравляющего вещества синильная кислота была использована французской армией 1 июля 1916 года на реке Сомме. Однако из-за отсутствия кумулятивных свойств и малой стойкости на местности последующее использование синильной кислоты в этом качестве прекратилось.

Синильная кислота являлась основной составной частью препарата «Циклон Б», который применялся нацистами во время Второй мировой войны для убийства людей в концентрационных лагерях. В некоторых штатах США синильная кислота использовалась в газовых камерах в качестве отравляющего вещества при исполнении приговоров смертной казни. Смерть, как правило, наступает в течение 5–15 минут. Соли синильной кислоты – цианиды – более токсичны. В соответствии с легендой именно цианидом калия пытались отравить Григория Распутина.

Почему в соответствии с легендой? Дело в том, что в «первоисточнике» – мемуарах князя Феликса Юсупова – есть некоторые химические нестыковки. Читаем дневник князя: «Я достал из шкафчика с инкрустациями коробку с ядом. Доктор Лазоверт надел резиновые перчатки, взял кристаллы цианистого калия и измельчил их в порошок. Потом приподнял верхушку пирожных и засыпал донышко такой дозой яда, которой, по его словам, хватило бы, чтобы мгновенно убить несколько человек. Молча, с волнением следили мы за каждым жестом доктора. Еще предстояло насыпать яд в бокалы. Решено было сыпать его в последнюю минуту, чтобы он, испаряясь, не утратил своей силы». Вот тут сразу возникает вопрос – а цианидом ли калия травили Распутина. Цианид калия – твердая соль, которая вообще-то не имеет привычку «испаряться»: мы же не солим блюдо в последний момент, чтобы соль не испарилась… Ну, скажем, князь Юсупов вряд ли обладал глубокими знаниями в химии, но доктор должен был знать.

Но даже предположив, что ядом был действительно цианид калия, отравителей действительно мог подвести способ отравления – измельченный яд в сладких пирожных, к тому же у Распутина, по отзывам современников, была отрыжка, что может говорить о том, что у него была повышенная кислотность желудка. То есть случилось следующее: измельченный цианид успешно прореагировал с сахаром в пирожных (действительно цианид-ион и синильная кислота могут реагировать с сахарами). Если бы его не размельчили, реакция цианида с сахаром шла бы медленнее и в пирожных осталось бы значительное количество яда для отравления, а тот цианид калия, который в них остался, прореагировал с кислой «отрыжкой» Распутина, превратив цианид в кислоту, которая менее токсична по сравнению с цианидом калия.

Может быть, синильная кислота и малая доза цианида всё же отравили бы Распутина, поскольку «на полный желудок» может происходить замедление действия и циановодорода, и даже цианистого калия (причём такая задержка может достигать аж 30–40 минут), но заговорщики этого ждать не стали и, увидев, что «святой старец» не умер мгновенно, уже начали стрелять, а потом – и топить.

Однако отравления цианидом происходят не только в беллетристике, фильмах и при несчастных случаях при добыче золота. Некоторые виды сырой маниоки (Manihot esculenta), растения, которое служит пищей для полумиллиарда людей в странах третьего мира, содержат достаточное количество цианида – в килограмме сырой маниоки содержится столько цианида, сколько достаточно для того, чтобы убить шестерых.

К счастью, методы кулинарной обработки маниоки (если всё делать правильно) приводят к тому, что в килограмме содержится половина смертельной дозы цианида, и поскольку он не аккумулируется, это не так опасно. Тем не менее в 1980-е годы в Африке регистрировалось немалое количество отравлений цианидами: причина заключалась в том, что люди ели маниоку сырой или не предпринимали меры предосторожности при готовке. Определенное количество цианидов содержится также в косточках вишни, черешни, абрикосов и других косточковых – во время дефицита спиртного в СССР временами регистрировались случаи смертельного отравления цианидами из-за потребления самодельных настоек на косточковых, из которых косточки не были в своё время удалены.

Несмотря на опасности отравления цианидами и циановодородом, существует определенное количество антидотов от этих отравлений. Кстати – сахар ни в коем разе не является антидотом от ОТРАВЛЕНИЯ цианидом (когда железо оксидазы уже блокировано цианидом, лопать сахар примерно так же своевременно, как пить боржоми при отказе почек) – он может только частично связать цианиды в напитке или пирожном, которым собираются кого-то отравить. Действие антидота в данном случае основано на том, что антидот имеет большее сродство к цианид-иону, и цианид связывается с ним, освобождая железо фермента-оксидазы. Такой молекулой, которая может «пожертвовать собой», является гемоглобин, но для того чтобы гемоглобин мог связываться с цианидом, необходимо окислить железо (II) гемоглобина до железа (III) – это может быть сделано за счет введения нитрита натрия или 4-диметиламинофенола. Ещё одна молекула, которая может играть роль антидота при цианидном отравлении, – гидроксикобаламин, производное витамина B¹², которое «перехватывает» цианид от ингибированной оксидазы за счет атомов кобальта.

Для того чтобы можно было быстро понять, стоит ли принимать противоцианидный антидот, и если стоит, то в каком количестве, Кристин Мэннель-Круазе (Christine M?nnel-Crois?) и Феликс Цельдер (Felix Zelder) из Университета Цюриха в 2012 году разработали аналитический метод, который позволяет диагностировать отравление цианидами за две минуты, при этом для проведения анализа не требуется сложного оборудования – анализ может быть проведен в полевых условиях.

У пострадавшего отбирается образец крови и с помощью буфера рН образца доводится до уровня 9,6. Далее к полученному раствору добавляется оранжевый кобальтосодержащий сенсор (этот сенсор был ранее разработан и синтезирован исследователями), и раствор с помощью давления, создаваемого штоком шприца, пропускают через колонку для фазовой экстракции, после чего отмывают колонку от крови водой. При наличии в образце крови цианида он образует окрашенный в лиловый цвет комплекс с химическим сенсором. Этот комплекс будет локализован в верхнем слое расположенного в колонке сорбента, что можно увидеть невооруженным глазом.

Несмотря на токсичность циановодорода и его опасность, отказываться от его применения и производства человечество не собирается – ежемесячно производится достаточное количество циановодорода, чтобы убить каждого человека на Земле, но, конечно, производят его не для этого, а для применения в качестве реагента в химической промышленности.

Примером одного из материалов, для производства которого применяется циановодородная кислота, является известный полимер нейлон: исходным для его получения веществом является адипонитрил, который, в свою очередь, получают, присоединяя циановодород к двойным связям бутадиена.

Несмотря на то что циановодород смертельно опасен для большинства современных форм жизни на Земле, в свое время эта молекула могла сыграть роль и в процессе возникновения жизни. Циановодород, который, кстати, может формироваться и в космическом пространстве, и, возможно, мог формироваться в атмосфере молодой Земли, в соответствии с некоторыми гипотезами рассматривается как предшественник аминокислот и нуклеиновых кислот.

Вот такой он, циановодород – простая линейная молекула из трёх атомов, возможно, когда-то способствовавшая возникновению жизни на Земле, известный герой романов и фильмов, золотодобытчик и специалист по синтезу огромного количества органических соединений – от лекарств до полимеров.

1.7. Озон

Для большинства людей озон ассоциируется ни с чем иным, кроме как с дырами в атмосфере в полярных районах и концепцией: «Аааа, мы все умрем!» Кто-то наоборот, считает запах озона ароматом свежести и обновления. Однако о свойствах озона, обуславливающих появление этой дыры, а также о том, что озон в верхних слоях атмосферы защищает жизнь на Земле, а озон в нижних слоях атмосферы опасен для здоровья, известно меньше.

Озон является аллотропной модификацией кислорода. Молекулярный кислород, образующий с азотом и другими газами смесь, которую мы называем воздухом, состоит из двух атомов кислорода и с точки зрения номенклатуры должен называться «дикислород».

Озон – ближайший родственник дикислорода, но состоящий из трёх атомов кислорода. Тем не менее такая относительно простая молекула, столь близкая по строению к дикислороду, долгое время была загадкой для химиков XIX столетия.

Озон – бледно-голубой газ с характерным, несколько резковатым запахом (этот запах можно почувствовать, понюхав воздух у работавшего продолжительное время без перерыва ксерокса или лазерного принтера).

Название «озон» происходит от греческого слово «озеин» – запах. Это имя газ получил в 1840 году, его крестным отцом стал успевший поработать и в Германии, и в Швейцарии химик Кристиан-Фридрих Шенбейн, которому часто приписывают и пальму первенства в открытии озона. Тем не менее впервые озон обнаружил не Шенбейн, а голландский физик Мартин ван Марум (в 1785 г.) – именно он описал характерный запах и окислительные свойства, которые приобретает воздух после пропускания через него электрических искр.

Однако ван Марум считал, что образуется особая «электрическая материя», на открытие нового вещества он не претендовал, и до Шенбейна общепринятым было мнение о том, что запах озона – это «запах электричества». Итак, Шенбейн первым заявил об озоне как о новом химическом веществе, но молекулярная формула озона – O₃ – была установлена позже: это было связано с трудностями при выделении и очистке озона от других газов, а эти трудности, в свою очередь, являлись результатом высокой реакционной способности озона.

При конденсации озон превращается в тёмно-синюю жидкость и фиолетово-чёрное твёрдое вещество, и то и другое – взрывчатые вещества. Цвет озона объясняется тем, что он интенсивно поглощает свет в красной области спектра. Помимо этого, озон поглощает ультрафиолетовое излучение, и именно это его свойство объясняет роль озона в окружающей среде, причем озон в верхних слоях атмосферы (стратосферный озон) и озон в нижних слоях атмосферы (тропосферный озон) играют разную роль в химии атмосферы и в экологических системах.

В нижних слоях атмосферы тропосферный озон образуется в результате комбинации таких факторов, как солнечный свет, органические кислородсодержащие вещества и оксиды азота. Этот озон часто встречается в атмосфере крупных городов и является обычным компонентом смога.

Озон токсичен для человека, в особенности – для легких и дыхательной системы (предельно допустимая концентрация озона для человека сравнима с таковой для циановодорода – в воздухе рабочей зоны – 0,1 мг/м³; в атмосферном воздухе населённых мест – 0,03 мг/м³, хотя человек распознает озон по запаху в концентрациях меньших, чем опасная). Повышенная концентрация озона может вызывать у некоторых людей поражения глаз, кашель, головную боль и боли в груди, респираторные нарушения, а также являться причиной обострения астмы и общего ослабления функции легких. Из-за этой потенциальной опасности рекомендуется хорошо проветривать помещения, в которых в течение длительного времени работает печатная или копировальная техника, а в некоторых штатах США даже объявляют «дни озоновой угрозы» – в такие дни прогнозируется увеличение содержания озона, и гражданам рекомендуют не использовать устройства, способные повысить концентрацию озона в воздухе, в первую очередь – автомобили (кстати, биоэтанол, использующийся в качестве топлива в ряде машин в США, является гораздо более опасным источником озона для смога, чем традиционный бензин, при горении которого, однако, могут образовываться канцерогены).

Если тропосферный озон опасен для здоровья, то озон стратосферный является нашим защитным «солнечным зонтиком». На высоте примерно 20 км от уровня моря озон образуется в результате воздействия ультрафиолетового излучения солнца на молекулы дикислорода, таким образом, озоновый слой является экраном, предохраняющим Землю от губительного воздействия солнечного ультрафиолета. Ультрафиолетовое излучение Солнца опасно для всего живого на Земле – ультрафиолет может повреждать ДНК, вызывая мутации, для «переоблучившихся» ультрафиолетом людей, например, повышается шанс развития рака кожи.

В конце 1970-х и начале 1980-х наблюдение за состоянием атмосферы Земли показало, что содержание озона в атмосфере падает, что приводит к истончению озонового слоя, и в 1985 году в Антарктическом регионе над Южным полюсом впервые наблюдалась дыра в озоновом слое. При этом отмечалось не только постепенное понижение содержания озона в атмосфере, но и сезонные колебания концентрации озона – с 1985 года и по наши дни каждую весну в атмосфере над Антарктикой наблюдается практически полное отсутствие озона в атмосфере – это и есть «озоновая дыра».

Было предположено, что истончение озонового слоя было обусловлено использованием хлорфторуглеводородов (фреонов), которые в то время использовались в качестве газов-пропеллентов для аэрозольных баллончиков и в системах охлаждения бытовых приборов. До детального изучения процессов, протекающих в атмосфере, фреоны казались химикам и экологам идеальными благодаря своей химической устойчивости.

В 1974 году Марио Молина (Mario Molina) и Френк Шервуд Роулэнд (Frank Sherwood Rowland) опубликовали статью в Nature, в которой описывалась возможность разложения фреонов под воздействием ультрафиолета в верхних слоях атмосферы, а также то, как атомы хлора, образующиеся при таком разложении, могут катализировать разрушение озона до дикислорода, способствуя понижению концентрации стратосферного озона (один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул озона).

Выводы Молины и Роулэнда оспаривались в то время и оспариваются сейчас; одним из моментов критики является то, что фреоны существенно тяжелее воздуха и им сложно подниматься на уровень стратосферы. Ещё одним из источников атомов хлора, разрушающих озоновый слой, считались системы ускорения американских «шаттлов», окислителями топлива в которых были хлораты и перхлораты калия (наша космонавтика в отношении опасности для озонового слоя всегда была вне подозрения).

Тем не менее в 1987 году был подписан Монреальский протокол – международное соглашение, существенно ограничивающее производство и применение фреонов (использовать фреоны для распыления содержимого аэрозольных баллончиков Монреальский протокол запретил, правда, полеты шаттлов не запретил). Возможно эти ограничения по применению фреонов (ну и, кстати, почившая в бозе американская программа космических кораблей многразового использования) привели к тому, что концентрация стратосферного озона снова стала увеличиваться, и, по оценкам, толщина озонового слоя вернется к уровню ранних 1970-х к 2060–2070 году (но это в том случае, если истощение озона обусловлено антропогенным воздействием, а не какими-то другими, возможно неизвестными пока для нас естественными природными процессами – активностью Солнца, например). Молина же и Роулэнд совместно с голландским химиком Паулем Крутценом (Paul Crutzen) в 1995 году разделили Нобелевскую премию по химии – за изучение реакций, протекающих в атмосфере Земли.

Озон имеет очень высокое сродство к электрону (1,9 эВ), что и обусловливает его свойства сильного окислителя, превосходимого в этом отношении только фтором. Причиной его химической активности является полярное строение молекулы озона, или точнее – положительно поляризованный атом кислорода, который придает всей молекуле электрофильный характер. Поэтому молекулы с высокой плотностью электронов являются наиболее предпочтительными реакционноспособными элементами. Озон является сильным окислителем и используется для разрушения органических соединений, чаще всего – с двойными связями, такое разрушение носит название «озонолиз».

Способность озона реагировать с органикой с одной стороны опасна – контакт озона с полимерами приводит к их разрушению и/или изменению их физико-механических свойств (например, увеличивается хрупкость), с другой стороны – способность озона окислять органику приводит к тому, что он применяется в отбелке целлюлозных материалов и обеззараживании питьевой воды.

Если ещё в 1990-е годы основным способом отбелки материалов было использование хлора и его соединений, то в настоящее время эволюция процесса отбелки тканей, бумаги и другого целлюлозосодержащего сырья направлена в сторону полного исключения молекулярного хлора и производных хлора с целью максимального снижения содержания хлорорганических соединений в отходах производства и в готовой продукции. В современной идеологии бесхлорной отбелки различают два направления:

1. Отбелка без молекулярного хлора (Elemental Chlorine Free – ECF), в которой не применяют элементарный хлор или гипохлориты, а отбеливающим реагентом является диоксид хлора.

2. Отбелка полностью без применения соединений хлора (Total Chlorine Free – TCF), здесь отбеливающими реагентами могут быть кислород, перекись водорода, пероксокислоты и озон (если внимательно посмотреть на упаковку офисной бумаги, на ней можно увидеть трехбуквенные обозначения – я вот на имеющейся у меня под рукой пачке «Снегурочки» вижу маркировку ECF).

Впервые в мире промышленное использование озона для отбелки древесной массы было осуществлено в 1975 году в г. Хекслунде (Норвегия) на фабрике для производства газетной бумаги производительностью 200 тыс. т в год. В настоящее время в Италии, Австрии, США, Швеции, Финляндии десятки предприятий имеют промышленные установки для отбелки озоном. Самая крупная из них (производительностью 1450 т/сут) смонтирована на заводе Мется-Ботния в г. Каскинен (Финляндия). В России опытная установка для обработки целлюлозы озоном была создана на Сясьском целлюлозно-бумажном комбинате в конце 1970-х годов, однако до промышленного внедрения разработка не была доведена, и информации о том, есть ли сейчас целлюлозно-бумажные производства, где используется отбелка озоном, я не нашёл.

Опять же – в Европе в настоящее время 95 % питьевой воды проходит озонную подготовку, в США идет процесс перевода с хлорирования на озонирование. В России на сегодняшний день существует всего несколько станций озонирования воды – в Москве и Нижнем Новгороде. Несмотря на уже упоминавшуюся токсичность озона, для конечного потребителя озонирование воды менее опасно, чем хлорирование, – озон достаточно быстро разрушается до дикислорода, не оставляя токсичных или нежелательных «следов» в обрабатываемой воде.

История озона началась ещё в XVIII веке, когда его считали «запахом электричества», сегодня мы знаем, что стратосферный озон можно считать «зонтиком-хранителем» жизни на Земле, но из-за его токсичности я бы предпочел, чтобы озон содержался в стратосфере, а к нам в тропосферу – ни-ни (помню я смог лета-2010 от горения лесов и не хочу освежать эти воспоминания в памяти).

1.8. Угарный газ, который не стоит путать с веселящим

Угарный газ (моноксид углерода, оксид углерода (II)) – один из наиболее распространенных отравляющих газов в природе. Формула его проста и незамысловата – СО. Главным источником угарного газа является неполное сгорание топлива, которое используется человечеством, – угля, нефти, мазута, природного газа, сушеного кизяка и других углеродсодержащих материалов, которые когда-то человечество сжигало для получения энергии. Точную статистику отравлений угарным газом по России найти не удалось, британцы уверяют, что на Острове ежегодно в среднем регистрируется около 50 смертельных случаев бытовых отравлений угарным газом только из-за неправильного использования каминов и прочих обогревательных систем.

Поскольку угарный газ не имеет ни запаха, ни цвета, ни вкуса, не является раздражающим и легко смешивается с воздухом, а также беспрепятственно распространяется, он получил название «молчаливого убийцы». Определить потенциальную опасность отравления угарным газом практически невозможно, и отравление диагностируется только по симптомам, которыми, в частности, является возникающая из-за кислородного голодания мозга дезориентированность движения, которая и породила народную метафору «метаться как угорелый» (кот) – да-да – изначально в этой фразе был кот (или кошка).

В наши времена, когда печек стало меньше и глаголом «угорать» уже перестали пугать детей (по крайней мере, городских), дети почему-то подумали, что угорать – это просто дезориентироваться в пространстве и времени без последствий, хотя, строго говоря, «немножко угорев», можно так и остаться угорелым идиотом из-за необратимых повреждений мозга, а можно и угореть до смерти. В итоге «угорать» теперь почти равно «веселиться», а городские школьники путают угарный газ с веселящим.

Тем не менее в истории науки был человек, который специально угорал, вдыхая угарный газ. Это был Джон Скотт Холдейн. Этот физиолог превратил своё тело в лабораторию, вдыхая различные газы и отмечая, какое воздействие они оказывают на его организм. Холдейн является одним из создателей учения о дыхании человека, о его регуляции и роли в этом процессе углекислого газа. Он исследовал токсическое действие окиси углерода, разработал методы борьбы с отравлением этим газом. Впервые определил состав альвеолярного воздуха у человека с помощью созданного им газоаналитического аппарата, его работы спасли жизнь огромному количеству рабочих, солдат, водолазов и шахтеров. Вот как описывает биограф повседневные «забавы» Холдейна: «Он дышал хлором, метаном, углекислым газом, угарным газом (ипритом), чистым кислородом, азотом, горчичным газом и бог знает чем ещё в самых невероятных сочетаниях. Бывало, что он прекращал эксперимент только тогда, когда его лицо синело».

Работы Холдейна, посвященные токсичности угарного газа, спасли много жизней. Для того чтобы точно протоколировать влияние газов (в том числе и угарного) на организм, Холдейн вдыхал газы практически до их смертельной концентрации в крови. Одной из рекомендаций по безопасному труду в шахтах была рекомендация Холдейна использовать в качестве «датчиков» на угарный газ канареек – маленькой птице нужно меньше газа до смертельного исхода, и она травится быстрее, чем среднестатистический шахтер. Сейчас птичек в шахтах уже не травят, но датчики на угарный газ в шахтах до сих пор называют «канарейками».

Молчаливый убийца – угарный газ – опасен тем, что поражает один из наиболее важных для жизни позвоночных белок – гемоглобин. Задача гемоглобина, локализованного в красных кровяных тельцах, состоит в том, чтобы подхватывать в легких кислород и переносить его с током крови к органам и тканям человека.

Угарный газ мешает этому нормально поставленному обмену между воздухом, кровью и тканями. Он более прочно связывается с гемоглобином железа, образуя карбоксиметилгемоглобин, который чуть более чем бесполезен для транспорта кислорода к органам, желающим подышать. Вопреки распространенному мнению, карбоксиметилгемоглобин не теряет способности связываться с кислородом воздуха – проблема в том, что, «подхватив» кислород, карбоксигемоглобин не может отдавать его, кислород оказывается «запертым» в токе крови. Кровь насыщается кислородом, становясь все краснее и краснее, а органы задыхаются от нехватки кислорода, поскольку карбоксиметилгемоглобин ведет себя по отношению к кислороду, как пресловутая собака на сене.

Молчаливый убийца обладает жестоким чувством юмора – благодаря тому, что кровь насыщена кислородом, у жертв отравления угарным газом сохраняется здоровый румянец (как в анекдоте: ну как живые сидели). Несмертельные отравления угарным газом могут вызывать тошноту, головокружение и необратимые повреждения мозга, при больших дозах угарного газа и/или времени нахождения в атмосфере, содержащей угарный газ, у человека могут появляться галлюцинации, происходить потеря сознания с конвульсиями и дыханием Чейн-Стокса.

Современные «канарейки», предупреждающие о превышении опасной концентрации угарного газа, можно приобрести не только в «промышленном» исполнении, но и в «карманном варианте» – для персонального использования (если читатели доверяют изделиям китайских умельцев, то на али-экспрессе такой датчик можно купить за сумму не дороже 500 рублей). Для человека, относящегося к группе повышенного риска к бытовому отравлению угарным газом (коттедж или дачный дом с собственной системой отопления, своя банька), возможно, весьма полезная инвестиция в собственную безопасность.

Ранее химическое определение угарного газа проводили так: через слой оксида кремния, модифицированного хлоридом палладия, пропускали анализируемую смесь газов, при наличии в смеси угарного газа он восстанавливал палладий до металла, и наблюдалось потемнение, сейчас датчики работают, как спектральные сигнализаторы, способные обнаружить тройную углерод-кислородную связь, которая характерна только для угарного газа.

Кстати, фильтрующие противогазы, как военные, так и гражданские, от угарного газа не защитят – молекула СО слишком мала и легко проходит через угольный фильтр, в данном случае помогает только изолирующий противогаз, он же дыхательный аппарат, который полностью изолирует органы дыхания человека от окружающей среды.

Угарный газ хотя и является убийцей, тем не менее вырабатывается и организмом человека. Возможно, это связано с тем, что в те времена, когда атмосфера Земли была богата угарным газом, зарождение определенных биологических механизмов на этой ранней стадии развития жизни вполне могло обуславливаться этой молекулой.

Организм человека продуцирует 3–6 мл угарного газа в день, причем определенные воспалительные процессы (а также патологические состояния) могут значительно увеличить это количество. Эндогенный (вырабатывающийся организмом человека) угарный газ играет роль регулятора кровяного давления при стрессах и нейрональной защиты при апоплексии и болезни Альцгеймера; в конце ХХ века было установлено, что угарный газ является нейротрансмиттером (участвует в передаче информации между нервными клетками) для клеток гиппокампа.

Угарный газ, он же моноксид углерода, был впервые идентифицирован шотландским химиком Уильямом Крюйкшенком из Вулиджа в 1800 году – он первым выделил его из коксового газа. Современный лабораторный способ получения угарного газа основан на дегидратации (отщеплении воды) муравьиной кислоты.

Угарный газ сгорает голубым пламенем с образованием углекислого газа и часто, в форме «генераторного» газа, применяется в качестве топлива. Генераторный газ, который получают, пропуская воздух над раскалённым каменным углём или коксом в специальных печах – газогенераторах, даже использовался в качестве топлива во время Второй мировой. Ещё одно применение угарного газа – процесс Монда – очистка никеля, основанная на том, что угарный газ легко реагирует с никелем, образуя жидкий при комнатной температуре и летучий тетракарбонилникель Ni(CO)₄, который отгоняют (как в самогонном аппарате) и разрушают до металлического никеля.

Итак, хотя опасность угореть и не встать потенциально остается и до сих пор, угарный газ, как, впрочем, и почти любое химическое вещество, которым можно отравиться, играет определенную положительную роль и в нашем организме, и в промышленности. В общем, читатели, дышите свежим воздухом, радуйтесь жизни, но при этом не угорайте от угарного газа.

1.9. Веселящий газ, который не надо путать с угарным

Веселящий газ (N₂O) – он же закись азота, он же оксид азота(I), он же, как любят говорить школьные учителя химии, «оксид одновалентного азота». Последнее, кстати, совершенно неправильно – ни одного атома одновалентного азота в закиси азота нет. Его строение таково:

Небольшое скучное отступление о природе химической связи – почему так сложно, а не так, как лихо любят рисовать школьные учителя и обученные ими дети: N – O–N? Все просто – у атома азота на внешней оболочке находятся три неспаренных (валентных) электрона. В гипотетической частице N – O–N по одному электрону от каждого атома азота идёт на образование связи с кислородом, и у каждого атома азота осталось бы по два неспаренных электрона, а у N – O–N должно быть ЧЕТЫРЕ неспаренных электрона. Строго говоря, частица с одним неспаренным электроном уже реакционноспособна (такие частицы, например – те самые радикалы-оксиданты, которыми СМИ пугают легковареных слушателей), а система с четырьмя неспаренными электронами должна реагировать с чем угодно «стремительным домкратом». Так вот – регулярно рассказываю это на курсах учителям, они добросовестно записывают, кивают, но потом возвращаются в школы и продолжают учить детей формуле N – O–N. Всё ж таки сложнее всего учить химии именно школьных учителей химии – любые попытки сломать их устоявшиеся представления о жизни и химии либо встречаются в штыки, либо игнорируются.

Закись азота была одним из газов, открытых в период развития химии, известного как «пневматическая химия», одним из известных химиков того времени – Джозефом Пристли. В 1772–1774 годах. Пристли открыл «щелочной воздух» – аммиак. Он детально исследовал полученный им при взаимодействии поваренной соли и серной кислоты «солянокислый воздух» – хлористый водород, который он собрал над ртутью. Действуя разбавленной азотной кислотой на медь, получил «селитряный воздух» – окись азота; на воздухе этот бесцветный газ бурел, превращаясь в диоксид азота. Пристли открыл закись азота, пропуская «селитряный воздух» через воду. В настоящее время закись азота получают, нагревая нитрат аммония, который распадется на воду и закись азота.

То, что закись азота вызывает эйфорию и обладает анестезирующими свойствами, было обнаружено довольно рано – это выяснил ещё один представитель пневматической химии Хэмфри Дэви где-то в 1790-х годах. Однако первый задокументированный пример практического использования закиси азота в медицине датируется 1844 годом, и первым человеком, применившим закись азота для анестезии, был американский дантист Хорас Уэллс.

Уэллс был дантистом-самоучкой и не имел специального образования. Впрочем, в первой половине XIX века стоматология в Америке была профессией весьма примитивной и отсталой. От дантиста требовалось лишь умение «выдёргивать» зубы, лишь немногие могли и умели делать большее.

Вечером 10 декабря 1844 года Уэллс попал на сеанс общественной демонстрации эффектов ингаляции веселящего газа, который проводил странствующий лектор Гарднер Квинси Кольтон. Полученные во время представления впечатления и наблюдения помогли Уэллсу прийти к заключению, что анестезирующее действие закиси азота можно успешно использовать при очень болезненной манипуляции – экстракции зуба.

На следующее утро Уэллс отправился в гостиницу, в которой остановился Кольтон, чтобы попросить у него некоторое количество закиси азота. Получив согласие, Уэллс решил испробовать обезболивающее действие закиси азота прежде всего на самом себе и обратился к другому дантисту – Джону Риггсу – с просьбой, чтобы тот удалил у него один здоровый зуб.

Все заинтересованные (Уэллс, Риггс, Кольтон и некоторые другие дантисты городка Хартфорд) собрались в приёмной Риггса в тот же день, 11 декабря, в послеобеденное время. Кольтон принёс газ и сам лично сделал ингаляцию большой дозы Уэллсу, а Риггс, воспользовавшись хорошим наркозом, вырвал у коллеги один из коренных моляров. Уэллс вскоре очнулся и с крайним энтузиазмом воскликнул: «Наступила новая эра в удалении зубов!» Он уверял всех присутствующих, что не почувствовал ни малейшей боли и что в процессе самой ингаляции он испытывал замечательно приятные ощущения. Это событие стало первым использованием закиси азота для обезболивания в стоматологии.

Дальнейший головокружительный успех карьеры казался Уэллсу столь же несомненным, насколько бесспорным и совершенным оказалось обезболивание при экстракции зуба, произведенной у него самого. Какое-то время он удалял зубы с ингаляцией веселящего газа в Хартфорде (причем анестезия случалась лишь в 50 % случаев), но потом, будучи в большей степени человеком действия, а не размышления, решил перебраться в город побольше – Бостон, где его ждала неудача.

В Бостоне Уэллс начал искать возможность проделать публичную демонстрацию в городской больнице, добился такой возможности, и один из гарвардских студентов согласился послужить объектом такого опыта при удалении зубов. Сейчас трудно понять, что случилось – была ли недостаточна концентрация газа, слишком рано прекратили ингаляцию, или же, наконец, добровольный подопытный оказался особо устойчивым против действия закиси, а может, он оказался слабонервным и кричал не от боли, а от страха, но во время удаления зуба он кричал. Студенты – коллеги подопытного – возмутились, заговорив о мошенничестве экспериментатора, Уэллса даже спихнули с эстрады. Очень огорченный, в полном отчаянии, он на следующее утро уехал обратно в Хартфорд, но и там его ждал удар. В Хартфорде он сделал ещё одну попытку публичной демонстрации, и на этот раз дал очень большую дозу закиси азота, что чуть не привело к смерти больного от удушья. Это окончательно разрушило последние надежды Уэллса. Он не только бросил попытки газовых наркозов, но окончательно оставил и свою профессию дантиста. Затем ингаляционный наркоз стали изучать люди менее импульсивные и более методичные, чем Уэллс, и в итоге веселящий газ стал применяться в качестве анестетика в 1860-е годы в Штатах, а затем и в Европе.

Закись азота до сих пор применяется для общего наркоза, правда, как раз те систематические изучения конца XIX века показали, что использовать чистую закись азота в качестве анестетика глубокого действия невозможно – в конце позапрошлого века его применяли в смеси с эфиром, в конце ХХ века перешли на другие добавки, как, например, изофуран. Тем не менее закись азота без добавок до сих пор применяется для неглубокого или для первичного наркоза – смесь закиси азота с воздухом в соотношении 1:1 иногда применяется при родах или перед введением более сильного обезболивающего.

Применение закиси азота для того, чтобы оживить прием или вечеринку, началось гораздо раньше, чем применение в медицине. Термин «веселящий газ» появился в 1819 году – в «Таймс» появилось объявление о «наглядных химических экспериментах с применением веселящего газа». В развлекательных целях закись азота начали использовать с 1799 года, наибольшее распространение «вечеринки с веселящим газом» получили в середине XIX века. Английский поэт Роберт Саути писал: «Я уверен, что на Небесах именно такой воздух, полный чудес и восхищения!» На таких вечеринках народ фактически токсикоманил, временами делая вдохи из резервуаров с закисью азота, смеясь без причины. Такое применение веселящего газа прекратилось в начале ХХ века, однако поскольку опьянение, вызванное закисью азота, сопровождается трансовым состоянием, веселящий газ временами применяется гипнологами при проведении наркогипноза.

С точки зрения наркотического эффекта закись азота относительно безопасна – она не вызывает физиологического привыкания, а только психологическое, не проявляя токсических свойств по отношению к организму. Тем не менее при чрезмерном вдыхании закиси азота всегда существует риск смерти от удушья: если легкие заполнены веселящим газом, туда уже не может попасть кислород, развивается кислородное голодание органов, которое может показаться человеку, находящемуся в состоянии наркотического опьянения, неопасным, однако понятно, что «показаться неопасным» и «быть неопасным» – это совсем разные вещи.

Помимо применения веселящего газа в медицине и для «поднятия настроения» известно его применение в технике. Закись азота представляет собой хороший окислитель, который применяется для увеличения мощности двигателя в автомобильных гонках и как окислитель ракетного топлива.

Веселящий газ поддерживает горение, а то, что его молекулярная масса совпадает с молекулярной массой углекислого газа (44 атомные единицы массы), отнюдь не поддерживающего горения, часто использовалось (в том числе и вашим покорным слугой) в олимпиадных задачах. Вот приходит дитё к выводу, что газ с массой 44 а.е.м., о котором говорится в задаче, горение поддерживает, да начинает репу чесать, что же это с его любимым углекислым газом случилось. Некоторые, правда, догадывались, но среднестатистическое большинство старательно рисовало не имеющие права на существование реакции горения в атмосфере углекислого газа.

Несмотря на то что в настоящее время закись азота всё же скорее вещество полезное, чем вредное, да и любители оттянуться в состоянии наркотического опьянения перешли с веселящего газа на другие препараты, с точки зрения атмосферной химии и атмосферных процессов закись азота – большая проблема. Веселящий газ представляет собой парниковый газ, парниковое действие которого в 200 выше, чем у равного с ним по массе диоксида углерода. К счастью, в атмосферу попадает не такое большое количество закиси азота, основными её источниками являются жизнедеятельность ряда микроорганизмов, а также побочные процессы превращения азотсодержащих удобрений.

И всё же, говоря о веселящем газе, стоит ещё раз подчеркнуть, что, несмотря на все его незначительные недостатки, мы должны относиться к нему с уважением и одобрением – это вещество стало применяться в качестве наркоза для операций, и, получив закись азота, доктора перестали резать по-живому или отключать человека перед операцией, аккуратно ударив его по голове тяжелым и тупым предметом.

1.10. Ртуть

В «Балладе о трех котиколовах» Редьярда Киплинга, повествующей о нелегкой судьбе браконьеров, решивших поохотиться на морских котиков у побережья Российской империи, встречаются строчки:

Ибо русский закон суров —

лучше пуле подставить грудь,

Чем заживо кости сгноить в рудниках,

где роют свинец и ртуть.

Ртуть и её соединения были известны людям задолго до написания «Книги джунглей». Уже древние римляне использовали минеральный ртутный пигмент киноварь (сульфид ртути, HgS). Знали римляне и о токсичных свойствах производных ртути – на ртутные рудники в Испании отправляли преступников, и приговор к ртутным рудникам по сути дела был смертным приговором, который, правда, приводился в исполнение в течение месяцев и годов.

Римляне использовали киноварь в качестве оранжево-красного красителя, а также прокаливали её для получения металлической ртути. Вдыхание мелкой пыли киновари или паров ртути приводило к одному и тому же результату – ртутному отравлению и смерти, часто долгой и мучительной.

Позже ртуть применяли для изготовления амальгам серебра и золота (амальгамой называется сплав металла с ртутью). Серебряная амальгама использовалась для изготовления зеркал, золотая – для золочения стекла, куполов церквей и красочных букв, которыми обычно начинали рукопись. После нанесения амальгамы ртути просто позволяли испариться, и такой метод нанесения металлов на поверхность приводил к высокой смертности зеркальщиков, мастеров-золотильщиков и других людей, деятельность которых требовала контакта с парами ртути. Соединения ртути пытались использовать для лечения сифилиса (неэффективно), а ученик Галилея Торричелли начал применять его в барометрах.

Существует немалое количество легенд о том, что целая когорта ученых эпох Возрождения и Просвещения завершила свою научную деятельность чуть раньше, чем могла бы, из-за ртутных отравлений. Среди отравившихся ртутью называют Исаака Ньютона, Майкла Фарадея, Блеза Паскаля. Долгое время существовала версия и о том, что жертвой ртутного отравления пал австрийский астроном Тихо Браге, причем отравителем называли даже его ученика Иоганна Кеплера, однако эксгумация могилы Браге в 2010 году и анализ его останков позволили отбросить эту версию.

Одна из ветвей алхимии рассматривала ртуть как один из трёх «первоэлементов» (наряду с серой и солью), поэтому естественно, что алхимики пытались превратить ртуть в золото. Король Британии Карл II весьма поднаторел в занятиях химией и алхимией, и его внезапную смерть в 1685 году также связывают с отравлением ртутью в результате одного из экспериментов.

Нитрат ртути использовался при изготовлении шляп для консервации фетра или войлока, а также для их размягчения. После сушки фетра на нем оставалась токсичная ртутьсодержащая пыль, шляпники отравлялись ею, и у них проявлялись симптомы, хорошо описанные Льюисом Кэрролом в «Алисе в Стране чудес». По сути дела, сумасшедший болванщик (или сумасшедший шляпник) лишь отчасти является плодом художественного вымысла – Кэррол достаточно точно описал симптомы, типичные для его современников – шляпных дел мастеров.

Наиболее ядовитыми соединениями ртути являются металлоорганические соединения ртути – они содержат связи ртуть – углерод. Впервые такие соединения были получены в 1852 году. Сэр Эдвард Франкланд обнаружил, что если оставить смесь метилйиодида (СH₃I) с металлической ртутью на солнечном свету, то через некоторое время образуются кристаллы йодметилртути (СH₃—Hg – I). Для пытливых: позднее этот и подобные ему процессы в металлоорганической химии получили название окислительное присоединение металла по связи X – Y; в ходе таких процессов и формальная валентность металла, и формальное значение увеличиваются на две единицы. Чуть позже Франкланд получил целый ряд таких соединений.

В начале ХХ века люди начали использовать ртутьорганические соединения в качестве фунгицидов для посевного сырья. Ртутьорганика убивала грибки, но и людей, пытавшихся делать хлеб из посевного фонда, тоже, в то время как высевание таких семян и использование в пищу уже урожая было безопасным. Тем не менее эпидемии ртутных отравлений в результате «потравы посевного фонда» случались с завидной регулярностью. Одна из последних таких эпидемий произошла в начале семидесятых годов в Ираке, когда люди не смогли прочитать предостережения на мешках с обработанным соединениями ртути посевным зерном из-за незнания испанского, и в результате этой фатальной ошибки сотни людей умерли от ртутного отравления. Токсичные органические производные ртути могут образовываться в природных условиях из неорганических соединений ртути – в природе анаэробные бактерии превращают ртуть в метилртуть, которая может по пищевой цепочке через планктон и рыбу доходить и до человека: одно из массовых отравлений ртутью в Японии связывают с тем, что недобросовестная химическая компания Чиссо решила избавиться от ртутных отходов и сбросила их в прибрежную зону, в которой осуществлялся коммерческий лов рыбы. По названию города, жители которого пострадали более всего, синдром отравления ртутьорганическими соединениями получил название болезнь Минамата. Симптомы включают нарушение моторики, парестезию в конечностях, ослабление зрения и слуха, а в тяжёлых случаях – паралич и нарушение сознания, завершающиеся летальным исходом.

Однако самым ядовитым производным ртути является диметилртуть (СH₃—Hg – СH₃). Впервые она была получена в 1858 году Джорджем Бактоном. В группе Франкланда диметилртуть начали получать в 1863 году. В 1865-м в ходе одного из экспериментов коллега Франкланда Карл Ульрих вдохнул немного полученного соединения и вскоре стал демонстрировать классические симптомы ртутного отравления – онемение конечностей, потерю слуха и зрения. Затем он на некоторое время стал буйным, а потом впал в глубокую кому, скончавшись через полмесяца после проявления симптомов. У молодого лаборанта, помогавшего Ульриху, и получившего меньшую дозу, симптомы развивались дольше, но и для него отравление закончилось буйным помешательством, которое развилось за несколько месяцев с последующей смертью от пневмонии в психиатрической лечебнице.

Отравление диметилртутью не является «приметой времени» химиков XIX века. Никто из работающих с органическими соединениями ртути от него не застрахован. В августе 1996 года профессор колледжа в Дартмунте Карен Веттерхан, опытный химик-металлоорганик, соблюдала все меры предосторожности, работая с небольшим количеством диметилртути – она выполняла все операции под вытяжкой в халате, очках и перчатках, но в процессе работы капнула пару капель реактива на перчатки. Капнула, утилизировала перчатки и забыла, вроде бы жизнь продолжала идти своим чередом. Однако в январе 1997 года она стала замечать тревожные симптомы – расстройство речи, потерю координации движений. В больнице ей поставили диагноз «отравление ртутью». Состояние химика ухудшалось, и терапия, призванная выводить из организма тяжелые металлы, в том числе и ртуть, не помогла (это только в «Хаусе» все проблемы больного после диагностики отравления тяжелыми металлами и фразы «Вводите лиганды и выводите тяжелые металлы!» все проблемы больного решаются, в жизни, увы, всё хуже). В феврале 1997 года, через три недели после первых симптомов отравления, Веттерхан впала в кому и умерла, не приходя в сознание, в июне. Несмотря на то что диметилртуть не попадала на кожные покровы, органическое окружение ртути позволяет этому «суперяду» проходить сквозь тонкие латексные перчатки.

Кстати, после смерти коллег Франкланда от отравления ртутьорганическими соединениями в 1865 году Джордж Бактон, впервые получивший диметилртуть, отошел от химии, перешел в энтомологию, стал изучать жучков и бабочек, что, возможно, и помогло ему дожить до преклонного возраста в 87 лет и умереть в 1905 году.

Не то чтобы ртуть и её производные были бы уж таким замечательным веществом, хотя без ртути у нас не было бы ни технологии изготовления зеркал, ни золоченых куполов, ни сумасшедшего шляпника. Тем не менее я от всей души желаю вам, чтобы вы поменьше контактировали с ртутью и избежали участи Карла II, Карла Ульриха, Карен Веттерхан и многих других.

1.11. Диоксид титана

Диоксид титана, он же оксид титана(IV), TiO₂, является одним из многих химических веществ – «ложных друзей переводчика». По-английски название этого вещества часто пишется как titania, что позволяет переводчикам переводить его как «титан», хотя сам металлический титан – titanium. Кстати, аналогичные трудности перевода бывают в паре и тройке silica – silicon; alum-alumina-aluminum. В первой паре речь идет соответственно об оксиде кремния (или просто кремнеземе) и кремнии (а не силиконе), а во втором случае – соответственно о квасцах, оксиде алюминия и алюминии.

Диоксид титана не является страшным ядовитым веществом, он даже не является нестрашным ядовитым веществом – мы можем встретить его в повседневной жизни в самых различных областях. Ежегодное мировое производство оксида титана составляет около 4 миллионов тонн, и его внешний вид, физические и химические свойства наряду с безопасностью в отношении токсичности приводят к тому, что диоксид титана можно найти в лакокрасочных материалах и солнечных батареях, кондитерских изделиях и зубной пасте, а также лекарственных препаратах.

В природе диоксид титана встречается в виде двух полиморфных кристаллических модификаций (двух неорганических веществ с одинаковым составом, но с разным строением кристаллической решетки) – рутила и анатаза, применяют диоксид титана также в виде двух этих модификаций (в ряде случаев получая искусственно). Рутил является несколько более распространенным в плане практического применения из-за более высокой устойчивости и большей белизны, ниша для более мягкого анатаза – применение в продуктах питания и лекарственных препаратах.

Обе формы диоксида титана известны в первую очередь благодаря своей белизне, из-за которой самой распространенной, но не единственной областью применения диоксида титана является лакокрасочная промышленность, в которой диоксид титана является самым известным и распространенным белым пигментом. Диоксид титана отличается высоким показателем преломления (из твердых веществ свет преломляет лучше только алмаз), что позволяет ему рассеивать свет и давать хорошую белую окраску, химическая же устойчивость этого материала приводит к тому, что покрашенные им поверхности длительное время сохраняют белизну.

Помимо лаков и красок диоксид титана является отбеливающим агентом в пищевой промышленности, где он известен под кодовым шифром E171. Эту добавку можно найти в мороженом, соусах для заправки салатов и кулинарных изделиях. Диоксид титана также можно встретить в зубных пастах (все-таки приятно наносить на зубную щетку белую пасту, а не серую), диоксид титана есть и в столь любимых школьниками и студентами корректорах текста (белой пасте, которой замазывают неправильные тексты). Есть варианты рецептур для дорожной разметки, в которой мел заменен диоксидом титана, разметка теннисных кортов и других спортивных площадок также зачастую не обходится без этого замечательного вещества.

Может показаться забавным, но самый известный после мела белый пигмент применяется в косметике для изготовления солнцезащитных кремов. Хотя диоксид титана и прозрачен для волн, относящихся к видимой области спектра, он может блокировать вредоносное ультрафиолетовое излучение, отражая, рассеивая и поглощая его.

Способность диоксида титана взаимодействовать с ультрафиолетом обеспечивает ещё одно важное свойство нашего замечательного вещества. Поглощая ультрафиолет, диоксид титана конвертирует его таким образом, что образуются свободные радикалы. В составе солнцезащитных кремов эти радикалы «перехватываются» наполнителями косметического средства, и коже не наносит вред ни ультрафиолет, ни радикалы. Вместе с тем в ряде практических областей энергию этих радикалов и их реакционную способность можно направить в нужное русло. Японский химик Акира Фудзисима пришел к выводу, что диоксид можно использовать как фотокатализатор при получении водорода из воды с помощью её разложения лучами солнечного света.

И хотя получение водорода из воды на титаноксидных катализаторах – это ещё перспективы, пусть, может быть, и не очень далекие, фотокатализ диоксидом титана применяется уже здесь и сейчас, правда, не в энергетике. Покрытие из диоксида титана используется в так называемых «самоочищающихся поверхностях»: радикалы, которые генерируются диоксидом титана, могут разрушать органические загрязнения, попавшие на такую поверхность, а продукты их распада могут быть просто легко смыты без применения чистящих и моющих средств обычной водой, скажем, дождевой, если такая самоочищающаяся поверхность нанесена на фасад здания. Уже известны самоочищающиеся стекла для окон и самоочищающиеся кухонные поверхности – мечта любой хозяйки и хозяина. Активно разрабатываются и самоочищающиеся ткани – в 2011 году группа исследователей из Поднебесной представила хлопчатобумажную ткань, содержащую диоксид титана. На испытаниях ткань старательно мазали шоколадом и фруктовыми соками, после чего подержали на солнечном свету пару часов, промыли водой, и ткань вернулась к исходной белизне. Это уже, как вы понимаете, мечта всех мам и пап, а также тех, кто имеет привычку кормить едой свою одежду, но также и кошмар для производителей стиральных машин и порошков.

Диоксид титана может разрушать не только загрязнения на ткани – он способен бороться с микробами. В 2008 году исследователи из Университета Манчестера разработали краску, содержащую диоксид титана. Эта краска при облучении ультрафиолетом может убивать ряд бактерий, представляющих собой больничные инфекции, и, что особенно радостно, резистетнтые к антибиотикам штаммы кишечной палочки и золотистого стафилококка.

Диоксид титана – это не только чистые дома, чистые зубы, белое мороженое и чистые палаты в больницах – он ещё дает нам и чистую энергию: диоксид титана является важным компонентом солнечных батарей определенного типа (солнечных батарей, сенсибилизированных красителем). В таких солнечных батареях органические красители поглощают солнечный свет (как хлорофилл поглощает его в листьях зеленых растений), и в результате возбуждения светом электроны с этих красителей переходят в слой из диоксида титана, по которому идёт к электроду, и создается электрический ток.

Уже сейчас разнообразное применение диоксида титана приводит к повышению на него спроса и увеличению стоимости на 50 %, а если диоксид титана станет системой для эффективного получения водорода из воды, повысятся ещё больше.

1.12. Ультрамарин

Что общего у картин «Вокзал Сен-Лазар» Клода Моне и «Зонтики» Пьера-Огюста Ренуара? Оказывается, у них есть один общий химический компонент – синтетический ультрамарин.

Этот знаменитый синий пигмент был разработан в начале XIX века, однако долгое время метод его получения оставался тайной. Исследователям из Великобритании удалось раскрыть тайну древнего рецепта. Результаты этого исследования могут помочь реставраторам, а также экспертам по установлению подлинности живописи.

Ультрамарин всегда был окутан мистической аурой. До получения берлинской лазури он был единственным синим пигментом в Европе, получали его из лазурита, попадавшего в Европу с территории современного Афганистана или Индостанского полуострова (отсюда и название, означающее на латинском языке «заморский»). Малая доступность ультрамарина приводила к тому, что художники использовали ультрамарин только для отображения наиболее важных элементов, связанных с религиозной тематикой, например – одеяний Девы Марии или святого Петра.

Даже несмотря на появление синего синтетического пигмента, попытки воспроизвести синеву ультрамарина предпринимались неоднократно, и в 1824 году французское Общество воодушевления национальной промышленности пообещало приз тому, кто создаст технологию получения ультрамаринового пигмента стоимостью менее 300 франков за килограмм. Спустя 4 года приз получил французский химик Жан Баптист Жиме, при этом ряд других химиков также предложили свои рецептуры, видимо, менее эффективные.

Синтетический ультрамарин стал доступен для художников, однако рецепт его получения долгое время оставался тайной: даже в письменной заявке Жиме, выигравшей конкурс, отсутствовали важные детали протокола синтеза – температура и время.

Ян Хамертон из Университета Суррея (Великобритания) совместно с искусствоведами из группы Николаса Исто отыскали в архивах все исходные рецепты синтетического ультрамарина, чтобы понять, возможно ли восстановить исторически точную рецептуру. Как заявляет исследователь, воспроизведение старых рецептов шло методом проб и ошибок в интерпретации синтетических протоколов того времени, так, например, им приходилось подбирать температуру по фразе «нагревали на пламени вишневого цвета».

После окончательной расшифровки и практической отшлифовки старого рецепта исследователи продемонстрировали, что полученный ими ультрамарин полностью аутентичен историческим образцам (естественно, чтобы исключить субъективность, присущую человеческому восприятию, применялся спектральный анализ). Метод получения искусственного ультрамарина во всех деталях описан в статье, при этом исследователи отмечают, что метод нельзя назвать простым, в частности, одним из этапов является высвобождение серной кислоты при 500 °C.

Специалист по истории искусства Катлин Хонигер из Королевского университета Онтарио считает, что результаты исследования могут помочь реставраторам, которым зачастую необходимо воспроизвести условия создания полотна, добавляя, что из-за большого количества неточностей в рецептах XIX века их очень сложно воспроизводить, но это необходимо для сохранения культурного наследия.

Ну а для тех, кто хочет попробовать себя в реставрации Моне, встать на скользкий путь подделки картин или просто нарисовать что-то, используя синий пигмент, аутентичный пигментам Моне и Ренуара, вот вам рецепт, опубликованный в статье:

Каолин (5,00 г) в течение ночи прогревать в муфельной печи при 600 °C. Активированный таким образом мета-каолин охладить до комнатной температуры и немедленно смешать с безводным карбонатом натрия (1,00 г), серой (0,60 г) и битумной эмульсией (0,12 г). Образующуюся в результате серую пасту растирать с помощью агатовой ступки и пестика в течение 20 минут до образования бледного серо-жёлтого однородного порошка. Из полученного порошка сделать таблетки массой по 0,30 г, которые поместить в алундовый тигель, прикрытый для ограничения доступа воздуха. Тигель поместить в предварительно нагретую до 750 °C муфельную печь и не тревожить 4 часа. Затем извлечь тигель и дать ему остыть до комнатной температуры. Образующиеся тёмно-синие таблетки размолоть – вот вам и синтетический ультрамарин.

1.13. Берлинская лазурь

В наши дни торжества синтетических красителей мы, как правило, не осознаем, каким многоцветьем расцвечен мир окружающих нас вещей – красный, зелёный и синий цвета сплетаются в самые разнообразные оттенки, и нас уже не удивишь самим фактом цвета какого-нибудь предмета обихода или одежды. Мы разве что можем поцокать языком на какое-нибудь режущее наш эстетический вкус сочетание типа зелёного галстука с розовой рубашкой и голубым костюмом, но в итоге спишем этот адский коктейль на желание человека самовыразиться.

Между тем так было не всегда – до XVIII века синий цвет был весьма в цене, синие пигменты были дороги, их расход тщательно контролировался, и среднестатистический горожанин или крестьянин тех времен мог наблюдать синеву только в небесах, водах или на гербах скачущих по своим делам представителей высокородных фамилий (но даже не их свиты). Если посмотреть на произведения живописи, созданные до XVII века, мы с удивлением увидим там очень мало синих тонов. До определенного момента синие пигменты использовались лишь в иконописи или для окраски предметов одежды знати. Трудно поверить, но в те времена синий камзол был таким же маркером благосостояния, как в наши дни «Ролекс» на руке или «Майбах» в гараже.

Дело в том, что до определенного момента в Европе единственным пигментом, который использовался для изготовления синих красок, был ультрамарин, который в свою очередь получали из минерала ляпис лазури (лазурита), о единственном источнике которого говорилось немного выше. Нерегулярные поставки, риски, связанные с путешествием караванов, приводили к чрезвычайной редкости синего пигмента, и, как следствие, его заоблачной, как голубые небеса, стоимости. Однако ситуация на рынке пигментов изменилась примерно в начале 1700-х годов с рождением в Германии нашего очередного замечательного вещества – одного из первых искусственных красителей – берлинской лазури.

Открытие берлинской лазури приписывают немецкому химику (точнее, специалисту по изготовлению красок для различных целей) Дисбаху. Личность это настолько легендарная, что мне не удалось найти ни одного изображения этого человека. Как гласит легенда, Дисбах пытался получить тоже недешёвый красный пигмент, перерабатывая шкурки карминоносных червецов (источников красного пигмента кошенили), но что-то, как часто бывало в те времена, пошло не так, и в результате загрязнения кошенили солями железа появилась устойчивая синяя окраска. Ценность нового пигмента сразу стала очевидной, особенно когда стало ясно, что он устойчив к влаге, воздуху и почти не меняется под воздействием света. Немаловажно и то, что цена нового пигмента была много меньше цены ультрамарина. Однако это не означало, что синий цвет вдруг стал доступен широким массам трудящихся – производство новой краски на первых порах было ограниченным из-за отсутствия широкой сырьевой базы (в смысле жуков), а сам метод получения этого замечательного вещества держали в тайне без малого два десятилетия.

Однако с жуками было всё же проще, чем с поставками лазурита из Афганистана, и новый синий пигмент вскоре стали продавать в Европе под патриотическими названиями «прусский голубой» или «берлинский голубой», а мундиры прусской армии стали окрашивать в синий цвет. Экспорт берлинской лазури был налажен даже в Японию, где, видимо, было плохо и с афганским ультрамарином, и с кошенильными червецами, и синий пигмент был тоже востребован. Если посмотреть на полотна, созданные живописцами после случайного открытия Дисбаха, можно увидеть, что синий цвет становится всё более популярным.

Тем не менее строение берлинской лазури многие годы и даже десятилетия оставалось загадкой – это замечательное вещество не стремилось раскрывать все свои секреты, правда, производителям пигмента, возможно, эти секреты и не были интересны – им было достаточно, что они умеют получать синее кристаллическое вещество, которое можно продавать, получая при этом немалые барыши.

То, что это соединение относится к комплексным (или координационным) соединениям, стало известно только после того, как Альфред Вернер разработал основы теории строения комплексных соединений. И хотя точный цвет пигмента в том числе зависит и от того, какие примеси могут входить в его кристаллическую решетку, основу берлинской лазури представляет гексацианоферрат(II) железа(III) – Fe₄[Fe(CN)₆]₃ – в этом замечательном соединении содержатся атомы железа в двух различных степенях окисления – (+2) и (+3).

Гексацианоферратный фрагмент можно представить как октаэдр, в котором атом железа (+2) окружен шестью цианидными группами. Стоит отметить, что группа CN очень прочно связана с железом, не отрывается от него, и поэтому, в отличие от цианида калия, где связь межу калием и цианидом диссоциирует, высвобождая токсичный ион CN^— без проблем, берлинская лазурь не токсична (правда, это не значит, что стоит попробовать лизнуть синий пигмент на картинах XVIII века, выставленных в Дрезденской или какой-либо другой галерее). Эти октаэдры некоторыми из своих вершин связаны с ионами железа(+3), в оставшихся пустотах могут находиться молекулы воды или ионы щелочных металлов. Таким образом, ионы железа(+3) также находятся в октаэдрическом окружении, хотя и не таком регулярном, как ионы железа (+2). Это обстоятельство, в свою очередь, приводит к различию электронной конфигурации ионов железа, определяющему цвет кристаллов: при облучении берлинской лазури светом она поглощает световые колебания, соответствующие оранжевому цвету, в результате такого явления, как межатомный перенос заряда – при возбуждении светом электрон с иона железа(+2) переносится на ион железа(+3).

Результаты исследований геохимиков позволяют предположить, что Дисбах был не первый, кто получил берлинскую лазурь – она могла образоваться в добиотических условиях (из ионов железа в насыщенной электричеством аммиачно-метановой атмосфере). Более того, некоторые исследователи связывают берлинскую лазурь с появлением жизни – эксперименты показывают, что некоторые биологически активные соединения могли образоваться из циановодорода, высвобождающегося из берлинской лазури при её выдерживании при pH=12 и относительно высоких температурах (70–150 °C) во влажной бескислородной атмосфере аммиака, воспроизводящей условия добиотической Земли.

Берлинская лазурь до сих пор может применяться в качестве синего пигмента, хотя со времени Дисбаха уже было разработано немалое количество синтетических красителей синего цвета, однако это не единственный вариант её использования. Например, берлинскую лазурь применяют для лечения людей, отравившихся ионами таллия или получивших в организм дозу ионов радиоактивного цезия. Пациент принимает капсулу с берлинской лазурью, и в его кишечнике наше замечательное соединение взаимодействует с опасными ионами, «засасывая» их в свою кристаллическую решетку. Эта адсорбция не позволяет организму реадсорбировать опасные ионы, и они с большей скоростью выводятся из организма – так в присутствии берлинской лазури время вывода цезия из организма понижается со 110 до 30 суток.

Итак, берлинская лазурь, обнаруженная случайно, совершенно замечательным образом когда-то перевернула отношение людей к синему цвету, сделав его доступным вплоть до дизайна военной формы. Ну а сейчас она не только не прекращает свою работу по окрашиванию, но и приобретает новые профессии.

1.14. Гексафторид урана

Обычно ядерные реакторы и ядерные бомбы у нас как-то ассоциируются с триумфом воли физиков, но для того, чтобы физики смогли бы, нет, не раскрутить шарик наоборот на пари, а «приручить» атом, они должны были иметь дело с обогащенным ураном, а для обогащения урана используется вещество, получение которого без химиков невозможно – гексафторид урана (UF₆).

Разделение двух нуклидов, относящихся к одному химическому элементу, вообще является задачей не из легких – на качественном уровне химические свойства изотопов идентичны; физические способы разделения изотопной смеси усложняются по мере того, как уменьшается различие масс двух нуклидов, и ещё в большей степени усложняются, если один из нуклидов (в особенности тот, который нам нужен) содержится в количестве, меньшем, чем 1 % от общего состава изотопной смеси.

Что же такое «нуклид» и «изотопы»? Нуклид – вид атомов, характеризующийся определённым массовым числом, атомным номером и энергетическим состоянием ядер и имеющий время жизни, достаточное для наблюдения.

Например, водород представлен такими нуклидами, как протий (ядро состоит из одного протона), дейтерий или «тяжелый водород» (ядро состоит из одного протона и одного нейтрона) и тритий (ядро состоит из одного протона и двух нейтронов).

Нуклиды, имеющие одинаковый атомный номер (обладающие одинаковым числом протонов), называются «изотопами». Так вот, строго говоря, применение термина «изотоп» в единственном числе вместо термина нуклид неверно, однако широко распространено.

Для процесса деления атомного ядра, применяющегося для извлечения энергии что для ядерного оружия, что для атомной электростанции, необходим такой нуклид, как уран-235 (его ядро состоит из 92 протонов и 143 нейтронов, 0,72 % от общего содержания в изотопной смеси урана, период полураспада – 7,0410⁸ лет). Соответственно, остальные 99,27 % атомов урана в земной коре представлены менее активным ураном-238 (его ядро состоит из 92 протонов и 146 нейтронов, период полураспада – 4,47•10⁹ лет). Есть ещё и нуклид уран-234, но при его изотопной распространенности 0,0055 % никакого практического значения этот нуклид не имеет (по крайней мере – пока). Для применения в гражданской энергетике уран должен быть обогащен до 3–4 % содержания урана-235, оружейный уран должен содержать не менее 90 % урана-235.

Каким образом можно увеличить содержание урана-235 в его смеси с ураном-238, в то время как массы этих нуклидов различаются менее чем на 1 % и «нужного» нуклида в этой смеси мало? К счастью – с большим трудом. Сомнительное счастье заключается в том, что в отличие от относительной простоты получения химического оружия (которое иногда называют «ядерной бомбой для бедных стран» – зарин, который распыляла в 1995 году в токийском метро «Аум Синреке», был синтезирован сектантами самостоятельно) сложности, возникающие при обогащении урана, в какой-то степени способствуют нераспространению ядерного оружия. В то же самое время сложности, возникающие при обогащении урана, затрудняют развитие атомной энергетики, которой после Чернобыля и Фукусимы хоть и боятся, но, тем не менее, у неё нет реальной альтернативы для человечества.

И всё же разделение происходит, и происходит на основании исключительно различий в физических свойствах двух нуклидов. Основа метода такова: когда мы нагреваем материал до температуры кипения, его кристаллическая решетка разрушается, частицы вещества переходят в газовую фазу, более тяжелая частица переходит в газовую фазу с большим трудом и для её переноса в газ требуется больше энергии. Другими словами, уран-235 должен закипать при температуре чуть меньшей, чем уран-238.

Это хорошо на словах – температура кипения металлического урана приближается к 4000 °C, соответственно промышленная работа с газообразным ураном просто непрактична – для перевода урана в газ потребуется огромное количество энергии, не говоря уже про затраты на аппаратно-технологическое оформление такого процесса. Тут-то и вступают в дело химики и замечательное вещество – гексафторид урана, которое может переходить в газообразное состояние при вполне умеренных для промышленности температурах. При комнатной температуре гексафторид урана твердый, а при нормальном атмосферном давлении и достижении температуры 56,4 °C гексафторид урана, минуя жидкое агрегатное состояние, становится газом (этот процесс называется «сублимацией» и характерен, например, ещё для кристаллического йода или нафталина). Нагрев до 64 °C и сжатие примерно до 10 атмосфер позволяют получить жидкий гексафторид урана – все эти условия фазовых переходов (переходов из твердого состояния в жидкое и/или газообразное) позволяют довольно сильно облегчить промышленную работу по обогащению урана с применением UF₆.

Помимо удачных физических свойств преимуществом гексафторида урана является то, что входящий в его состав фтор представляет собой моноизотопный элемент, в природе состоящий только из одного нуклида – фтора-19 (9 протонов и 10 нейтронов). Это означает, что все атомы фтора, входящие в состав UF₆ имеют одинаковую массу, и массы гексафторида урана-235 и гексафторида урана-238 различаются только массой атома урана.

Получают гексафторид урана, окисляя тетрафторид урана UF₄ элементарным фтором, а вот получение тетрафторида урана из урановых руд может быть осуществлено различными путями: в ядерно-топливном цикле, разработанном в СССР и применяющемся в РФ, полученные из урановых руд оксиды урана обрабатывают элементарным фтором F₂, а в американском – эти же оксиды обрабатывают фтороводородом. Учитывая коррозионную активность и токсичность как фтора, так и фтороводорода, понятно, что получение гексафторида урана нельзя организовать в гараже или на производстве без соответствующих материалов.

Гексафторид урана и сам отличается высокой коррозионной активностью. Однако с рядом металлов (к счастью – с неэкзотическими железом и никелем) гексафторид урана может реагировать с образованием защитного слоя фторида металла, что позволяет хранить гексафторид урана в стальных емкостях. Для получения и хранения гексафторида урана, а также работы с ним необходима абсолютно сухая атмосфера – уже следовыми количествами воды гексафторид урана гидролизуется до дифторида уранила (UO₂F₂) и фтороводорода, а фтороводород может разъедать и инструментальную сталь, и стекло, он токсичен, может поражать кожу и кости, так что для рабочих контактов с гексафторидом урана нужны и смелость, и осторожность, и мастерство.

Даже при обогащении, основанном не на применении газообразного урана, а газообразного гексафторида урана, работа по обогащению урана остается технологически сложной. Гексафторид урана подают в массивные газовые центрифуги, скорость вращения которых составляет 100 000 оборотов в минуту, при этом более тяжелые молекулы гексафторида урана-238 движутся к внешним стенкам центрифуги, а более легкие молекулы гексафторида урана-235 остаются ближе к центру. Нагревание дна центрифуги и охлаждение её верхней части в итоге способствуют тому, что более легкие молекулы, содержащие целевой нуклид урана, движутся к верху центрифуги, а более тяжелые – к её дну, и происходит разделение изотопной смеси.

Из-за того что различие массы между молекулами гексафторида урана-238 и гексафторида урана-235 ещё меньше, чем различие массы между ураном-235 и ураом-238, даже для получения малообогащенного реакторного урана требуется многократное повторение цикла центрифугирования. На заводах по обогащению урана обычно работают сотни или даже тысячи центрифуг, объединённые в каскады, при этом все центрифуги в каскадах должны постоянно работать без ремонта в течение нескольких лет. Такие каскады при мощности одной установки в 100 кВт, потребляют электроэнергию от 580 000 до 816 000 кВт/ч. Для получения одного килограмма боевого обогащённого урана-235 необходимо переработать 220 кг природного урана-238. На бомбу, сброшенную на Хиросиму, потребовалось 60 кг боевого обогащённого урана-235, которые были получены из 13 т природной смеси урана-238 и урана-235, при этом было использовано 7 тысяч центрифуг, занимавших площадь, равную площади пяти футбольных полей. Заводы по обогащению урана, работающие на основании существующих технологий, практически невозможно скрыть, причём количество и технические характеристики центрифуг позволяют определить, для чего обогащают уран – для реактора атомной станции или для ядерного оружия.

Однако появившемуся ещё во время Второй мировой методу обогащения урана центрифугированием есть физические альтернативы (в которых, правда, всё равно ключевым игроком является гексафторид урана). В начале 1990-х австралийская компания SILEX разработала технологию обогащения урана путём облучения молекул гексафторида урана лазером. Лазерное излучение с определенной частотой способно селективно возбуждать и ионизировать только гексафторид урана-235, не воздействуя на гексафторид урана-238. Возбужденные и ионизированные молекулы гексафторида урана-235 легко отделяются от сохранивших все свои электроны молекул гексафторида урана-238 с помощью электромагнитного поля. Несколько таких лазерных камер способны заменить тысячи центрифуг. От введения в строй установки по лазерному обогащению до создания урановой бомбы пушечного типа (и даже плутониевой имплозивного типа) могут пройти считаные годы, даже в не самой технологически развитой стране.

Американское физическое общество уже подало петицию в Комитет по ядерной безопасности и лицензированию, предлагая строго соблюдать правила выдачи лицензий, чтобы оградить распространение этой технологии. Это связано с тем, что лазерная технология обогащения урана не сильно отличается от стандартного использования лазеров в лаборатории любой мало-мальски научно и технологически развитой страны. Небольшая площадь таких установок (по оценкам, в разы меньше заводов, использующих центрифуги) позволит вести обогащение в компактном сооружении, и отследить это будет очень трудно.

Но тем не менее – обогащаем ли мы уран лазером или центрифугами, нужен ли этот уран для разрешения энергетического кризиса или для создания кризиса политического, для получения урана не обойтись без умелых и опытных (или безрассудных) химиков, способных синтезировать и сохранить достаточное количество гексафторида урана.

1.15. Мочевина

Хотя этот раздел и посвящен веществам неорганическим, в заключение я решил рассказать про органическое вещество, но не простое – а то самое вещество, получение которого в 1828 году показало, что между органической и неорганической химией не стоит «Великая стена», и как говорят учебники по школьной и вузовской химии: «Оно нанесло смертельный удар теории витализма».

Что общего у кремов для ухода за кожей, жевательной резинки и удобрений? Для изготовления всех этих вещей требуется карбамид или мочевина – первая молекула, вырабатывающаяся живыми организмами, которая была синтезирована в лаборатории.

Синтезировать мочевину в лаборатории из неорганических соединений впервые удалось немецкому химику Фридриху Вёлеру, который получил её в Берлине в 1828 году с помощью реакции цианата серебра и хлорида аммония:

AgNCO + NH₄Cl -> (NH₂)₂CO + AgCl

Получение органического вещества (заметим, что тогда органические соединения воспринимались не как «производные углеводородов» или, как привычнее, «соединения углерода», а только как вещества, образующиеся в объектах живой природы) из неорганических соединений шло вразрез с популярной в то время концепцией витализма – учению о наличии в живых организмах нематериальной сверхъестественной силы, управляющей жизненными явлениями, – «жизненной силы».

Как часто бывает в научных открытиях подобного рода, Вёлер не ставил целью синтез органического вещества из неорганических соединений, он просто хотел получить цианат аммония с помощью обменной реакции. Ещё одним современным заблуждением является то, что открытие Вёлера сразу же похоронило витализм.

Строго говоря, сам Вёлер был даже расстроен своим открытием и написал шведскому химику Берцелиусу письмо, в котором говорил, что он стал свидетелем «великой трагедии в науке – убийства прекрасной гипотезы уродливым фактом». «Прекрасной гипотезой» был витализм; «уродливым фактом» – пробирка с кристаллами мочевины. Правда, насчет «свидетеля» Вёлер всё же поскромничал – если рассматривать смерть концепции витализма как дело об убийстве, то роль Вёлера в нем явно должна быть не свидетельской, а ролью обвиняемого – в непредумышленном убийстве концепции витализма по неосторожности.

Вероятно, миф о Вёлере зародился в какой-то научно-популярной книге об истории химии 1930-х годов, которая, игнорируя все претензии на историческую точность, превратила Вёлера в рыцаря, совершающего попытку за попыткой синтезировать природное вещество, которое опровергло бы витализм и сдернуло покров невежества, до тех пор, пока «в один день не свершилось чудо». Тем не менее, хотя работа Вёлера и не была целенаправленной, значение его случайного синтеза оказалось настолько важно, что всё равно мы считаем его «отцом-основателем» синтетической органической химии.

Мочевина была известна задолго до того, как Вёлер получил возможность подержать в руках пробирку с «уродливым фактом» – за век до этого события врач из Нидерландов Герман Бургаве выделил мочевину, перерабатывая мочу. Бургаве считается основателем теоретической медицины, сам он всегда считал себя врачом-теоретиком и практиком и никогда не претендовал на лавры химика, его исключительно химическая работка по выделению мочевины первоначально вообще была опубликована одним из его учеников (правда, от имени самого Бургаве).

Возможно, пренебрежение Бургаве химией (в одном из писем он даже писал, что химия беспокоит его меньше всего) и послужило причиной того, что записки Бургаве о мочевине были забыты, и метод очистки мочевины и выделения её из мочи был заново открыт спустя полвека французским химиком Илером Мареном Руэлем, которого во многих источниках и называют открывателем мочевины, и лишь только в последнее время историческая справедливость касательно Германа Бургаве восстанавливается.

Человеческий организм производит мочевину из аммиака и избытка аминокислот. Аминокислоты нужны нашему телу для производства функциональных белков, однако, если нам с питанием поступает больше аминокислот, чем мы можем пустить на строительство белков, они метаболизируются с выделением небольшого количества энергии. С другой стороны, аммиак токсичен для нашего организма, и организм старается вывести его. Аммиак образуется при переработке пищи организмом, но из-за основной природы он может увеличивать уровень рН при его накоплении в клетках. Чтобы удалить аммиак из организма, включается весьма энергозатратный процесс, который превращает аммиак в мочевину, практически безопасную для нас. Образующаяся мочевина легко выводится из организма преимущественно с мочой и незначительно – с потом.

Мочевина является основным компонентом мочи (если не считать воду), она бесцветна и не имеет запаха (поскольку запах – реакция обонятельных рецепторов на молекулы веществ, попадающие нам в пазуху носа, твердое малолетучее кристаллическое соединение с температурой кипения 174 °C вообще имеет мало шансов чем-то пахнуть). Тем не менее мочевина легко разлагается с выделением аммиака, и характерный запах мочи – это всё же запах аммиака. Кстати, именно поэтому застарелая моча пахнет сильнее свежей: со временем глубина разложения мочевины увеличивается и запах аммиака становится более интенсивным.

Ежегодно химическая промышленность производит около 100 миллионов тонн мочевины. Где используется это соединение? Около 90 % мочевины используется в производстве удобрений, которые создают дополнительный источник азота для растений, позволяющий им быстрее расти и давать большие урожаи. Мочевина является популярным удобрением из-за высокого содержания азота, что позволяет экономить на хранении и транспортировке удобрений. Во влажной почве мочевина обычно разлагается с выделением аммиака, который усваивается растениями. Также она может быть окислена почвенными бактериями до нитрат-иона, который тоже поступает в организм растения через корневую систему и используется как строительный материал для биомассы.

Остальные 10 % мочевины могут использоваться в пищевой промышленности, в том числе и для производства жевательной резинки, а также для производства косметических препаратов – последние два примера использования связаны с тем, что мочевина или карбамид является слабым и безопасным для человека основанием, снижающим содержание кислоты либо в полости рта, либо на поверхности кожи. Еще одним возможным вариантом практического применения мочевины являются процессы, в которых она реагирует с формальдегидом или азотной кислотой. Образующиеся в этом случае производные мочевины используются в синтезе полимерных смол, пластических масс и даже взрывчатых веществ.

Естественно, что в настоящее время мочевину производят совсем не так, как её когда-то случайно получил Вёлер. Для промышленного производства карбамида в промышленности применяется процесс Боша-Майзера, основанный на реакции аммиака с углекислым газом над платиновым катализатором, продуктами этой реакции являются мочевина и вода. Несмотря на то что этот процесс был разработан в 1922 году, он до сих пор остается основным способом получения карбамида благодаря дешевизне реагентов. Идея о том, что какие-то совершенно радикальные сторонники органических продуктов захотят выделять «правильную мочевину» из природного источника, то есть мочи, кажется бредовой, но, оказывается, есть люди, предпочитающие такое происхождение карбамида в их жвачке или зубной пасте.

Строго говоря, не так уж много веществ сыграли такую замечательную роль в истории химии, как мочевина. Трёхвековая история этого соединения началась с дурно пахнущей биологической жидкости, обернулась крахом теории витализма и продолжается в удобрениях и других продуктах химической промышленности. И как это часто случается, синтез Вёлера, пусть он и был случайным, заложил основы современной синтетической органической химии.

1.16. Что чем пахнет

Гуляющий по мировой сети «Краткий определитель естественных наук» говорит следующее: «Зелёное или дергается – биология, воняет – химия, не работает – физика». Шутка, конечно, но в каждой шутке есть лишь доля шутки.

Многие химические вещества пахнут, многие, но далеко не все. Запахом мы называет реакцию нашего мозга на раздражение обонятельных рецепторов, находящихся у нас в носовой полости. Чтобы вещество обладало запахом, оно должно обладать достаточной летучестью, дабы преодолеть расстояние от источника запаха до нашего носа. То есть пахнущее вещество должно быть как минимум летучим и имеющим молекулярное строение – металлы, сплавы и вещества ионного строения пахнуть не должны из-за того, что в тех условиях, в которых работают наши обонятельные рецепторы (а поскольку они представляют собой белки, то при высокой температуре они просто денатурируют и потеряют способность распознавать летучие вещества), структурные элементы этих веществ просто не могут испариться и долететь до нашего носа. Попав в нос, молекула должна распознаться белковыми обонятельными рецепторами, и они уже подают сигнал в мозг. Иногда, если эта молекула маленькая (как, например, описанный в предыдущем разделе угарный газ) или же наши обонятельные рецепторы в процессе эволюции не выработали (а может, и утратили) способность распознавать молекулы такого строения, даже летучее вещество не будет для нас пахнуть.

Наверное, здесь читатель подумает и будет вполне прав в своих сомнениях: «А как же быть с запахом железа? Чем обусловлен несильный, но характерный металлический запах, возникающий после того, как мы прикоснемся к железным или стальным объектам – монеткам, ключам, инструментам? Почему, в конце концов, водопроводная вода, текущая из старых труб, пахнет ржавчиной?»

Исследовав этот вопрос, объединенная исследовательская группа из Университета Лейпцига и Политехнического института Виргинии, возглавляемая Дитмаром Глиндеманном, пришла к выводу о том, что запах металла – иллюзия и на самом деле мы ощущаем запах собственного тела, точнее – результатов превращений, которые железо претерпевает с веществами, выделяемыми нашим организмом.

Добровольцы, согласившиеся принять участие в эксперименте, практически моментально узнали «запах железа» при соприкосновении их рук с металлическим железом или обработке рук растворами солей двухвалентного железа. Вместе с тем обработка кожи добровольцев растворами, содержащими ионы железа(+3), не вызывала появление запаха. Хромато-масс спектрометрический анализ образцов веществ, отобранных с кожи добровольцев, показал, что на кожных покровах человека, контактировавших с железом(0) или железом(+2), содержится целый набор органических веществ, ответственных за «металлический» запах. Ключевой компонент этой смеси – сопряженный кетон 1-октен-3-он, растворы которого обладают сильным «металлическим» запахом даже при сильном разбавлении.

На самом деле запах железа – запах этого органического вещества.

Прекурсорами молекул «металлического» аромата являются перекиси липидов, образующиеся при окислении жиров кожи ферментами-оксидоредуктазами, при облучении кожи ультрафиолетом или в результате других процессов. Перекиси липидов разлагаются под действием двухзарядных ионов железа, которые в свою очередь окисляются до инертных по отношению к перекисным соединениям ионов железа (+3). Незаметной на глаз коррозии железного изделия под воздействием влаги кожи оказывается достаточно для генерации количества ионов железа(+2), требуемого для окисления перекисей липидов.

Кровь, содержащая железо в составе гемоглобина, также характеризуется узнаваемым «металлическим» ароматом, формирующимся за счёт тех же органических молекул. Исследователи считают, что способность человека «чувствовать запах металла» сложилась эволюционно и ассоциируется с запахом крови. Возможно, что, ориентируясь на этот запах, наши предки выслеживали раненых жертв или членов племени.

Опять же нелишне заметить, что различное строение наших обонятельных рецепторов может обуславливать тот факт, что одно и то же вещество будет восприниматься разными людьми по-разному. Так, приятный или отвратительный запахи мужского тела или отсутствие запаха вообще определяются вовсе не свежестью этого самого тела, а обонятельными рецепторами нюхающего – очень незначительные генетические различия определяют то, как воспринимается «нюхающим» андростенон, компонент человеческого пота, являющийся производным тестостерона.

Андростенон

Некоторые люди воспринимают запах андростенона как приятный, имеющий сладковатые оттенки ванили или цветочных ароматов. Другие не выносят этот запах, связывая его происхождение с крепким по2том или запахом мочи. Третья группа людей вообще не распознаёт запах андростенона. По словам Лесли Возшалл из Университета Рокфеллера, широкое разнообразие в восприятии различными группами людей запаха одного и того же соединения главным образом связано с незначительными генетическими различиями, влияющими на обонятельный рецептор OR7D4.

Исследователи определили, что люди, находящие запах андростенона неприятным, отличаются двумя точечными различиями в гене, отвечающем за обонятельный рецептор и вырабатывающемся чувствительными клетками носовой пазухи (по сути дела обонятельные рецепторы OR7D4 у всех трёх групп испытуемых различаются одним-двумя аминокислотными остатками). Исследования in vitro показывают, что эти мутации существенно ослабляют функции рецептора.

Работа Возшалл 2007 года была первым, но не единственным примером демонстрации связи между производительностью обонятельных рецепторов и тем, как воспринимается тот или иной аромат. Восприятие запахов различных соединений может оказывать различное воздействие на настроение и психологическое состояние как мужчин, так и женщин.

Линалоол

Запах лаванды обусловлен многими молекулами, однако наибольший вклад в «лавандовый букет» вносит линалоол. Лавандовое масло стоит несколько дешевле жасминового или розового. Оно применяется в ароматерапии, в соответствии с результатами исследований линалоол может способствовать понижению стресса (правда, задокументированные исследования проводились не с людьми, а крысами).

Линалоол может существовать в двух формах, поскольку один из атомов углерода окружен 4 различными заместителями, он образует так называемый хиральный (от хирос – рука) центр, и молекула линалоола может образовать два оптических (зеркальных) изомера (вещества, которые соотносятся как отражения в зеркале и не могут быть совмещены друг с другом – как правая и левая рука).

(R)-(-) – линалоол и (S)-(+) – линалоол

Отображается это вот так: представьте, что связь, обозначенная чёрным треугольником, торчит в направлении читателя из плоскости книжной страницы, а заштрихованная – углубляется внутрь книги. Чем отличаются эти изомеры?

У зеркальных изомеров одинаковые температуры плавления и кипения, плотность, показатель преломления и растворимость, а также большинство химических свойств, однако они различаются некоторыми свойствами по отношению к другим оптически активным веществам. Самое простое различие – это разный запах зеркальных изомеров, обусловленный тем, что наши обонятельные рецепторы тоже «зеркальны». Так, запах (S)-(+) – линалоола (источники – кориандр и апельсин) – сладкий лавандовый запах с цитрусовой ноткой. Аромат (R)-(-) – линалоола (источники – роза и лаванда) демонстрирует лавандовый запах с древесным оттенком.

Натуральные материалы содержат (практически всегда) только один из зеркальных изомеров (такие уже особенности синтеза природных соединений самой природой), но в результате лабораторного синтеза можно получить только смесь обоих зеркальных изомеров (как правило, в равных соотношениях). Натуральное лавандовое масло содержит 85 % (R) – изомера линалоола, в то время как (S) – линалоол является главным компонентом (94–96 %) натурального цитрусового масла. Таким образом, определение соотношения зеркальных изомеров может использоваться в экспертизе подлинности масла для ароматерапии и других целей.

Ментол

Мята, леденцы «Взлетные», пастилки от кашля, дамские сигареты – все эти предметы объединяет одно замечательное вещество – ментол. Ментол – это тривиальное (исторически сложившееся) название, в соответствии с номенклатурой оно называется 2-изопропил– 5-метилциклогексанол. Несмотря на кажущуюся простоту и распространенность ментола, эта молекула не так уж и проста – в ней содержится три асимметрических (хиральных) атома углерода, и она может образовать 2³, то есть восемь оптических изомеров.

Маленькое отступление для тех, кто не знает слов «оптические изомеры», «зеркальные изомеры» и «хиральность».

Если атом углерода в молекуле связан с четырьмя различными атомами или атомными группами, то возможно существование двух соединений с одинаковой структурной формулой, но отличающихся пространственным строением. Молекулы таких соединений относятся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение и являются пространственными изомерами.

Молекулы оптических изомеров несовместимы в пространстве (как левая и правая руки – отсюда ещё один термин для оптически активных соединений «хиральные» – от греческого «хирос» – рука), в них отсутствует плоскость симметрии. Таким образом, оптическими изомерами называются пространственные изомеры, молекулы которых относятся между собой как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение.

Оптические изомеры имеют одинаковые физические (температура плавления, кипения, растворимость в оптически неактивных растворителях) и химические свойства (реакции с оптически неактивными веществами), но различаются отношением к поляризованному свету. Такие изомеры обладают оптической активностью (один из них вращает плоскость поляризованного света влево, а другой – на такой же угол вправо). Различия в химических свойствах наблюдаются только в реакциях с оптически активными реагентами.

Оптическая изомерия проявляется в органических веществах различных классов и играет очень важную роль в химии природных соединений.

«Когда молекулы лекарства смотрятся в зеркало» (When Drug Molecules Look in the Mirror) – это заголовок статьи, опубликованной в июньском номере за 1996 год американского журнала Journal of Chemical Education. На первой странице обложки этого номера был следующий рисунок. На боку добродушно виляющего хвостом пса была изображена структурная формула пеницилламина. Пес смотрел в зеркало, а оттуда на него глядел страшный зверь с оскаленной клыкастой пастью и вставшей дыбом шерстью. На боку зверя была изображена та же самая структурная формула в виде зеркального отображения первой. Почему же фактически одно и то же вещество имеет столь разные обличья?

Дело в том, что часто только один из зеркальных изомеров обладает требуемым терапевтическим эффектом, тогда как второй антипод может вызвать нежелательные побочные эффекты или даже быть токсичным. Бывает и так, что каждый энантиомер обладает своим специфическим действием. Так, S(—) – тироксин («левотроид») – это природный гормон щитовидной железы. А правовращающий R(+) – тироксин («декстроид») понижает содержание холестерина в крови.

Некоторые производители придумывают для подобных случаев торговые названия-палиндромы, например, Darvon и Novrad. Но это, скажем так, ещё хороший вариант – хуже бывает, когда один из зеркальных изомеров проявляет фармакологическую активность, а его отражение является токсином или мутагеном.

Чем же объясняется различное действие энантиомеров? Человек – существо хиральное, то есть асимметричное. Асимметрично и его тело, и молекулы биологически активных веществ, из которых оно состоит. Молекулы хиральных лекарств, взаимодействуя с определенными хиральными центрами организма, например ферментами, могут действовать по-разному в зависимости от того, каким именно энантиомером является лекарство. «Правильное» лекарство подходит к своему рецептору, как ключ к замку, и запускает желаемую биохимическую реакцию. Действие же «неправильного» антипода можно уподобить попытке пожать правой рукой левую руку своего гостя.

Из восьми приведенных на картинке оптических изомеров ментола в природных условиях – в растениях мяты – генерируется только один оптический изомер (собственно сам ментол), конфигурация которого по номенклатуре обозначается как (1R,2S,5R), в то время как все остальные семь соединений можно получить в лаборатории (иной раз не желая того – очистка препарата от «ненужных» зеркальных изомеров не всегда проста и иногда является чуть ли не единственным фактором, определяющим стоимость синтетического препарата, которому посчастливилось быть оптически активным). Ментол и семь его «зеркальных двойников» имеют достаточно близкие температуры плавления и кипения, растворимость в простейших органических растворителях, однако различаются запахом. Наши обонятельные рецепторы представляют собой белки, которые образованы хиральными аминокислотными остатками, из-за чего они по-разному взаимодействуют с различными оптическими изомерами, предоставляя мозгу различное сообщение о запахе.

Если запах природного изомера ментола из мяты описывается определениями «свежий, мятный, сладковатый, холодный, освежающий», то другие оптические изомеры хотя и обладают похожим запахом, но при этом содержащим меньше мятных нот, горьким, травянистым или даже фенольным (фенольный запах легче всего себе представить, восстановив в памяти запах свежих железнодорожных шпал).

Хотя большая часть ментола в настоящее время до сих пор получается путём переработки мяты, синтетическая версия также находит своё применение, при этом существуют способы получения исключительно одного из оптических изомеров. Так, японская корпорация «Такасаго» ежегодно синтезирует три тысячи тонн ментола из углеводорода мирцена, а единственный интересующий продукт образуется благодаря хиральному родийсодержащему катализатору, разработанному Риедзи Нойори, лауреату Нобелевской премии по химии за 2001 год, получившему её совместно с Уильямом Ноулзом и Барри Шарплессом с формулировкой «за исследования, используемые в фармацевтической промышленности – создание хиральных катализаторов окислительно-восстановительных реакций».

Основное применение ментола – пищевая промышленность, где он применяется для изготовления жвачки и конфет. Свойства ментола также оказались полезными для изготовления зубных паст и жидкостей для полоскания рта, он входит в состав бальзамов и противоотечных средств, а также препаратов для снятия мышечных болей.

Почему ментол заставляет нас чувствовать холод? Ответ на этот вопрос был найден лишь в последнее десятилетие. В нашем организме ментол связывается со специфическим нейроном, рецептором TRPM8. Это связывание приводит к открытию кальциевого ионного канала, а возникающий при этом электрический импульс и является сообщением для мозга.

Так уж получилось, что этот же рецептор также откликается и на пониженные (менее 15 °C) температуры, которые также посылают сигнал мозгу. Мозг не может различить истинную причину генерации сигнала, поэтому ментол и создает «прохладу». Кстати, другой рецептор – TRPV1 – откликается и на капсаицин, компонент перца чили, и на температуры выше 43 °C, поэтому перец мы называем жгучим. Рецепторы, являющиеся для нас приблизительными термометрами, важны для нашего восприятия тепла и холода, что позволяет нам избегать как переохлаждения, так и перегрева.

Если кому-нибудь интересно заняться «домашней» химией, наблюдая изменение окраски растворов, нелишне будет упомянуть, что обнаружить ментол можно при помощи цветной реакции: водные растворы его с 1 % раствором ванилина и концентрированной серной кислотой дают устойчивую фиолетово-синюю окраску.

И, напоследок о курении ментоловых сигарет (а точнее о влиянии ментоловых сигарет на потенцию) – в большинстве ментоловых сигарет для придания вкуса ментолом пропитывается табачная бумага. Мягкий вкус ментоловых сигарет делает процесс курения более приятным, но в таком случае дыхательные пути подвергаются анестезии, что позволяет затягиваться сильнее, доставляя сигаретный дым в нижние зоны легких. Ментол влияет на метаболизм никотина, и его концентрация в крови повышается, происходит более значительное отрицательное влияние никотина на сосуды, ну а эректильная функция в первую очередь зависит от состояния сосудов и процессов кровотока. Так что если плохо всем сосудам, то и сосудам полового члена тоже.

Однако ментол не только вреден, но и полезен. В 2004 году Брайан Рауденбуш сообщил о результатах экспериментов, проводившихся со спортсменами на беговой дорожке. Было обнаружено, что вдыхание паров ментола увеличивало степень насыщения мышц кислородом, увеличивая эффективность аэробной нагрузки, а также улучшало настроение подопытных – они чувствовали себя лучше и уставали медленнее, чем контрольная группа. Позднее сходные результаты были получены при изучении влияния ментола на спортсменов, испытывающих другие виды физической нагрузки.

Туйон

Туйон (монотерпин, 1-изопропил-4-метилбицикло[3.1.0]гексан-3-он, C₁₀H₁₆O) – бесцветное вещество с характерным запахом, напоминающим ментол.

Туйон может существовать в виде двух оптических изомеров – (+)-5-туйона или ?-туйона и (-)-5-туйона или ?-туйона. Туйон нерастворим в воде, однако хорошо растворяется в этаноле и диэтиловом эфире. Туйон входит в состав эфирных масел некоторых растений, таких как туя (отсюда название туйона), кипарис, можжевельник, пижма, шалфей и горькая полынь, обычно соотношение альфа– и бета-изомеров туйона в природных источниках составляет 1:2. Туйон токсичен, его доза, приводящая к 100 %-ной смертности, составляет 60 мг/кг (для грызунов). Почти столетие туйон подозревали во всех тяжких и не очень грехах, в том числе и ряде смертей. Чаще всего туйон ассоциируется с французским спиртным напитком – абсентом.

Внешне абсент похож на ликёр, однако его принято классифицировать как крепкий спиртной напиток, что при крепости некоторых сортов абсента в 70 градусов, в принципе, логично. Абсент представляет собой зелёную жидкость с запахом аниса, которую получают перегонкой водно-спиртового настоя трав (главным образом – горькой полыни, Artem?sia abs?nthium). В XIX веке абсент стал очень популярен. Началось все во время французских колониальных войн в Северной Африке, которые достигли пика в 1844–1847 годах. Французским военным выдавали определённое количество абсента для профилактики малярии, дизентерии и других болезней, а также для дезинфекции питьевой воды. Абсент оказался настолько эффективным, что прочно вошёл во французскую армейскую жизнь от Мадагаскара до Индокитая. В метрополии абсент вынужденно стал популярным в 1860-е годы, когда полчища виноградной тли порезвились на французских виноградниках и производство вина упало почти вдвое, а желание выпить у французов осталось на прежнем уровне. Абсент, хотя и был гораздо более крепким, чем привычный для потомков древних галлов сок винограда, быстро нашел своих почитателей – в первую очередь из-за его дешевизны (в те времена). Дешевой альтернативой вину абсент стал благодаря низким затратам на производство, для самых дешевых сортов применялся спирт низкой степени очистки, который сейчас мы бы скорее назвали техническим.

Была разработана даже церемония потребления абсента – в рюмку наливали абсент, на рюмку помещали специальное плоское приспособление с отверстиями (абсентную ложку). На ложку водружался кубик сахара, который затем медленно поливали охлажденной до ледяного состояния водой. Сахар медленно растворялся в ледяной воде, сироп медленно стекал в рюмку, подслащивая горечь абсента, а содержимое рюмки начинало мутнеть, и чем больше сиропа попадало в напиток, тем мутнее он становился. Причина появления мути в том, что с увеличением содержания воды полярность содержимого рюмки увеличивается, а неполярные терпены и терпеноиды, в том числе и тот же самый туйон, растворимые в 70 %-ном спирте, уже не растворяются в спирте разведённом. Терпеноиды попадают в абсент из тех растений, которые применялись при его изготовлении – туйон из полыни, фенхон из фенхеля, камфара из иссопа, анетол из аниса. Все эти вещества вносят вклад в аромат абсента.

Главным образом абсент известен нам не как продукт, внезапно оказавшийся в нужное время и в нужном месте, когда спрос на вино стал выше предложения, а как напиток, особенно популярный среди людей искусства – абсентом баловались Дега, Мане, Тулуз-Лотрек, Верлен и Винсент Ван Гог. Художники называли абсент «зелёной феей», и многие из них так или иначе касались темы абсента в своем творчестве. Как это ни печально, не менее, чем сам абсент, известны проблемы, которые «зелёная фея» приносила для здоровья. Врачи связывали его с проявлением таких симптомов, как судороги, галлюцинации (зрительные и слуховые), белая горячка.

Возьмем, например, Винсента Ван Гога. Мазки и способ письма пионера экспрессионизма, чьи работы оказали влияние на живопись XX века, легко узнаваемы, но также известно, что всю свою недолгую жизнь Ван Гог страдал расстройствами рассудка. Чуть менее известно, что Ван Гог был заядлым любителем абсента. Не зелёные ли феи подсказали художнику идею спиральных мазков на «Звёздной ночи» и не из-за абсента ли Ван Гог добровольно расстался с частью своего уха?

Отец-основатель французской психиатрии Жак-Жозеф-Валантен Маньян (1835–1916) не сомневался в том, что абсент представляет дистиллированную и концентрированную форму зла. Он отличал пристрастие к абсенту от банального простого алкоголизма, вводя в медицинскую терминологию зависимостей слово «абсентизм». Маньян посчитал, что главным корнем зла являются полынь и содержащиеся в ней вещества. Маньян выяснил, что чистое масло полыни вызывает конвульсии, и перенес эти наблюдения на абсент, хотя содержание компонентов эфирного масла полыни в нём было чрезвычайно мало. Влияние масла полыни на подопытных мышей и собак было экстраполировано на людей, токсичность веществ, присутствующих в других растениях, была проигнорирована. Было известно, что горькая полынь ядовита, монотерпеноид туйон, входящий в состав масла полыни, был первым после спирта и воды веществом, идентифицированным в абсенте, что в итоге и привело к тому, что его сделали козлом отпущения.

К концу XIX века абсент нажил двух могущественных врагов, которые в любой другой ситуации никогда не нашли бы общий язык, но общая ненависть их сплотила. Во-первых, запрета абсента требовало появившееся и набирающее силу движение за трезвый образ жизни, а во-вторых – французские виноделы, виноградники которых уже успели прийти в себя после нашествия тли, хотели вернуть себе потерянный рынок. Гвоздь в крышку гроба абсента был забит после трагического события, произошедшего 28 августа 1905 года, когда швейцарский крестьянин Жан Ланфрэй убил свою жену и двух дочерей. Расследование показало, что Ланфрей был хроническим алкоголиком и выпивал в сутки 5 литров вина или такое же количество крепких напитков (в пересчете на содержание спирта), однако поскольку он совершил убийство, находясь под воздействием не вина, а стакана абсента, этого оказалось достаточным для законодательного введения запрета. В Швейцарии абсент запретили в 1908 году, затем он был запрещен и в других странах, последней наступила очередь Франции, где «зелёную фею» объявили вне закона в 1915 году. Запрет оставался в силе до 1988 года, когда Евросоюз снова разрешил его производство, единственное место, где до этого разрешения не было запрещено производить абсент, – Великобритания, впрочем, там он не пользовался популярностью.

В конце 1970-х – начале 1980-х годов некоторые исследователи считали, что туйон действует на каннабиоидные рецепторы сходным образом, как и тетрагидроканнабинол, из-за чего туйон (а следовательно и абсент) психоактивен, правда, эта теория была опровергнута в 1999 году. Разрешение производства абсента в 1988 году произошло на условии того, что производителей обязали соблюдать ограничения, введённые Европейским союзом, согласно которым количество туйона в абсенте не должно превышать 10 мг/кг (35 мг/кг с 2008 года). Естественно, тут же нашлись люди, которые стали утверждать, что в начале ХХ века зеленее была не только трава, но и абсент, но это не подтвердилось.

Международная исследовательская группа под руководством специалиста по пищевой химии Дирка Лахенмайера из Исследовательской лаборатории химических и ветеринарных исследований правительства Германии в Карлсруэ предоставила убедительные свидетельства в пользу того, что туйон едва ли мог быть причиной приступов творческого делирия любителей абсента.

Исследователи нашли подлинные бутыли абсента, произведенные до 1910 года. Они разработали метод анализа, с помощью которого впервые удалось продемонстрировать, что содержание туйона в абсенте начала XX века сравнимо с его содержанием в современном абсенте. Оказалось, что среднее содержание туйона в образцах абсента, выпущенных до запрета, составляет 25,4 мг/л. Такая концентрация практически не отличается от концентрации туйона в образцах абсента, выпущенных сразу после запрета и в начале XXI века, которые составляют соответственно около 7,6 мг/л и 26,9 мг/л. По словам Лахенмайера, содержание других потенциально опасных компонентов в абсенте также незначительно, а это, в свою очередь, позволяет говорить о том, что Маньян погорячился с «абсентизмом», а причиной появления «зелёных фей» было обычное алкогольное отравление, вызванное неуёмным потреблением спиртного.

Бензальдегид

Бензальдегид (C₇H₆O) – распространенный ароматический альдегид, который можно обнаружить в масле горького миндаля.

Впервые он и был обнаружен в результате выделения из горьких эфирных масел – в 1803 году его описал французский фармацевт Метре, а первый синтез бензальдегида в 1832 году провели Вёлер и Либих. Бензальдегид представляет собой бесцветную (или слегка жёлтую) жидкость, не смешивающуюся с водой. Из-за аромата и вкуса миндаля его применяют в том числе и в парфюмерно-косметических композициях, и как пищевой ароматизатор там, где надо имитировать миндаль.

Главный способ промышленного получения – либо хлорирование толуола до бензилхлорида с последующим окислением в водной среде, либо хлорированием того же толуола до бензальхлорида (дихлорметилбензола) и его гидролизом.

В лаборатории бензальдегид можно получить, окисляя бензиловый спирт, или с помощью ретроальдольной конденсации коричного альдегида (в результате последнего процесса бензальдегид скорее образуется как побочный продукт). Веществом, исходным для биосинтеза бензальдегида, является аминокислота фенилаланин.

В миндальных орехах, косточках абрикосов и персиков, а также в яблочных зернах бензальдегид образует гликозид, известный как амидгалин.

Ферментативное расщепление амидгалина в кишечнике приводит к его разрушению с образованием бензальдегида, глюкозы и цианида водорода (водный раствор – синильная кислота). Так как токсический эффект определяется дозой, небольшое количество продуктов распада амидгалина фактически безопасно для организма, но опасность растёт с увеличением дозировки, и, в принципе, при определённых условиях продуктами распада амидгалина можно отравиться.

Aмидгалин

В мякоти персиков, слив, абрикосов и яблок амидгалина нет, поэтому мякоть этих фруктов не может быть источником цианидов. Заметим, что сами растения накапливают в семечках амидгалин именно как средство для отравления того, кто их ест, но не человека, а разного рода насекомых-плодожорок, которым до летального исхода цианида нужно много меньше (можно сравнить массу человека и массу сливовой плодожорки и оценить, во сколько раз меньше потребуется плодожорке цианида; оценка всё же будет грубой, поскольку обмены веществ насекомого и человека различаются). Увеличение содержание сахара в настойке или, скажем, в разных сортах миндальных орехов снижает риск отравления циановодородом, который взаимодействует с углеводами, понижая при этом свою концентрацию.

Бензальдегид, который гораздо чаще, чем синильная кислота, применяется в приготовлении пищи (редкие случаи применения HCN и её солей в качестве добавок для чая и кофе можно встретить, например, в романах А. Кристи), менее опасен: смертельной для среднего человека (80 кг) дозой разового потребления считается 50 граммов, при том, что для поваренной соли эта же величина меньше – около 40 граммов.

Бензальдегид представляет собой органическое вещество с обширными химическими свойствами, сочетающими свойства карбонильных соединений и производных бензола. Он может окислиться до бензойной кислоты, восстановиться до бензилового спирта. Бензальдегид также может применяться как растворитель и даже репеллент для пчёл – пасечники часто применяют его, чтобы отогнать пчёл от их сот и похитить нажитый непосильным трудом мёд.

Сирингол

Сирингол (2,6-диметоксифенол), как и его близкий родственник гваякол, является продуктом пиролиза лигнина (лигнин как «леса» скрепляет в древесине волокна целлюлозы, образуя единый лигноцеллюлозный комплекс) и, естественно, содержится в древесине. Сирингол является основным компонентом запаха дыма и отвечает за запах копченных на древесных углях шашлыков или барбекю, гваякол же главным образом отвечает за вкус этих же блюд. И гваякол, и сирингол, конечно же, используются в составах типа «копченое мясо без костра».

Свое название сирингол получил благодаря структурному сходству с гликозидом сирингином, выделенным из знакомого многим растения Syringa vulgaris (сирень обыкновенная). Так что, когда вы почувствуете запах сентябрьских-октябрьских костров (впрочем, как и майских шашлыков), знайте – ваши обонятельные рецепторы взаимодействуют с сирингином.

Фуранеол – запах макушки лета

Фуранеол представляет собой кислородсодержащее природное соединение, в котором присутствуют кетонная, гидроксильная и эфирная группы. Это соединение в первую очередь связывают с запахом земляники и клубники, но также фуранеол можно найти в ананасах, помидорах и даже гречихе. Фуранеол содержит асимметрический атом, таким образом, существуя в виде двух зеркальных изомеров. Природа является источником (R) – энантиомера (на картинке), который обеспечивает более сильный аромат растениям и изготовленным из них продуктам питания, чем его (S) – антипод.

Метоксифуранеол (то же самое, что фуранеол, только вместо ОН-группы группа – OCH₃) тоже является важным компонентом аромата земляники. Оба вещества применяются в парфюмерии и пищевой химии.

Миндальная кислота

Миндальная кислота, или гидроксифенилгликолевая кислота – первый представитель жирно-ароматических гидроксикислот. Существует в виде нескольких зеркальных изомеров.

В природе миндальная кислота встречается только в связанном виде. Нитрил миндальной кислоты Ph – СНОН – CN, связанный с дисахаридом генциобиозой, находится в миндале и в косточках других плодов. Миндальная кислота обладает антисептическими свойствами: ещё до открытия антибиотиков эту кислоту в виде солей аммония или кальция широко использовали в урологии для лечения инфекционных заболеваний мочевыводящих путей.

В косметологии миндальную кислоту широко используют в качестве средства для пилинга кожи, так как она имеет выраженный кератолический эффект и хорошо обновляет клетки эпидермиса (тем самым стимулирует синтез коллагена), убирая ороговевшие частицы кожи.

Гексаналь

Гексаналь (тривиальное название – капроновый альдегид) – альдегид, содержащий шесть атомов углерода, представляет собой жидкость, которая при атмосферном давлении кипит при 131 °C. Впервые синтез гексаналя описан в 1907 году. Это вещество содержится в различных продуктах питания от оливкового масла и груш до авокадо. Это вещество с фруктовым запахом используется в пищевой и прамфюмерно-косметической промышленности.

В 2014 году было выяснено неожиданное свойство гексаналя: оказалось, что это вещество и его изомер – 4-метилпентаналь – являются феромонами тревоги крыс. Было обнаружено, что обработка крыс комбинацией этих веществ (но не каждым по отдельности) приводит к тому, что они начинают вести себя беспокойно. При этом крысы в состоянии тревоги также выделяют смесь обоих альдегидов и повышают беспокойство соседей.

Эвгенол

Запах эвгенола – очень характерный и запоминающийся, и для многих он является третьим по значимости запахом новогодних праздников и Рождества после запаха хвои и запаха цитрусовых. Эвгенолом пахнут глинтвейн, имбирное печенье и имбирный хлеб, эвгенол добавляют в ароматизированные свечи и освежители воздуха. Эвгенол входит в состав летучих органических веществ, испускаемых имбирем, лавровым листом и другими травами, однако если кому-то дать понюхать чистый препарат эвгенола, он скажет, что он пахнет гвоздикой.

Эвгенол (4-аллил-2-метоксифенол) – душистое вещество, производное фенола, которое является близким родственником гваякола – искусственного ароматизатора пищевых продуктов, известного как аромат «бекона». Состав эвгенола достаточно незамысловат – C₁₀H₁₂O₂, но это простое с виду соединение находит применение во многих областях, являясь интересным и для экологов, и для медиков, и, конечно, для представителей пищевой промышленности. В той или иной форме эвгенол применяется тысячелетиями. Свое применение в кулинарии гваякол заслужил не только уникальным запахом и вкусом, но и тем, что он, впрочем, как и многие другие вещества, содержащиеся в пряностях, ингибирует рост бактерий в продуктах питания. И хотя было сделано немало заявлений о пользе гвоздики, гвоздичного масла и эвгенола, содержащегося в гвоздичном масле, для здоровья, в последнее время доказательная медицина говорит о противоречивости многих таких заявлений или о том, что гвоздика работает по «эффекту плацебо». Тем не менее существуют и подтвержденные примеры.

Гвоздика и гвоздичное масло долгое время использовались в стоматологии – они работают как анестетики местного действия, облегчая зубную боль, или боль, возникающую в результате удаления зуба. Но гвоздика – это не просто народное средство: смесь эвгенола с оксидом цинка используют в пасте, применяющейся при протезировании зубов или обработке высверленных стоматологом фрагментов. Механизм, лежащий в основе анестезии, начали исследовать лишь недавно, уже имеются свидетельства в пользу того, что гваякол влияет на проводимость ионных каналов, отвечающих за сигналы болевых рецепторов.

Несмотря на то что имеется достаточно большая подборка работ о том, как эвгенол влияет на обмен веществ рыб (известно о том, что у тех же рыб он подавляет грибковые и паразитарные инфекции), картирование взаимодействий эвгенола с различными веществами, входящими в состав тканей человека, началось сравнительно недавно. Наряду с положительным влиянием на здоровье человека в последнее время появляется информация и об отрицательном влиянии эвгенола на организм. В высоких концентрациях эвгенол проявляет цитотоксичность и гепатотоксичность. Несмотря на то, что эвгенол применяется во многих парфюмерных композициях, Международная ассоциация по душистым веществам в настоящее время старается ограничить его содержание в духах и туалетной воде: стало известно, что длительный контакт человека с эвгенолом может вызывать аллергические реакции.

Ещё одна вещь, с которой эвгенол не справляется, несмотря на многочисленные народные рецепты, – гвоздика и эвгенол не являются репеллентами для комаров, хотя и взаимодействует с обонятельными центрами других насекомых. Так, он привлекает орхидных пчёл семейства Apidae, что облегчает энтомологам их изучение, также запах эвгенола является привлекательным для ряда насекомых-вредителей, что позволяет бороться с ними, ставя эвгеноловые ловушки-приманки на удалении от посевов.

Изоэвгенол

Изоэвгенол представляет собой душистое вещество, которое обуславливает запах гвоздики или запах азиатского растения иланг-иланг (Cananga odorata). Он существует в виде двух изомеров – транс– (более устойчивая и более распространенная форма, которая приведена на рисунке) и цис-изомера. Впервые был получен искусственным путем в 1891 году изомеризацией эвгенола.

Транс-изоэвгенол – бесцветные кристаллы с запахом гвоздики. Цис-изоэвгенол – жидкость с запахом гвоздики. Технический изоэвгенол состоит из 5–18 % цис-изоэвгенола и 82–95 % транс-изоэвгенола. Изоэвгенол широко используется для составления таких парфюмерных композиций, как отдушки для мыла и косметических изделий, ароматизации пищевых продуктов, ранее – для получения ванилина.

Цинеол

Цинеол (эвкалиптол, 1,8-эпокси-пара-ментан, C₁₀H₁₈O) при комнатной температуре представляет собой бесцветную жидкость с характерным мятно-камфорным запахом. Это соединение природного происхождения, его можно обнаружить в листьях эвкалипта и эфирном масле эвкалипта.

Цинеол применяется во многих областях, чаще всего – в качестве вкусоароматической добавки в зубных пастах и ополаскивателях рта, также его могут использовать при производстве некоторых сигарет или косметических и парфюмерных композиций. Ещё одна область применения цинеола – безопасные для окружающей среды репелленты, инсектициды и фунгициды.

При терапии ряда хронических заболеваний дыхательной и сердечно-сосудистой системы цинеол также может применяться как противовоспалительный препарат, он обладает и антиоксидантными свойствами. Цинеол может входить в состав и некоторых ингаляторов для лечения синусита.

Хлороформ

Хлороформ – вещество с достаточно простым строением: атом углерода, связанный с тремя атомами хлора и одним атомом водорода (CHCl₃).

Это вещество было открыто в тридцатых годах XIX века аж тремя учеными, проживавшими в трёх разных странах и творившими науку независимо друг от друга. Самое интересное, что лишь один из этой троицы был химиком – Юстас Либих, титан аналитической и органической химии, второй был фармацевт Ойген Суберейн, а третий – врач Самуэль Гутри.

Возникает вопрос – зачем аптекарю и практикующему врачу было необходимо искать новые вещества? Надо вспомнить, что начало XIX века было тем периодом истории, когда только начиналось становление медицины в современном её понимании, и поэтому поиском соединений, которые можно было применять для медицинских целей, занимались все кому не лень. Естественно, что одним из важных направлений был квест по поиску анестетиков.

В течение многих лет чуть ли не единственными обезболивающими препаратами были опиум и этиловый спирт (неважно – в форме виски, чистого спирта или другого состава). В 1846 году медики смогли вздохнуть с облегчением – наркоз стали делать с применением диэтилового эфира (в просторечии – серного эфира, или просто эфира). Однако эфирный наркоз был чреват целым рядом осложнений, как например тошнота и рвота. Хлороформ начал использоваться британскими врачами как безопасная альтернатива эфиру в конце 1840-х годов. Вскоре он завоевал всеобщую популярность благодаря стечению двух замечательных обстоятельств: в 1847 году шотландский врач Джеймс Янг Симпсон описал в медицинском журнале «Ланцет» исчерпывающее руководство по применению хлороформа для анестезии, а в 1853 году королева Виктория настояла на использовании хлороформа в качестве анестетика при родах принца Леопольда.

Однако по мере распространения хлороформа в медицинской практике стало увеличиваться количество необъяснимых смертей оперированных больных. Оказалось, что хлороформ обладает меньшим по сравнению с эфиром терапевтическим индексом – разница в дозе, вызывающей анестезию, и дозе, способной инициировать сердечный приступ, оказалась для хлороформа гораздо ниже, чем для эфира.

Таким образом, от применения хлороформа в качестве наркоза потихонечку стали отказываться, отчасти и из-за того, что хлороформ демонстрировал токсические свойства – случайный пероральный прием 10 мл хлороформа мог вызвать смерть из-за сердечного приступа или паралича дыхания.

Проведенный в 1870 году анализ 80 000 операций показал, что риск смерти пациента при анестезии хлороформом составлял 1 на 2500 случаев, в то время как для эфирного наркоза риск смерти пациента составлял всего 1 к 23 000. В 1875 году британский Медицинский журнал отметил, что количество операций с эфирным наркозом вновь превысило количество операций «под хлороформом», и хлороформ стал применяться авторами детективов для описания не совсем достоверных сцен похищения (вопреки книгам и фильмам с лихо закрученным сюжетом человек не отключается через пару-тройку секунд после вдыхания паров хлороформа).

Длительное хранение хлороформа тоже может быть опасным. Окисление хлороформа кислородом воздуха приводит к образованию фосгена (COCl₂). Фосген, хлорангидрид угольной кислоты, обладает удушающим действием и применялся в Первую мировую войну как боевое отравляющее вещество. Хотя при комнатной температуре фосген является газообразным веществом, он хорошо растворяется в хлороформе и при очистке последнего фосген необходимо удалять. Именно для этого при длительном хранении в хлороформ добавляют стабилизаторы, препятствующие образованию фосгена, например этанол. Правда, если для эксперимента нужен чистый хлороформ, от стабилизаторов тоже необходимо избавляться.

Несмотря на собственную токсичность и токсичность продуктов окисления, хлороформ широко применяется в промышленности. Одно из наиболее распространённых направлений его применения – сырье для производства тетрафторэтилена, ключевого вещества для получения тефлона. Хлороформ часто используется в качестве растворителя для проведения реакций – это происходит из-за того, что его реакционная способность не так уж и велика, он не огнеопасен и, конечно, смешивается в любых соотношениях со многими органическими соединениями.

Дейтерохлороформ (CDCl₃), в котором легкий водород (протий) замещен на тяжелый (дейтерий), представляет собой один из самых распространенных и самых дешевых растворителей для спектроскопии ядерного магнитного резонанса (этот метод анализа, в частности, направлен на определение находящихся в различном химическом окружении атомов водорода, поэтому атомы водорода растворителя, которые, конечно же, находятся в значительном избытке, надо как-то «замаскировать», что и делается с помощью замены в растворителе «обычного» водорода на тяжелый).

Хлороформ также интересен химикам-синтетикам – он является источником дихлоркарбена, CCl₂, (карбены, обладающие либо двумя неспаренными электронами, либо электронной парой, являются реакционными частицами куда более активными, чем свободные радикалы). Под действием основания от хлороформа отщепляется атом водорода и атом хлора, образующаяся при этом активная частица CCl₂ может присоединяться к кратным связям с образованием трёхчленных циклов.

Но как и любое замечательное вещество, хлороформ постепенно открывает свои секреты. Недавно было выяснено, что, несмотря на огромные количества хлороформа, которые производятся промышленностью, около 90 % хлороформа в атмосфере имеют биогенное происхождение – это соединение вырабатывается водорослями и морскими организмами в процессе метаболизма. Правда непонятно, зачем это нужно морским организмам – используют ли они хлороформ для защиты от тех, кто их может съесть, или это просто способ избавления от хлора, содержащегося в морской воде.

ДЭТА

Комары, гнусы, мошкара, клещи. У некоторых моих знакомых идиосинкразия только на эти слова, и они начинают чесаться, лишь услышав знакомый комариный зуд. Однако кровососы могут не только испортить летний вечер или отпуск в тропиках – они могут быть и переносчиками болезней, одна из которых – малярия.

Строго говоря, по официальным сводкам Минздрава заболеваемость малярией в РФ идет на убыль, а основными источниками малярии для россиян в прошлом году стали страны Африки и Индии. Помимо малярии насекомые и клещи могут переносить такие заболевания, как энцефалит, лихорадку денге и лихорадку западного Нила.

Где-то с засильем комаров пытаются бороться, генетически их модифицируя, но пока, как ни крути, одним из лучших способов защиты от укусов насекомых являются репелленты. А наиболее известный активный компонент большинства репеллентов – желтоватая маслянистая жидкость – N,N-ДиЭтил-мета-ТолуАмид (ДЭТА или, в английской вариации, DEET).

Сокращенное название этого соединения даже дало название целой линейке противомоскитных и противоклещевых средств, появившихся ещё давно. Помню как сейчас – ещё в 1970-х годах перед заходом в лес дед заставлял меня изрядно помазаться ДЭТА, и все комары тайги какое-то время были не страшны.

Препарат ДЭТА был разработан армией США в 1946 году для защиты личного состава в регионах с большим количеством насекомых: во время Второй мировой войны опыт боевых действий в джунглях Тихоокеанского региона показал, что нелетальные потери армии от заболеваний, переносимых кровососами (или просто аллергическая реакция на укусы), были сравнимы с нелетальными потерями от ранений во время боевых действий. Получение ДЭТА осуществляется достаточно просто из коммерчески доступных материалов.

В США ДЭТА (поскольку это *-амид, то, по идее, ДЭТА – это «он») зарегистрирован для гражданского использования в 1957 году, присутствует на рынке в составе репеллентов индивидуального использования с 1965 года. Получил распространение в СССР, выпускался в форме алюминиевых тюбиков и стеклянных аптекарских банок. На упаковке было написано «средство от комаров», однако ДЭТА пригоден для отпугивания и других насекомых. Применяется наружно, предназначен для нанесения на открытые участки тела, а также на одежду.

Концентрация ДЭТА в продаваемых препаратах колеблется от 4 до 100 %. Стоит отметить, что концентрация активного вещества в препарате не влияет на количество насекомых, которые, заточив хоботки, хотят испить вашей крови и кружатся над вами. Концентрация N,N-диэтил-мета-толуамида в препарате определяет, в течение какого времени будет действовать защита. Так, если вы обмазались продуктом, содержащим 10 % ДЭТА, следует восстановить защиту от насекомых через полтора часа, в то время если обмазаться 100 %-ным N,N-диэтил-мета-толуамидом, это может защищать вас в течение 12 часов.

Возможно, ДЭТА ежегодно спасает огромное количество жизней во всем мире, не говоря уже о том, что он позволяет избежать неприятных ощущений после комариных укусов, предотвращая эти укусы, но в общении с N,N-диэтил-мета-толуамидом есть некоторые сложности. Чистый ДЭТА представляет собой очень хороший растворитель, который может смыть лак с ногтей и даже растворить изделия из пластика.

Некоторые люди при попадании на кожу больших количеств ДЭТА могут страдать от раздражения кожи или даже от припадков (хотя за всё время применения препарата Агентство по защите окружающей среды США зафиксировало от 14 до 46 случаев припадков, связанных с ДЭТА, включая 4 смертельных случая).

Раздражающее действие ДЭТА (в особенности при попадании в глаза или на слизистые), возможно, обусловлено наличием в ДЭТА структурного фрагмента, который имеется и в хлорацетофеноне – отравляющем веществе, которое относится к слезоточивым ОВ и применяется в полицейских операциях для разгона демонстраций или дезориентации преступников, а также в газовых баллончиках для самообороны.

Однако, несмотря на возможность испортить одежду и возможные осложнения, при правильном использовании и соблюдении всех мер предосторожности ДЭТА безопасен для людей, а также практически безопасен для окружающей среды – ДЭТА не склонен к биоаккумуляции, хотя его и не стоит использовать рядом с источниками воды.

В борьбе с насекомыми ДЭТА эффективен, но вот механизм его эффективности до сих пор является предметом дискуссий, причем споры не утихают и по сей день, разгораясь с новой силой. Одним из распространенных представлений является то, что репелленты на основе ДЭТА по сути дела не являются репеллентами (repell – рассеивать, отпугивать), они не отпугивают насекомых от нас, а, скорее, маскируют нас от насекомых.

Обонятельные рецепторы комаров и других кровососов в их усиках-антеннах распознают молочную кислоту, содержащуюся в поте теплокровных, а также диоксид углерода (углекислый газ) и 1-октен-3-ол, содержащийся в нашем дыхании; предполагалось, что ДЭТА блокирует эти рецепторы, после чего насекомые не могут найти нас по запаху.

В марте 2008 года Лесли Возшалл с соавторами опубликовала статью, в которой приводились доводы в пользу этой гипотезы. Было продемонстрировано, что ДЭТА блокирует три обонятельных рецептора малярийных москитов. Исследователи были первыми, кто определил молекулярную мишень ДЭТА: обонятельные рецепторы, образующие комплекс с корецептором OR83b. Для обнаружения этих рецепторов исследователи применили комбинацию генетического подхода с реконструкцией обонятельных рецепторов in vitro.

Эти результаты убедили не всех: в августе того же года исследователи из Университета Аризоны опубликовали прямо противоположные результаты – они заявили, что ДЭТА не блокирует обонятельные рецепторы, насекомые унюхивают непосредственно ДЭТА и избегают источник этого запаха, поскольку он им не нравится – это подтверждало концепцию того, что ДЭТА не «маскхалат для запаха», а действительно репеллент.

К вопросу о механизме действия ДЭТА вернулись в 2011 году – в сентябре Лесли Возшалл привела новые результаты, подтверждавшие концепцию того, что ДЭТА не дает москитам найти опрыскавшихся ДЭТА людей по запаху, мешая работе обонятельных рецепторов кровососов, так что дебаты о механизме работы самого популярного средства до сих пор не закрыты.

Кто-то может спросить – а зачем вообще изучать механизм действия препарата, казалось бы, работает – вот и хорошо. Однако изучать нужно. Дело в том, что гены, кодирующие экспрессию (биосинтез) обонятельных рецепторов, представляющих собой просто молекулы белка, могут мутировать, что может приводить к изменениям структуры обонятельного рецептора, и, соответственно, рецептор, синтезированный на основе мутированного гена, будет распознавать уже другую «мишень».

Таким образом, если ДЭТА – репеллент, то не исключена ситуация, что через некоторое время мутации обонятельных рецепторов приведут к тому, что насекомые выработают резистентность к репелленту, и кровососы не будут отпугиваться ДЭТА или, не дай мироздание, наоборот – привлекаться. Если ДЭТА мешает кровососам унюхать человека, поводов бояться того, что ДЭТА рано или поздно потеряет эффективность, меньше, но всё же – информация о механизме действия важна для разработки новых, может быть более эффективных и менее опасных для человека и окружающей среды препаратов.

Кстати, в настоящее время в США уже одобрены для применения альтернативы ДЭТА – производное пиперидина пикаридин и природное масло лимонного эвкалипта. Некоторые, боясь «страшной химии», используют народные натурально-органические материалы – сухую пижму, ромашку, жгут свечи с ароматными соединениями природного происхождения.

Однако новые препараты пока ещё завоевывают свою «аудиторию», а природные средства не всегда эффективны (личный опыт подсказывает, что комаров из марийской тайги природно-народные средства давно уж не отпугивают, лишь, может быть, заставляя комаров покатываться со смеху), а ДЭТА со своим неприятным запахом, жирными пятнами, которые могут оставаться на одежде, и вот уже более чем полсотни лет непонятым механизмом действия остается золотым стандартом для защиты от членистоногих кровососов всех размеров и мастей.

Триметиламин

Триметиламин воняет. Воняет страшно и отвратительно, как и многие амины – достаточно пары капель на одежду (даже через халат), и, если её не стирать, около недели вам не избавиться от этого запаха. Даже когда вы уже принюхаетесь к нему, всё равно – в общественном транспорте народ будет стараться держаться на отдалении от вас даже в час пик, недружелюбно косясь. Такое отношение вполне можно понять – запах триметиламина мало кому может показаться приятным или даже нейтральным – это запах гнилой рыбы или смерти.

Строение триметиламина достаточно незамысловато – это третичный амин, в котором центральный атом азота связан с тремя метильными заместителями (—СH₃). При комнатной температуре триметиламин газообразен, однако он отличается исключительно высокой растворимостью в воде, поэтому на практке чаще применяются водные растворы триметиламина. Благодаря наличию неподеленной электронной пары на атоме азота (пары электронов, не принимающей участия в образовании связей) триметиламин, как и другие амины, представляет собой хороший нуклеофил (реагент, атакующий молекулу по фрагменту, обладающему недостатком электронной плотности) и акцептор протонов, что и обуславливает его применение в органическом синтезе.

Причина отвратительного запаха триметиламина заключается в том, что это вещество является обычным продуктом разложения растений и животных (а также маркером некоторых инфекционных воспалений), и наше обоняние эволюционировало таким образом, чтобы мы и другие животные считали этот запах отвратительным и отталкивающим. Менее «брезгливые» по отношению к этому запаху предки могли вдоволь накушаться гниющей плоти, заглотив с нею немалую толику трупных ядов, и, соответственно, не оставить потомства. Падальщики, которых трупные яды не берут, не в счёт – для них этот запах скорее, наоборот, сравним с тем, что значит для многих из нас аромат ванили и корицы: «Эй, иди сюда скорее, тут много вкусного…»

Содержащий кислород предшественник триметиламина присутствует в гниющей рыбе и разлагается, создавая весь неповторимый аромат рыбной тухлятины. Предполагается, что это вещество (оксигенированный триметиламин) содержится в организме рыб и другой морской фауны для понижения температуры замерзания их биологических жидкостей.

Триметиламин и другие пахучие амины также выделяются с биологическими жидкостями представителей Homo Sapiens, страдающих от «синдрома рыбного запаха» – генетического расстройства, известного как триметиламинурия. Пот, дыхание и моча человека, подверженного этому заболеванию, имеют характерный запах тухлой рыбы. Это состояние связывается с тем, что страдающие триметиламинурией не могут перерабатывать содержащийся в пище триметиламин, и молекула амина выделяется с потом, дыханием и мочой, не изменяя своего строения и не превращаясь в менее пахучие соединения. Триметиламинурия является наследственным заболеванием, и от неё страдает около 1 % от европеоидов. Несмотря на то, что разложить триэтиламин человек с триметиламинурией не может, он может регулировать запах за счёт контроля потребляемых продуктов питания – эффект неприятного запаха понижается, если сократить потребление рыбы, яиц, брокколи и других темно-зелёных овощей, короче – продуктов с высоким содержанием холина.

Несмотря на то что первые медицинские работы по триметиламинурии датируются 1970-ми годами, она, вероятно, известна человечеству очень давно, И первым документированным описанием этого состояния можно считать реплику из пьесы «Буря» Уильяма Шекспира: «Это ещё что? Человек или рыба? Мёртвое или живое? Рыба! – воняет рыбой. Застарелый запах тухлой рыбы; что-то вроде солёной трески, и не первой свежести».

Помимо человека, от триметиламинурии или подобного расстройства могут страдать и другие животные. Известно, что некоторые куры могут нести яйца, воняющие рыбой (то есть триметиламином); исследователи из Швеции обнаружили мутацию у коров, заставляющую их давать молоко с запахом рыбы.

Некоторые из читателей могли что-то слышать об аминах из сериала «Во все тяжкие», в котором главные персонажи получали метамфетамин из фенилацетона и метиламина, который является близким родственником триметиламина (в метиламине с азотом связана одна метильная группа СН₃ и два атома водорода). Поскольку в США метиламин является реагентом строгого учета и контроля, несколько эпизодов сериала было посвящено трудностям, которые были испытаны с его добычей.

Запах метиламина примерно такой же характерный, как и у триметиламина, поэтому не в сериале, а в реальной жизни полиция США часто может даже случайно обнаружить нелегальные лаборатории по производству «мета» по рецепту из сериала просто по характерному запаху рыбы там, где этой гниющей рыбы вроде логически быть не должно, ну а при специальном поиске уже задействуются не только носы патрульных, но и более чуткие носы К-9, и ещё более чуткие хромато-масс-спектрометры.

Несмотря на то что триметиламин воняет, всё же это полезное и замечательное вещество. В цехах по переработке рыбы и других морепродуктов мониторинг триметиламина позволяет оценить степень свежести сырья (хотя мы и знаем про порочность рассуждений про осетрину второй свежести). Триметиламин используется в синтезе холина, гидроксида тетраметиламмония, четвертичных аммониевых солей, ионообменных смол, некоторых гербицидов и лекарственных препаратов, причем все они (после соответствующей очистки, конечно) рыбой не пахнут. Таким образом, хотя у триметиламина запах и не самый приятный из тех, что мы можем почувствовать, это вещество ещё раз подтверждает старую мудрость химиков: «Не суди о пользе вещества по его запаху».

2. То, что мы принимаем внутрь

Обоняние и вкус – чувства, наиболее близкие между собой, и то, и другое основано на распознавании белковыми рецепторами (обонятельными для чувства обоняния и вкусовыми для чувства вкуса) определённых химических соединений и передаче химического сигнала о распознанном соединении в мозг. Современная химия процессов питания тоже выделяет 6 вкусовых ощущений: сладкий, кислый, соленый, горький, глутаматовый (умами) и кальциевый. В соответствии с этими принципами классификации вкусы определяются не на основе ощущений, а на основе различного строения вкусовых рецепторов и веществ, активирующих эти рецепторы.

Ощущения сладкого и соленого биологически ассоциированы с положительными качествами пищи (поскольку наш организм получает энергию, перерабатывая сахара, ощущение сладкого говорит о высоком содержании энергии в пище, ощущение соленого свидетельствует о том, что в пище есть элементы, которые важны для регулирования кровяного давления).

Ощущения горького и кислого предупреждают, что пища может быть потенциально опасна. Горький вкус – однозначный сигнал об опасности: рецепторы «горького» распознают алкалоиды и родственные им вещества, которые достаточно токсичны и могли привести к отравлению (в том числе и смертельному). Кислый вкус – распознавание ионов гидроксония, образующихся при диссоциации кислот, – обычно свидетельствует либо о том, что еда ещё недозрела, либо уже испортилась в результате молочнокислого брожения. Глутаматовый вкус умами представляет собой индикатор содержания белков в пище, чтобы у наших питающихся предков была уверенность в том, что они потребляют достаточное количество аминокислот для роста мышечной ткани. Распознавание кальция нашим предкам было необходимо для того, чтобы обеспечить себя достаточным количеством кальция для полноценного кальциевого обмена и формирования скелета.

Эволюция вкусовых ощущений привела к тому, что мы можем оценить вкус любого вещества (или смеси веществ), попадающего к нам в рот, – будь то еда, то, что едят с едой, напиток или лекарство. Кстати, большинство лекарств, попадающих нам в рот, кажутся горькими из-за того, что весьма часто они характеризуются теми же структурными элементами, что и токсичные вещества природного происхождения (иногда некоторые лекарства, в принципе, и являются этими самыми природными потенциально опасными токсинами).

Это, конечно, не значит, что, принимая лекарства, мы подвергаем себя опасности – как заметил ещё Парацельс, токсичность зависит от дозы, и грамотно подобранная дозировка правильно назначенного лекарственного препарата принесет болеющему организму пользу, а не вред. Однако наши вкусовые рецепторы этого не понимают и сигнализируют нам о потенциальной опасности. Так же происходит и с запахами – мы можем почувствовать запах токсичного сероводорода задолго до того, как его концентрация может стать опасной, – эволюция способности распознавать вкусы и запахи стала важным элементом выживаемости.

Итак, в этом разделе речь пойдет о веществах, которые могут распознаваться нашими вкусовыми рецепторами, – компонентах еды, напитков и лекарственных препаратов. Временами свойства этих компонентов переплетаются так тесно, что вспоминается известное изречение: «Если не будешь есть еду, как лекарство, будешь есть лекарство, как еду».

2.1. Химия новогоднего застолья

Изучая декабрьскую активность американских коллег от «CompoundInterest», я постоянно ловил себя на мысли о том, что их графические миниатюры о предновогодней или предрождественской химии специфичны, а большинство фигурирующей в ней продуктов, напитков и элементов декора мало согласуются с принятыми в нашей культуре представлениями о новогодних праздниках.

В связи с этим зрела мысль о том, что неплохо было бы соорудить что-то похожее, но своё, более привычное для тех, кто 31 декабря привык смотреть «Иронию судьбы» и «Чародеев», заполняя при этом все доступные емкости в доме салатами и другими вкусностями. К счастью, мысль удалось реализовать – и вот она материализовалась в форме рассказа о химии новогоднего стола.

Надо сказать, что продукты, о которых речь пойдет ниже, – не «авторский выбор», до начала работы над материалом я успел задать в социальных сетях своим друзьям и подписчикам один вопрос: «Без каких семи блюд (или продуктов) вы не представляете свой стол 31 декабря и 1 января?» В опросе принял участие 31 человек, после чего был построен рейтинг семи самых популярных продуктов, который для заявленной цели вполне можно считать статистически достоверным (я знаю случаи, когда в клинических исследованиях выводы делались по статистике с меньшим числом респондентов). Итак, поехали…

Первое место в рейтинге гостей новогоднего стола, бесспорно, занимает шампанское. Шампанское – белое игристое вино, произведенное во французской провинции Шампань или в любом уголке нашей необъятной родины. Шампанское, как и любое другое игристое вино, насыщено углекислым газом (добавка Е290) – его в бутылке объемом 0,75 литрa содержится 5 литров. По этой причине давление внутри бутылки шампанского составляет 5–6 атмосфер (для сравнения: в автомобильных шинах обычно поддерживают давление в 1,5–2 атм.). Исследователи, которым, видимо, нечем было заняться в новогоднюю ночь, подсчитали, что из одного стандартного бокала шампанского объемом 100 мл выделяется примерно 20 миллионов пузырьков газа. Эти пузырьки помимо прочего несут к поверхности летучие органические вещества, придающие шампанскому его неповторимый сладко-фруктовый аромат. Одни из таких ароматных веществ – g-декалактон и 7,8-дигидровомифолиол.

Игристые вина обычно закусывают фруктами, и наш новогодний стол не исключение – без мандаринов Новый год можно не считать Новым годом. Кожура мандаринов, которая и отвечает за их запах, богата эфирными маслами. Эфирные масла мандаринов и других цитрусовых содержат много ценных веществ самой разнообразной природы. Эфирное масло, которое можно выделить из кожуры мандарина, содержит более 90 % углеводородов, основным из которых является лимонен. Наряду с лимоненом наиболее важным компонентом кожуры мандарина, влияющим на запах, является альдегид цитраль. Кисловатый же вкус мандаринам и другим цитрусовым придает лимонная кислота (Е330), которая хоть и содержится и в мандаринах, и в апельсинах, и в яблоках, как несложно угадать по названию, была впервые выделена из лимона и содержится в нем в наибольшей по сравнению с другими зрелыми фруктами концентрации.

Третьим в рейтинге продуктов нашего новогоднего стола оказался салат оливье. Тут приходится признавать, что по какому бы рецепту ни готовился оливье – с языком молодого телёнка или с колбасой вареной докторской по ГОСТ 23670-79, общим для рецептов, по словам известной песни «Несчастного случая», является одно: «В салате лежит килограмм майонеза, что вкусно, а главное очень полезно…» Майонез, конечно, изначально является разновидностью омлета – смесью жиров с яйцами, но многим из нас он нравится благодаря специям. По ГОСТ 31761-2012, определяющему правила изготовления майонезов и майонезных соусов, в состав майонеза должно входить горчичное масло, острый вкус и запах которого придает аллилизотиоцианат. Это же вещество дает острый вкус и самой горчице, и недавно появившемуся в наших широтах соусу васаби, и давно обосновавшимся в наших огородах и на наших столах луку и чесноку – как их вершкам, так и корешкам.

Практически каждый из опрошенных мною не представляет новогодний стол без селёдки под шубой. Но тут дело такое – большинство людей, которые приняли участие в моём опросе (особенно в Фейсбуке) уже немолодые, и мы помним ещё прошлое тысячелетие, а вот некоторые молодые хозяйки на полном серьезе задают в социальных сетях вопрос: «А где можно купить розовый майонез для селёдки под шубой?» Такого (пока) в магазинах нет, розовый цвет майонезный топинг на «шубе» принимает за счет экстракции красного пигмента свеклы бетанина (также известного как «пищевой краситель свекольный красный» или пищевая добавка Е162). Хотя, наверное, это хорошая идея для стартапа – добавлять бетанин в майонез или майонезный соус и продавать как «Майонез для селёдки под шубой». При приготовлении такой шубы даже можно будет обойтись и без свеклы.

Красная икра. Бутерброды с красной икрой. Тарталетки с красной икрой – тоже почетный гость нашего новогоднего стола. Поскольку икра – ни что иное, как «рыбьи яйца», она содержит все, что необходимо зародышу для развития – большое количество белков, витамины А, D и многие другие вещества. В икре очень высоко содержание нуклеиновых кислот, информация из которых нужна зародышу для нормального развития. Молекулы нуклеиновых кислот могут прочно связываться с ионами тяжелых токсичных металлов, попавших в организм, и выводить их, однако сами понимаете, натуральная икра – слишком дорогой препарат для лечения отравления тяжелыми металлами, а имитация икры этим терапевтическим действием не обладает.

Жареная или запеченная в духовке утка, индейка или даже курица тоже вошли в рейтинг новогодних блюд. Когда мы жарим птицу или мясо, или готовим их на огне или в духовке, протекает много химических реакций, в том числе и реакция Майяра – взаимодействие аминокислот с углеводами. В результате реакции Майяра образуются сотни продуктов, некоторые из которых и отвечают за аромат жареной птицы. Химики-аналитики совместно с дегустаторами запахов – флейвористами – выяснили, что главные ноты в симфонии ароматов жареной птицы и жареного мяса играют фураноны, фураны и пиразины, простейшие представители которых изображены на картинке. Также в реакции Майяра образуются меланоидины – окрашенные вещества, отвечающие за окраску румяной корочки жареного или запеченного продукта.

Ну и седьмой гость, который, правда, появляется на нашем столе уже на after party, ближе к полудню первого января (заметим, далеко не у всех), – рассол огуречный. Его зовут на помощь в качестве средства для облегчения похмельного синдрома. Рассол может применяться и для лечения интоксикации, которая сопутствует различным инфекционным заболеваниям. Основной компонент огуречного рассола (если не считать воды) – хлорид натрия, он же поваренная соль. Механика оживляющего действия рассола заключается в том, что он восстанавливает водно-солевой баланс в организме и устраняет обезвоживание (без этого вода продолжает активно выводиться из организма). Обезвоживание – одна из основных причин плохого самочувствия в результате алкогольной или какой-либо другой интоксикации. Почему же именно рассол от домашних заготовок, а не просто раствор соли в воде (который, по идее, будет работать да и работает в составе физиологических растворов по такой же схеме)? Да просто когда мы готовим рассол для домашних заготовок, мы добавляем туда специи – лавровый лист, чеснок, гвоздику и т. д., а пить соленую воду, вкус которой облагорожен пряностями, приятнее, чем просто соленую воду.

2.2. Пятьдесят оттенков натуральных пищевых красителей

В 2017 году исполняется десять лет с того момента, как апологеты натуральных пищевых добавок начали брать вверх над сторонниками синтетических (по крайней мере, в общественном мнении). В 2007 году на основании доклада профессора Джеймса Стивенсона из Саутгемптонского университета Агентство по пищевым стандартам Великобритании пересмотрело рекомендации в отношении некоторых искусственных пищевых добавок, в первую очередь синтетических красителей.

Вот основной вывод Стивенсона: «Проведено крупное исследование в важной области. Результаты свидетельствуют о том, что потребление определенных искусственных пищевых красителей… связано с повышением частоты случаев гиперактивного поведения у детей. Однако родители не должны думать, что, исключив из рациона эти пищевые добавки, они избавят своих детей от подобных расстройств. Нам известно, что многое другое влияет на гиперактивность, но, по меньшей мере, этот риск можно снизить».

Доклад прямо или косвенно обвинял следующие синтетические пищевые красители: тартразин (E102, жёлто-оранжевого цвета); хинолиновый жёлтый (E104, фактически жёлто-зелёный); жёлтый «солнечный закат» (E110, оранжево-жёлтый), красные кармазин (E122) и понсо 4R (E124), и красный очаровательный АС (E129) – оранжево-красный.

Тетразин (Е102)

Солнечный закат (Е110)

Красный очаровательный АС (Е129)

Несмотря на мягкую формулировку, британское Агентство по пищевым стандартам, финансировавшее исследования Стивенсона, призвало британских производителей добровольно отказаться от использования пищевых красителей, упомянутых в докладе. Потом начались многочисленные акции в Европейском союзе, участники которых требовали удалить синтетические красители из еды и напитков, – маховик был запущен.

Вместе с тем в документе самого Агентства по пищевым стандартам, на основании которого синтетические красители стали считаться чем-то нехорошим, написано, что нет строгих научных данных, которые бы указывали на прямую связь между красителями и изменением в поведении детей. Так, в разделе, посвященном методологии исследования, говорится, что примерно в 50 % случаях выявленная связь между гиперактивным поведением и потреблением продуктов с искусственным красителем делалась на основе оценочных суждений родителей. В тех же случаях, когда речь шла о статистических закономерностях, полученных педиатрами, практически не применялось слепое тестирование и двойное слепое тестирование, которые позволили бы выявить возможные эффекты плацебо и ноцебо (то есть отрицательную реакцию, вызванную чисто психологическими причинами).

С 2007 года производителям пришлось изменить состав сотен напитков и продуктов питания. Главным образом в рецептуре заменяли синтетические красители (не только шесть упомянутых в «саутгемптонском докладе», но и другие) красителями, выделенными из природных источников. А разрабатывая новые продукты, технологи старались использовать натуральные красители. Статистика говорит, что 90 % пищевых продуктов, появившихся на европейском рынке за последние пять лет, содержат только натуральные красители. В США и Канаде таких продуктов меньше, лишь 50 %.

Скорее всего, европейские дети не стали здоровее после перехода на натуральные красители, а вот химики-пищевики и технологи приобрели большую головную боль.

С точки зрения химика и технолога нет ничего лучше синтетических красителей. Они устойчивы, растворимы в воде, их можно использовать в любом рецепте, большинство из них не меняют цвет при термообработке. С натуральными красителями, напротив, множество проблем: на их поведение и внешний вид влияют рН, температура, свет и даже контакт с кислородом воздуха. И вишенка на торте: далеко не все красители природного происхождения хорошо растворимы в воде. При этом каждый природный краситель заставляет решать дополнительные задачи, чтобы скучно не было.

Так, например, если натуральный краситель растворяется в жирах, а использовать его надо в продуктах, содержащих большое количество воды, то чтобы продукт оказался равномерно окрашен, нужны особые методы стабилизации эмульсии. Вдобавок даже для одного и того же красителя рецептура эмульсии зависит от его применения. Один из эмульгаторов для жирорастворимого бета-каротина – сложные эфиры сахарозы. Впрочем, стабилизированная ими эмульсия устойчива только в сильнокислой среде, а если pH больше 4, то она расслаивается. Бета-каротин пришел на смену синтетическому красителю жёлтый «солнечный закат», но если для него пищевики могли использовать один универсальный раствор, то для бета-каротина существует шесть версий рецептур, применяемых в зависимости от того, что именно надо сделать жёлтым – сок, леденец или что-то другое.

Ещё одна проблема, осложняющая и без того непростую жизнь пищевой промышленности Европы и Северной Америки, заключается в том, что нет единого законодательства, оговаривающего правила применения пищевых красителей (даже натуральных). Из-за этого продукт, разрешенный в одной стране, часто попадает под запрет в другой. Так, например, в США, независимо от происхождения, искусственным считается любой краситель, меняющий естественный цвет продукта. Некоторые натуральные красители разрешены к применению в Европе и запрещены в США, и наоборот. Что касается нашей страны, у нас ситуацию с пищевыми красителями регламентирует ГОСТ Р 52481-2010, в соответствии с которым натуральным считается пищевой краситель, полученный из сырья растительного или животного происхождения, синтетическим – краситель, полученный методами органического синтеза. Наш ГОСТ вообще не предполагает использования термина «искусственный пищевой краситель».

Наиболее известны красные и жёлтые природные красители. Это прежде всего каротиноиды бета-каротин, лютеин, содержащие каротиноиды порошки (их получают измельчением плодов красного перца Capsicum annuum и экстракцией из семян ашиота Bixa orellana), а также не относящийся к каротиноидам куркумин.

Эти соединения могут придавать продуктам оттенки от бледно-жёлтого до красного. Например, с помощью бета-каротина можно получить жёлтые и красно-оранжевые цвета, апокаротеналь же придаст продукту (кондитерским изделиям, мороженому, напиткам и пр.) глубокий оранжевый цвет. Окраска бета-каротина, конечно, хороша, более того, оттенки каротиноидов можно регулировать, меняя соотношение двойных связей в цис– и трансконфигурации. Однако в чистом виде его использовать нельзя, поскольку бета-каротин не растворяется в воде, умеренно растворяется в маслах и к тому же быстро окисляется кислородом воздуха.

На помощь пищевикам приходят нанотехнологии: чтобы бета-каротином и некоторыми родственными ему соединениями можно было окрашивать соки или молочные продукты, их инкапсулируют в полые наночастицы. Так обеспечивается равномерное распределение красителя по всему объему продукта. К сожалению, для разных типов продуктов приходится методом проб и ошибок разрабатывать различные нанокапсулы.

Цвет, который каротиноиды придадут продуктам, зависит от их химического строения и способа введения в продукты. Эмульсия бета-каротина в воде – жёлтая, его суспензия – оранжевая, а сам бета-каротин в кристаллическом состоянии красный, почти такой же, как мякоть спелого арбуза.

Часто красители-каротиноиды не выделяют из природных источников, а получают синтетическим путем (или полусинтетическим – модификацией природных соединений), что создает дополнительные проблемы. Люди, страдающие хемофобией в особо острой форме, считают такие каротиноиды тоже искусственными. Хотя очевидно, что выделенный из морковки и полученный в лаборатории бета-каротины совершенно идентичны.

После окисления каротиноиды теряют окраску, поэтому, чтобы продукты на полках супермаркетов сохраняли товарный вид, к композициям на их основе приходится добавлять антиоксиданты. Обычно в качестве антиоксидантов используют аскорбиновую кислоту, её производные или токоферол. Если окрашенный каротиноидами товар упакован в прозрачную пластиковую тару, то, чтобы защитить разлагающиеся на свету пигменты, их надо ещё инкапсулировать в крахмал или гуммиарабик.

Биксин (R = CH3), норбиксин (R = H)

Оранжево-красный пигмент аннато получают из семян южноамериканского растения ашиота (Bixa orellana). Основной окрашенный компонент экстракта семян ашиота – растворимый в неполярных растворителях каротиноид биксин, на одном конце цепи которого находится сложноэфирная группа, а на другом – свободная карбоксильная группа. Близкий родственник биксина – норбиксин, который можно получить, гидролизуя сложноэфирный фрагмент. Норбиксин используют в молочных продуктах, прежде всего в сырах. Веками (с XVII в.) это вещество придает жёлтую или жёлто-оранжевую окраску чеддеру, сыру колби и красным сортам лестерского сыра.

Кантаксантин

Кантаксантин (Е161g) – ярко-красный пигмент, выделяемый из болгарского перца, – разрешен к применению в США и почти запрещен в Европе. Единственный европейский продукт, в котором он допустим, – это страсбургские колбасы. Ограничение связано с событиями 1980-х годов, когда люди принимали препараты с кантаксантином для «загара без солнца», что, как считается, могло приводить к обратимому отложению кристаллов этого вещества на сетчатке глаз. Конечно же, в тех препаратах кантаксантина было в сотни раз больше, чем можно получить, съев подкрашенный им продукт, но осторожные европейцы решили перестраховаться.

Есть большая группа водорастворимых природных красителей – антоцианины. Хорошая растворимость в воде – это плюс, но есть и минус: их цвет зависит от значения pH. Фактически эти соединения – индикаторы основной среды: в нейтральной среде антоцианины, в зависимости от строения, могут приобретать красный, пурпурный или синий цвет, при повышении рН становятся зелёными или коричневыми, а в кислой среде окраска исчезает.

Зависимость цвета природных красителей от рН – их главное отличие от синтетических. Большинство синтетических красителей сохраняют свой цвет и оттенок на всем интервале значений рН, характерных для продуктов питания. Ещё один недостаток антоцианинов – чувствительность к свету, и тут, в отличие от светочувствительности каротиноидов, не поможет стабилизация аскорбиновой кислотой. К сожалению, пищевики не могут получить оранжевый цвет, смешивая жёлтый бета-каротин с красным антоцианином: в такой композиции большое количество аскорбиновой кислоты обесцветит антоцианин, а малое – бета-каротин.

Ещё один природный водорастворимый пигмент, куркумин, экстрагируют из корня куркумы, хорошо известной пряности. Его яркий лимонно-жёлтый цвет быстро тускнеет на свету и разрушается в напитках, особенно при комбинированном воздействии света и воды, поэтому куркумином традиционно подкрашивают конфеты и леденцы, но не газировку.

Кармин

Заметим, что далеко не все природные красители соответствуют запросам современных потребителей. Например, сегодня многие производители отказываются от одного из лучших натуральных красителей – кармина Е120, дающего интенсивный и стойкий красный цвет. Почему? Да потому, что хотя кармин – краситель исключительно природного происхождения, его получают из самок насекомых кактусовой ложнощитовки Dactylopius coccus, а значит, пищевая добавка Е120 недопустима в рационе вегетарианцев. Помимо этого, она не разрешена ни в халяльной, ни в кошерной пище. Там, где возможно, кармин заменяют антоцианинами, а где нельзя – бетанином (Е162) – пигментом, входящим в состав красной свеклы. Некоторые её сорта выращивают специально для получения бетанина.

Главный недостаток бетанина в том, что при нагревании он меняет цвет с красного на коричневый и, как многие другие натуральные красители, разлагается на свету. Идеальный продукт для применения бетанина – мороженое, которое хранится в темноте и при отрицательных температурах (а чем, вы думали, подкрашивают клубничное мороженое?). Для продуктов, приготовление которых требует повышенной температуры (выпечка, зефир, некоторые виды напитков), приходится либо методом проб и ошибок подбирать природные пигменты, сохраняющие свой цвет после духовки или кипячения, либо полностью менять технологию производства, добавляя красители в уже готовый продукт.

Бетанин

Все сложности с натуральными жёлто-красными оттенками соков, конфет и выпечки, о которых говорилось выше, кажутся детским садом по сравнению с проблемами, которые возникают при необходимости придать какому-либо продукту зелёный или синий цвет. Дело в том, что природных зелёных или синих пигментов, которые сохраняют свои оттенки во время и после кулинарной обработки, куда меньше, чем оранжево-красных пигментов. Тем не менее и здесь есть варианты замены.

Заставить напиток, конфету или крем заиграть оттенками зелёного позволяет тот самый хлорофилл, что окрашивает листья растений, или его производное – хлорофиллин меди. Оба эти вещества дают насыщенный зелёный цвет; салатовую окраску можно получить, смешав любое из них с куркумином. Правда, хлорофилл и хлорофиллин меди теряют цвет в кислой среде, но производителям уже удалось найти способ его стабилизации на время, сравнимое со сроком годности большинства продуктов.

Хлорофиллин меди

Единственный доступный в настоящее время синий пигмент природного происхождения – окрашенный белок фикоцианин, который выделяют из цианобактерий (синезеленых водорослей) Arthrospira platensis и Arthrospira maxima, хорошо известных под названием «спирулина». А коль скоро это белок, применять его можно только в продуктах, имеющих нейтральное значение рН, например в твердых конфетах-леденцах.

В Европе разрешены и производные хлорофилла, и фикоцианин, а в США хлорофилл и хлорофиллин меди пока запрещены, из-за чего американским пищевикам приходится готовить зелёные пищевые красители, смешивая фикоцианин с куркумином. Общий недостаток зелёных и синих пигментов природного происхождения – чувствительность к повышению температуры.

Индивидуальные пигменты, выделенные из природных источников (или синтезированные по аналогии с природными), американские и европейские производители продуктов питания обязаны декларировать и сертифицировать. А вот обладающие цветом и также применяющиеся в качестве пищевых красителей экстракты растений – нет. В этом случае на этикетке товара пишут, что в его состав входит, например, «экстракт капусты краснокочанной».

Также в соответствии с правилами Евросоюза, вступившими в силу с ноября 2015 года, окрашенные экстракты свеклы, капусты, моркови, редиса, шпината, томатов, земляники и других растений считаются экстрактами растительного происхождения и не требуют обязательной сертификации до тех пор, пока в них сохраняется соотношение компонентов, характерное для исходного растения. Тем не менее стоит только начать концентрировать экстракт или что-то выделять из него, окрашенное вещество тут же превращается с точки зрения законодательства в пищевой краситель, применение которого требует обязательной регистрации, проверки токсичности и присвоения номера «Е». Примерно та же самая картина наблюдается и у нас, только с тем исключением, что в уже упомянутом ГОСТе Р 52481-2010 не подразумевается возможность применения окрашенных экстрактов растений неизмененного состава для использования в качестве пищевых красителей. Что же касается красителей натуральных, тут они тоже обязаны быть соотнесены с Е-индексами.

Так, например, в этом ГОСТе определяется пищевой краситель куркумин: дицинномаилметановый краситель, получаемый экстракцией из корневищ культуры Curcuma longa L., содержащий не менее 90 % красящих веществ, отвечающих максимуму оптической плотности этанольного раствора при длине волны 426 нм, представляющий собой кристаллический порошок оранжево-жёлтого цвета. Е-номер: Е100.

Технологи продуктов питания жалуются ещё на одну проблему. Если они выводят на рынок новую линейку продуктов с натуральными красителями, то всё довольно просто: у потребителя нет предубеждения по поводу цвета сока или конфеты, было бы вкусно. Иное дело продукты, которые уже давно на рынке и в которых пришлось синтетические красители заменить натуральными. Нередко в этом случае знакомый цвет изменяется довольно сильно, и потребителю это вряд ли понравится.

И в Европе, и особенно в США покупатели, привыкшие к ярким цветам синтетических пищевых красителей, без восторга относятся к тому, что привычные вкусности потускнели из-за перехода на природные пигменты. Немаловажно и то, что замена чаще всего приводит к подорожанию продукта, когда символическому, а когда и вполне ощутимому. Единственный прием, который способствует привлечению покупателей, – рекламные кампании, объясняющие, что хоть оранжевый цвет и стал тусклым, но теперь конфетам его дает натуральная морковка, а не какой-то там синтетический Е122. Однако следует отметить, что такой подход ещё больше увеличивает иррациональный страх перед всем химическим. Напомним, что вред для фигурировавших в докладе 2007 года веществ никак нельзя считать доказанным. В свою очередь, этот страх и дальше может подталкивать к изменению правил, регулирующих состав пищевых продуктов, и все это в конечном счете не приносит радости никому – ни производителям продуктов питания, ни потребителю.

2.3. Каротин

Продолжаем тему окрашенных соединений. Ассоциацией первого ряда к слову ?-каротин всегда являются ярко-оранжевые корнеплоды. Но хотя морковь и дала название этому интенсивно окрашенному соединению (латинское название подвида культурной моркови – Daucus carota subsp. Sativus), а также его близких по структуре каротинов и каротеноидов, морковь не является единственным местом, в котором локализован ?-каротин.

Каротины широко распространены в природе – достаточно очевидно, что их можно найти в оранжевой мякоти манго и тыквы, но ?-каротин также можно встретить в таких зелёных растениях, как шпинат и сельдерей, а также в зелёных листьях лиственных деревьях. Летом сочный цвет каротина перекрывается зелёным цветом поглощающего свет хлорофилла. Однако с приходом осени, когда хлорофилл разрушается, оранжевые и красные оттенки каротинов превращают леса в царство жёлтых, оранжевых и красных оттенков, которые уносит листопадом.

Одновременное присутствие в листьях растений каротина и хлорофилла не случайно. Каротин также представляет собой светопоглощающую молекулу, которая поглощает видимый свет в волновом диапазоне 440–520 нм (в синей и голубой области спектра; поглощение этих цветов означает, что сам каротин пропускает комплементарные синему и голубому жёлтые и красные цвета, чем и обусловлен его характерный цвет), таким образом способствуя процессу фотосинтеза. Способность ?-каротина поглощать свет обусловлена особенностями его химического строения. Молекулу ?-каротина можно представить следующим образом: длинная углеродная цепь, в которой чередуются двойные (9 штук) и одинарные (10 штук) связи углерод-углерод, с каждым концом цепи связан циклогексенильный заместитель (кольцо из шести атомов углерода с одной двойной связью).

Чередование двойных и одинарных связей (альтернирование кратных связей) приводит к эффекту сопряжения – электроны кратных связей делокализуются (распространяются) по всей системе сопряжения (то есть в случае ?-каротина – по всей цепи из 11 двойных (в систему сопряжения входят также по одной двойной связи с каждого циклогексенильного фрагмента) и 10 одинарных связей. Примерно такая же система сопряжения, только замкнутая, существует в молекуле бензола, которую, уважаемые читатели, вы уж точно должны помнить со школьной скамьи (если уж говорить откровенно, то в сопряженной системе, замкнутой ли, как у бензола, открытой ли, как у ?-каротина, нельзя говорить о двойных и одинарных связях в чистом виде – кратность, как число пар электронов, отвечающих за образование ковалентной связи, всех связей сопряженной системы меньше двух и при этом больше одного). Протяженная система сопряжения, делокализация электронов, в свою очередь, способствуют тому, что молекула способна поглощать свет в видимой области.

«Химическим потомком» ?-каротина можно считать ретиналь и его восстановленную форму – витамин А (ну, или если хочется – можно считать ретиналь продуктом окисления витамина А ака ретинола); и ретинол и ретиналь также представляют собой молекулы, способные к светопоглощению. Ретиналь образуется в результате окислительного расщепления центральной двойной связи ?-каротина, протекающего с участием фермента-диоксигеназы (окислителем в этом процессе является кислород или кислородсодержащие частицы, фермент же как биологический катализатор, отвечает лишь за ускорение процесса и как хороший катализатор – за его селективность, то есть избирательность).

В результате такого окисления молекула ?-каротина расщепляется на две молекулы ретиналя; каждая молекула ретиналя содержит циклогексеновый фрагмент, углеродную цепь из 9 атомов углерода, образующих укороченную вдвое, но всё ещё сопряженную систему кратных связей и альдегидную группу. Высокая химическая активность альдегидной группы обуславливает то, что альдегидная группа связывается с отвечающими за зрение белками – родопсином и йодопсином. При поглощении кванта света одна из связей ретиналя изомеризуется из транс– в цис-форму, и в итоге последующих процессов происходит возбуждение зрительного нерва и сигнал об изображении поступает в наш мозг.

Поскольку потребление с пищей ?-каротина способствует тому, что в организме увеличивается содержание витамина А и, следовательно, ретиналя, появился миф о том, что поедание большого количества моркови приведет к улучшению зрения и даже позволит приобрести такую способность, как ночное зрение. Если бы это не было мифом, исправить зрение или научиться видеть в ночи можно было бы, питаясь печенью, содержание витамина А в которой гораздо выше, чем мы можем получить из аналогичного количества моркови.

Фактически, если у вас нет авитаминоза по витамину А, большое количество ?-каротина в пище ничего не сделает с вашим зрением, единственно, что оно может сделать – окрасить вашу кожу в оранжевый цвет. Кстати, это тоже проходилось на личном примере. Моя бабушка (кстати, врач), увидев, когда мне было четыре года, что я кошу на один глаз, небезуспешно попыталась впихнуть меня столько моркови, что коленки у меня действительно порыжели (с тех пор довольно прохладно отношусь к моркови, и если в рецепте есть выбор – добавлять её в готовку или нет, то стараюсь готовить без неё).

На самом деле миф о морковке, дающей ночное зрение, появился благодаря кампании правительства Великобритании во Вторую мировую войну. Во-первых, пропагандистская информация о том, что пилоты Королевских ВВС могли эффективно действовать против люфтваффе, в том числе и в ночных вылетах, позволяла несколько маскировать более важную причину их успеха в «Битве за Англию» – сеть радарных станций, позволявших заранее обнаружить немецкие самолеты и точно отправлять истребители на перехват. Во-вторых, та же британская пропаганда убеждала гражданское население самостоятельно выращивать и потреблять в пищу морковь – она оказалась хорошей добавкой к рациону англичан во время войны, когда импорт овощей резко сократился.

Интенсивный и устойчивый цвет ?-каротина приводит к тому, что он используется в пищевой промышленности (код Е-160а) в качестве красителя, который может придать молочным продуктам различные оттенки – от светло-жёлтого до ярко-оранжевого, а также витаминной добавки (витамин А).

Препараты каротина на жировой основе могут быть использованы для подкрашивания и витаминизации молочных консервов, сгущенного молока, сливок, сыра, творога, жидких и пастообразных молочных продуктов. Часто ?-каротином «облагораживают» внешний вид маргарина, чтобы сделать его более похожим на сливочное масло – сливочное масло содержит небольшое количество каротеноидов, которые попадают в коровье молоко из основного питательного рациона травоядных.

И хотя морковь и её крестник – оранжевый ?-каротин – не дадут нам способность видеть в темноте, оранжевый корнеплод и оранжевый препарат Е-160а пусть и не играют важную роль в нашем здоровье и зрении, но делают наш мир ярче и насыщеннее.

2.4. Хлорофилл

Без преувеличения можно сказать, что мы всем обязаны когда-то давно появившейся способности зелёных растений синтезировать органику, используя солнечный свет. Этот процесс обеспечивает наше существование как непосредственно, так и косвенно – питая всё то живое, что позволяет нам существовать.

Подножие каждой пищевой пирамиды, существующей в самых различных климатических условиях, – тундра и саванна, коралловый риф и дно океана, держат на своих плечах скромные труженики биосферы – фотосинтетические организмы-продуценты, которым помогает производить первичную биомассу такая замечательная молекула, как хлорофилл.

Несмотря на то, что мы знаем про процесс фотосинтеза практически всё, что про него можно знать, он все равно кажется волшебством – превращение энергии фотонов в энергию химическую, превращение солнечного света в пищу. Древние, поклонявшиеся Солнцу, как богу, дающему жизнь всему на Земле, должны были бы внести в свой пантеон и ещё одного маленького (не по значению, а по размерам) бога-хлорофилла – все могущество Солнца без этой молекулы было бы потрачено впустую, и только благодаря хлорофиллу всё существующее многообразие форм жизни появилось практически из ничего – воздуха, воды и света.

Фотосинтез – уникальный физико-хими– ческий процесс, осуществляемый на Земле всеми зелёными растениями и некоторыми бактериями и обеспечивающий преобразование электромагнитной энергии солнечных лучей в энергию химических связей различных органических соединений. Основа фотосинтеза – последовательная цепь окислительно-восстановительных реакций с образованием углеводов и выделением кислорода (строго говоря – для самих-то растений выделение кислорода представляет собой процесс побочный или факультативный – главное, ради чего растение занимается фотосинтезом – синтез углеводов, которые затем участвуют в других обменных процессах).

Фотосинтез играет ведущую роль в биосферных процессах, приводя в глобальных масштабах к образованию органического вещества из неорганического. Гетеротрофные организмы – животные, грибы, большинство бактерий, а также бесхлорофилльные растения и водоросли – обязаны своим существованием автотрофным организмам – растениям-фотосинтетикам, создающим на Земле органическое вещество и восполняющим убыль кислорода в атмосфере.

Разработанное природой средство, позволяющее конвертировать световую энергию в химическую, представляет собой порфириновый цикл с длинными боковыми цепями. В центре порфиринового цикла, гемовой структурной единицы, практически не отличающейся от уже упоминавшегося замечательного вещества с гемом – гемоглобина, находится ион магния. Строение порфирина, а точнее – чередование одинарных и двойных связей, обеспечивает поглощение электромагнитного излучения с определенной длиной волны, из-за чего как сами порфирины, так и их комплексы с металлами зачастую имеют характерную окраску.

Боковые цепи хлорофилла производят «тонкую настройку» длины поглощающейся волны света. Существует несколько типов хлорофилла, различающихся именно строением боковых цепей, причём у высших растений, как правило, в листе одновременно два типа хлорофилла (a и b) – присутствие сразу двух видов молекул хлорофилла способствует тому, что растения более эффективно поглощают энергию Солнца.

Другие фотосинтезирующие водоросли и фотосинтезирующие бактерии имеют иной набор пигментов. Например, бурые и диатомовые водоросли, криптомонады и динофлагелляты содержат хлорофиллы a и c, красные водоросли – хлорофиллы а и d. Следует отметить, что реальность существования хлорофилла d в красных водорослях оспаривается некоторыми исследователями, которые полагают, что он является продуктом деградации хлорофилла а. В настоящее время достоверно установлено, что хлорофилл d – основной пигмент некоторых фотосинтезирующих прокариотов. Среди прокариотов цианобактерии (сине-зелёные водоросли) содержат только хлорофилл a, прохлорофитные бактерии – хлорофиллы a, b или c.

Другие бактерии содержат аналоги хлорофилла – бактериохлорофиллы, которые локализованы в хлоросомах и хроматофорах. Известны бактериохлорофиллы а, b, c, d, e и g. Основу молекулы всех хлорофиллов составляет магниевый комплекс порфиринового макроцикла, к которому присоединен высокомолекулярный спирт, обладающий гидрофобными свойствами, который придает хлорофиллам способность встраиваться в липидный слой фотосинтетических мембран.

Тем не менее главная роль в улавливании и трансформации солнечной энергии в биосфере принадлежит хлорофиллам а и b. Если хлорофилл а имеет обычную зелёную окраску, оттенок хлорофилла b в большей степени уходит в желтизну. Хлорофиллы поглощают синюю и красную компоненты солнечного света, а привычная нам зелень летней листвы (или зимней хвои) – это те цвета, которые остаются после поглощения листьями красноты и синевы.

Весной и летом хлорофилл дает листве свою зелёную окраску, но каждую осень лиственные деревья и кустарники меняют цвет своей листвы, на несколько недель принося в скучную серую осень буйство всей палитры жёлтых и красных красок. До настоящего времени считалось, что цвета золотой осени обуславливаются наличием в листьях каротиноидов и флавоноидов. Основным объяснением появления жёлто-красной окраски листьев было следующее: флавоноиды и каротиноиды содержатся и в зелёных листьях, однако их окраска замаскирована зелёной окраской хлорофилла, который разрушается осенью, прекращая маскировать жёлтый и красный цвета. Однако это лишь часть химических процессов, протекающих в листьях осенью.

Летом зелёные листья обеспечивают протекание процесса фотосинтеза, хлорофилл способствует преобразованию солнечного света в химическую энергию. Ранней осенью происходит реадсорбция наиболее важных для лиственных деревьев питательных элементов – азотсодержащих и неорганических соединений из листьев в ветви и ствол, что происходит к разрыву связи между хлорофиллом и белками, обычно способствующими его работе. Однако в свободной, не связанной с белками форме хлорофилл фототоксичен, и воздействие солнечного света на свободный хлорофилл может существенно повредить дереву. Чтобы это не произошло, дерево подвергается «детоксикации», связанной с разрушением хлорофилла.

Процесс распада хлорофилла долгое время оставался загадкой для исследователей. Около двух десятков лет назад из листвы были выделены продукты разложения хлорофилла, которые оказались бесцветными, что лишний раз добавило исследователям уверенности в том, что хлорофилл, разлагаясь, только делает видимыми другие окрашенные соединения. Тем не менее недавно было выяснено, что обнаруженные ранее продукты распада хлорофилла, считавшиеся окончательными, могут окисляться с образованием интенсивно-жёлтых соединений. Строение жёлтых продуктов распада хлорофилла похоже на структуру билирубина, природного соединения, предохраняющего клетки от повреждения.

С разложением хлорофилла связан и следующий интересный факт – зреющие бананы при облучении ультрафиолетом флуоресцируют с испусканием интенсивно синего цвета. Это синее свечение связано с разрушением хлорофилла, протекающим при созревании бананов. В результате такого расщепления бесцветные, но флуоресцирующие продукты распада хлорофилла концентрируются в банановой кожуре.

Привычный вид бананов обусловлен наличием каротиноидов, которые обуславливают жёлтую окраску банановой кожуры при нормальном освещении. При облучении ультрафиолетом созревающие бананы выглядят интенсивно синими, причем окраска не зависит от того, каким образом происходит созревание – естественным или подстегивается с помощью газообразного этилена. Зелёные незрелые бананы не флуоресцируют. Интенсивность флуоресценции определяется степенью распада хлорофилла и увеличивается по мере созревания.

В растениях хлорофиллы локализованы в мембранах клеточных органоидов – хлоропластов, именно там молекулы хлорофилла могут улавливать энергию входящих фотонов, в результате воздействия фотонов хлорофиллы переходят в возбужденное состояние. Расположение молекул хлорофилла в хлоропластах способствует тому, что энергия может передаваться между соседними молекулами, фокусируясь и умножаясь таким образом, что в итоге от молекулы хлорофилла отрывается электрон, который затем участвует в целой цепочке других химических превращений.

Реакции с участием оторвавшегося электрона создают достаточную энергию для синтеза углеводов из углекислого газа. При этом молекула хлорофилла, потерявшая электрон, регенерирует свое состояние за счёт отрыва электрона от воды, в процессе окисления воды в качестве побочного продукта фотосинтеза образуется кислород, и никогда ещё побочный продукт не был таким полезным.

Общий процесс фотосинтеза появился в результате эволюции миллиарды лет назад в зелёных бактериях, а затем закрепился как свойство клеток многоклеточных растений. По сути дела, каждый хлоропласт представляет собой реликтовый остаток древней бактерии, «взятой в заложники» современным растением из-за своей удачной способности.

Вопрос о дате «начала» фотосинтеза является одним из главных среди тех, которые обсуждаются в связи с происхождением жизни на Земле. Считается, что до появления фотосинтеза атмосфера обладала «восстановительными» свойствами – состояла из метана, аммиака и сероводорода. Фотосинтез вызвал первую «экологическую катастрофу», приведшую к исчезновению практически всех не кислорододышащих форм жизни.

Наиболее старое ископаемое свидетельство существования фотосинтетических бактерий позволяло предположить, что они появились в экологической системе Земли около 2,7 миллиардов лет назад. Тем не менее недавно полученные при изучении скальных пород свидетельства позволяют предположить, что бактерии, способные к фотосинтезу, уже существовали на Земле 3,46 миллиарда лет назад.

В настоящее время исследователи пытаются приручить процесс фотосинтеза и использовать его идею для применения солнечной энергии в солнечных батареях, системах фотокаталитического получения водорода из воды, а также в других системах, позволяющих проводить конверсию солнечной энергии в энергию химическую. Сравнительно недавно было обнаружено, что наносистемы из оксида титана (см. рассказ про диоксид титана выше) под воздействием солнечного света могут расщеплять воду на водород и кислород.

В пищевой промышленности хлорофилл используется в качестве красителя (добавка Е-141), именно хлорофилл придает зелёную окраску абсенту, о котором уже шла речь выше.

Итак, хлорофилл представляет собой не только замечательное вещество, которое дало нам всем жизнь, но и неиссякаемый источник вдохновения как для химиков и инженеров, так и для поэтов, писателей и художников.

2.5. Гемоглобин

Первая же ассоциация, которая у нас появляется к слову «кровь», – прилагательное «красная». Глубокая красная окраска крови, пожалуй, одна из самых привычных ее характеристик.

Если же посмотреть на красную жидкость, сочащуюся из раны, под микроскопом, мы увидим, что цвет крови обуславливается красными кровяными тельцами – клетками, чем-то похожими на курагу. Красная кровяная клетка, эритроцит, живет в нашем организме около 4 месяцев, и в течение всех этих четырех месяцев она делает «круг почета» по нашему телу каждые 20 секунд. Красный же цвет эритроцитов обеспечивается гемоглобином.

Гемоглобин – важный для организма многих существ (и человека, естественно) белок, точнее, сложный белок. В чем разница между простыми и сложными белками? Она достаточно проста. Простые белки представляют собой биополимеры, состоящие только из остатков аминокислот, а вот белки сложные состоят из цепи аминокислотных остатков и какой-то группы неаминокислотной природы (углеводный остаток, остаток нуклеиновой кислоты, липидный остаток и т. д.).

Гемоглобин – это не уникальный для человека белок. Фактически каждое позвоночное от рыбы до человека использует это замечательное вещество в качестве средства доставки кислорода тканям, а также вывоза из тканей одного из многочисленных отходов метаболизма человека – диоксида углерода.

Если же говорить про эритроциты, то они представляют одни из самых простых клеточных линий, вырабатывающихся телом человека (и любого другого позвоночного). В них нет ядра, генетического материала, и 95 % их сухой биомассы приходится на гемоглобин. Миссия этих клеток проста и очевидна – аэрация тканей и удаление из тканей диоксида углерода.

До 1860-х годов гемоглобин отождествляли с эритроцитом и называли «гематоглобулин» – это название отражало идею того, что речь идет о каких-то красных кровяных шариках (гемос – кровь, глобула – шар, греч.). Это соединение было открыто в 1840 году Фридрихом Людвигом Хюнефельдом: он выдавливал кровь из дождевого червя, зажимая животное между предметным и покровным стеклами микроскопа, потом позволял крови высохнуть и закристаллизоваться ее содержимому.

О роли гемоглобина в переносе кислорода впервые заявил французский физиолог Клод Бертран где-то в 70-е годы XIX века. Строение гемоглобина, как и строение многих белков, оставалось слишком сложным для того, чтобы определить его до эры такого аналитического метода химии и биохимии, как рентгеноструктурный анализ.

Полная структура гемоглобина была расшифрована в 1959 году Максом Перутцем. Это было сделано спустя шесть лет после того, как Уотсон, Крик и Розалинда Франклин использовали рентгеноструктурный анализ для расшифровки строения ДНК.

Теперь мы знаем, что гемоглобин взрослого человека (HbA) является тетрамером, состоящим из двух ?– и двух ?-субъединиц (отдельных белковых цепей, объединяющихся в составной функциональный белок). ?– и ?-цепи гемоглобина немного отличаются аминокислотной последовательностью, но имеют сходную форму, из-за чего сам тетрамер гемоглобина представляет собой почти правильный тетраэдр.

В каждой субъединице, неважно – ? это или ? гемоглобина человека, содержится по важной структурной группе (одинаковой для всех типов субъединиц) – гемовой группе. Сердцем этой группы является атом железа, находящийся в плоско-квадратном окружении четырех атомов азота, которые, в свою очередь, входят в азотсодержащее макроциклическое соединение, которое называется порфирин. Именно это железо в порфириновом цикле и является переносчиком кислорода. Поскольку молекула гемоглобина человека состоит из четырех субъединиц, всего в молекуле гемоглобина человека четыре атома железа, и, следовательно, одна молекула гемоглобина может переносить четыре молекулы кислорода.

Часто бытует мнение, что красный цвет крови обеспечивает именно железо – точно так же, как и оксид железа отвечает за красный цвет ржавчины. Однако это не более чем удачное совпадение – основная причина красного цвета крови кроется не в железе, а в окружающем его порфирине (само слово «порфирин» происходит от греческого обозначения багряно-красного цвета). Порфирины представляют собой окрашенные молекулы, цвет которых, кстати, может быть не красным – порфирин, в кольце которого находится атом магния, имеет характерную зеленую окраску и является важным структурным элементом хлорофилла – пигмента, ответственного за процесс фотосинтеза. Цвет же самого гемоглобина зависит от того, несет ли эта молекула кислорода или нет. Когда кислород «садится» на железо, форма порфирина меняется, и из-за этого гемоглобин приобретает алую окраску (цвет артериальной крови).

Кстати, не любая окрашенная в красный цвет жидкость, сочащаяся из плоти, окрашена за счет гемоглобина. Красный оттенок сырого мяса и красноватая жидкость, временами подтекающая из него (которую мы часто и при этом неправильно называем «кровью»), окрашены в красный цвет не за счет гемоглобина, а за счет миоглобина – более простой молекулы, содержащей всего лишь один атом железа, роль которой в большей степени состоит в запасании кислорода, а не в транспорте его по организму.

Гемоглобин плода человека слегка отличается по строению и свойствам от гемоглобина взрослого человека, и он более эффективно связывает кислород, чем гемоглобин взрослого человека: плод получает кислород из плаценты, но поскольку этот источник кислорода общий и для матери и для плода, очевидно, что плоду приходится «соревноваться» с материнским организмом в потреблении кислорода, и тут уж для кислорода требуется более эффективный переносчик.

Гемоглобин справляется со своей задачей транспорта кислорода хорошо, однако его работа может быть нарушена. Так, воздействие на гемоглобин угарного газа (моноксида углерода) приводит к тому, что гемоглобин превращается в карбоксигемоглобин и не теряет способность отдавать кислород тканям, которые в нем нуждаются. Складывается парадоксальная ситуация – на лице человека появляется румянец, а человек в то же время задыхается. Правда, про это тут уже упоминалось.

Помимо внешних факторов, влияющих на перенос кислорода по крови, недостаток аэрации органов может быть связан и с заболеваниями, в результате которых организм производит дефективный гемоглобин, менее эффективный во взаимодействии с кислородом. Одним из таких заболеваний является серповидно-клеточная анемия, результатом которой является и искажение структуры гемоглобина, и искажение формы красных кровяных телец.

Итак, гемоглобин играет важнейшую роль в нашем дыхании, доставляя кислород туда, где он поддерживает медленные, но необходимые процессы биохимического горения, обеспечивающие энергией наше тело. Гемоглобин – «дальнобойщик» организма с грузом, путешествующий по автобанам и проселочным дорогам кровеносной системы в колонне из эритроцитов.

2.6. Химия чайной церемонии

Есть много разновидностей чая, которые различаются цветом, ароматом и вкусом. Это разнообразие зависит в основном от способов обработки чайного листа, в частности от степени ферментации. Зеленый чай получают из листьев того же чайного куста, что и привычный для нас черный, но его подвергают минимальной окислительной ферментации (подробнее о ней мы расскажем дальше).

Будущий зеленый чай окисляют не более двух дней, после чего процесс останавливают, в результате чай (если говорить точнее – биологические компоненты чая, способные к мягкому окислению кислородом воздуха в присутствии ферментов) окисляется на 3–12 %. Белый чай по степени ферментации стоит на втором месте после зеленого. Свое название он получил по виду чайной почки, которая густо покрыта белым ворсом. В китайской народной медицине белый чай соответствует одному из пяти первоэлементов – «металлу», который традиционно ассоциируется с белым цветом. Белый чай наиболее богат антиоксидантами и кофеином. Производители элитных сортов считают его наичистейшим, хотя и степень окислительной ферментации в нём составляет 12–17 %.

На третьем месте по степени ферментации находится очень редкий сорт – желтый чай, который изготавливают из сырья высокого качества исключительно в Китае, в провинциях Сычуань, Хунань, Чжецзян и Фуцзянь. Долгое время он был доступен только владыке Поднебесной и его ближайшему окружению, желтый чай скрывали от иностранцев, а за разглашение тайны его производства строго карали. Следующий по степени ферментации – улун (черный дракон), который в идеальном варианте ферментируется на 50 %. При получении улуна ферментацию не доводят до конца, окисляя не весь чайный лист, а лишь его края и часть поверхности. Считается, что улун объединяет в себе свойства зеленого (яркий аромат) и черного чая (насыщенный вкус). Знакомый нам всем черный чай (который многие считают «нормальным» или «обычным») на родине чая, в Китае, называют красным. Для его получения листья по традиционной технологии ферментируют от двух недель до месяца. И наконец, наиболее глубоко ферментированный, или постферментированный, чай (в процессе участвуют плесневые грибки Aspergillus acidus) – пуэр. Китайцы называют его черным, и он известен своим темным цветом и характерным земляным привкусом и ароматом.

Конечно, помимо обработки, вкус и аромат чая зависят от страны произрастания растения, чьи листья превращаются в заварку. Так, в Китае растет подвид чайного куста Camellia sinensis sinensis, который предпочитает высокогорья и относительно низкие температуры. Чайный куст из индийского штата Ассам относится к подвиду Camellia sinensis assamica, и это уже не чайный куст, а скорее чайное дерево – оно может достигать пятиметровой высоты. Ассамский чай любит расти на равнинах, при высоких температурах и высокой влажности. Чай очень восприимчив к условиям окружающей среды. Почва, влажность воздуха, среднесуточная температура, количество солнечных дней и частота выпадения осадков – все это влияет на качество чая и его вкус, которые, естественно, определяются его химическим составом.

Таким образом, вкус чая создают и условия произрастания, и особенности возделывания, и, конечно, способ ферментации листов или почек. С точки зрения химика чай – сложная загадка, ведь редко какой продукт может похвастаться такой вариабельностью состава.

Хлорофиллин меди

В чайном листе содержится огромное количество химических веществ. Основная масса сухого чайного листа (до 40 %) приходится на полифенолы. Остальные 60 % – это аминокислоты, белки, в том числе, естественно, ферменты, метилксантины, к которым относятся кофеин, витамины и неорганические вещества. А еще в чайных листьях содержатся в следовых количествах около 700 летучих органических соединений, в значительной мере определяющие вкус и аромат напитка.

Больше всего в чашке чая полифенолов, а точнее, танинов (разновидность полифенолов растительного происхождения). Именно они отвечают за терпкий вкус, окраску и аромат. Считается, что танины чая полезны ярко выраженными антиоксидантными свойствами. По строению они напоминают витамин Р и так же, как и он, укрепляюще действуют на сосуды. В одной чашке крепкого чая может содержаться до 240 миллиграммов танинов. В цейлонском, индийском и яванском сортах концентрация танинов выше, отсюда их особый привкус. Чайные листья, собранные в июле или августе, содержат значительно больше танинов, чем в майские или сентябрьские листья. Возраст листа также имеет значение: количество дубящих веществ максимально не в молоденьких побегах, а в листьях постарше.

Большая часть чайных танинов – это конденсированные танины-флавоноиды, не разрушающиеся в воде, точнее, димеры 3,4-флавондиола или 3-флавонола. Значительный вклад в цвет и аромат чашки чая вносят два класса веществ фенольной природы – теафлавины и теарубигины, которые образуются из флавонолов при обработке чайных листьев.

К флавоноидам чая также относятся антоцианины, которые меняют свою окраску в зависимости от кислотности среды: в кислой среде они бледнеют, а при увеличении щелочности темнеют. Именно поэтому свежезаваренный чай теряет цвет, когда вы добавляете в него кусочек лимона. И те же самые антоцианины помогают некоторым недобросовестным проводникам поездов дальнего следования продавать жидкий чай. Рецепт прост: бессовестный работник РЖД добавляет в заварочный чайник немного соды, карбонат-ион гидролизуется до гидрокарбоната и иона ОН^—, защелачивание вызывает потемнение заварки, и разбавленный чай принимает приличный товарный вид (чего, конечно, нельзя сказать о вкусе и аромате).

Теанин в чае понижает уровень тревожности.

Физиологическое воздействие напитка из листьев Camellia sinensis не ограничивается его антиоксидантным эффектом. С древних времен известно его стимулирующее действие, а обеспечивает его кофеин (1–6 % от сухой массы чайного листа. Еще два соединения, похожих на кофеин, как и он, относящихся к метилксантинам и тоже стимулирующих нервную систему, – теобромин (кстати, в шоколаде его гораздо больше) и теофиллин. Они придают чаю его горьковатый вкус. Если заварить 2,5 грамма чая, то в чашке напитка 20–70 миллиграммов кофеина – точное количество зависит от сорта чая и времени заваривания. Для сравнения, в чашке кофе объемом 170 мл содержится 40—155 миллиграммов кофеина, то есть в крепком чае его может быть больше, чем в слабом кофе.

Кофеин с теофиллином и теобромином – не единственные компоненты чая, способные влиять на психику. В нем содержится аминокислота теанин (до 1 % от массы сухих листьев). Совместное присутствие кофеина и теанина уравновешивает стимулирующее и расслабляющее действие напитка, поэтому чай в этом плане уникален. Если кофеин отгоняет сон, то теанин понижает уровень тревожности человека, поскольку стимулирует выработку в мозге гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), самого известного тормозного медиатора; кстати, препараты на его основе обладают успокоительным и ноотропным действием. Нервная система возбуждается «правильнее», и человек функционирует гораздо более продуктивно после чашки чая, чем после чашки кофе. Теанин также облагораживает вкус чая, делает его не таким вяжущим.

Современные методы аналитической химии, например, масс-спектрометрия высокого разрешения, позволили установить химическое строение многих веществ, входящих в состав чая. Лучше всего изучен зеленый чай, но в целом этот напиток все еще остается уравнением со многими неизвестными. Например, плохо изучены химические процессы, протекающие при получении пуэра. Многие летучие органические вещества, отвечающие за запах и аромат чая, возникают только в ходе ферментации. Как мы помним, чтобы сделать пуэр, нужна длительная ферментация с участием микроорганизмов, и в результате образуется огромное количество веществ – по оценкам экспертов, около тридцати тысяч, из которых изучено менее 5 %.

Рассмотрим подробнее этот загадочный процесс. Строго говоря, ферментация чайных листьев – это окисление: полифенолы, содержащиеся в свежих чайных листьях, подвергаются воздействию кислорода воздуха в присутствии ферментов-оксидаз и превращаются в теафлавины и теарубигины. Окисление начинается сразу после сбора и ускоряется при механическом разрушении клеточных стенок листьев из-за их естественного увядания или принудительного завяливания – полифенолы, ферменты и кислород смешиваются и легче контактируют. Простым глазом мы видим, что чайные листья темнеют, а на молекулярном уровне – появляются новые вещества, отвечающие за аромат и вкус чая.

К счастью, окислением-ферментацией можно управлять, изменяя внешний вид, аромат и вкус напитка. В результате список сортов чая гораздо обширнее, чем знакомые автору с детства и юности «Тридцать шестой» и «Индийский со слоном». Например, нагревая листья в процессе ферментации, можно затормозить процесс окисления – высокие температуры дезактивируют оксидазы. Так, ферментацию зеленого чая останавливают, обрабатывая его струей водяного пара с температурой 150–180 °C.

Химический состав обработанных чайных листьев, а значит, и цвет, и аромат чая также зависят и от того, вручную или машинным способом измельчали (мацерировали) чайные листья. Существует два типа мацерации: традиционный – много-много людей сидят и разрывают листья на половинки и более мелкие кусочки, и машинный – чайные листья измельчают и свертывают с помощью специального оборудования с ножами. Во втором случае клеточные стенки разрушаются менее деликатно, повреждений намного больше. Как результат, при одинаковых условиях заваривания (соотношение воды к заварке, температура воды, время настаивания) напиток из чайных листьев, обработанных вручную, более ароматный, но светлее, тогда как чай из листьев, измельченных машинным способом, сильнее окрашен, но гораздо менее ароматен. Понятно, что чай с машинной обработкой дешевле, а чай, измельченный вручную, считается высококачественным и стоит соответственно.

Что же касается одноразовых чайных пакетиков, то иногда их заполняют так называемой высевкой (очень мелко искрошенным листовым чаем) или даже чайной пылью – самым мелким и дешевым чайным сырьем. Эта чайная мелочь хотя и обеспечивает хороший цвет чашке чая на работе (а иногда и придает стойкий цвет самой чашке), однако не может похвастаться вкусом и ароматом. Возможно, что «чайное мировоззрение» многих читателей сейчас даст трещину или перевернется, но действительность такова: интенсивная окраска чая отнюдь не говорит о его благородстве (люди, знакомые с «улучшением» чая добавками соды, давно это знают).

Как уже говорилось, именно глубина окисления чайного листа дает основную разницу между сортами чая. Наиболее окисленные сорта – это черный чай (красный в китайской терминологии) и пуэр (который китайцы считают черным). При получении этих сортов листьям сначала дают пожухнуть, после чего их «раскатывают», в результате чего листья растираются и размалываются – тем самым обеспечивается эффективный контакт полифенолов, окислителя и ферментов и начинается особо интенсивное окисление. Затем, если хотят получить черный чай, дальнейшее окисление идет в камере с контролируемой влажностью и температурой, пока листья не приобретут коричневую окраску. После окисления в черном чае остается гораздо меньше полифенолов катехиновой структуры зеленого цвета, чем в других сортах, но зато в сухом веществе привычного нам черного чая содержится до 20 % теарубигинов и около 2 % теафлавинов, образующихся в ходе окисления (а они как действуют? Это те, которые как витамин Р? В смысле чем отличается эффект на организм зеленого и черного чая. Там дальше немного есть об этом, но, может, в двух словах?). Окисление также приводит к тому, что за счет окислительной олигомеризации и полимеризации флавонолы превращаются в бисфлавонолы и производные с большим числом повторяющихся структурных флавоноловых единиц.

Что касается зеленого чая, то при его получении чайные листья практически не окисляются – ферментацию останавливают нагреванием (иногда не водяным паром, а просто на обычной сковороде) почти сразу же после сбора листьев. Принудительная остановка не дает катехинам вступать в химические превращения, и их зеленый цвет сохраняется. Желтый и белый чаи также окисляются незначительно, и эти сорта содержат больше полифенолов, чем черные сорта чая, – почти столько же, сколько в свежесобранном и необработанном листовом чае. Кстати, если надо быстрее взбодриться, то пейте зеленый чай – он обычно содержит больше кофеина, чем черный.

При получении улуна чайные листья обычно успевают окислиться в процессе завяливания. Процедура такова: завяленные листья скручивают, после чего нагревают, опять же чтобы остановить окисление. Вот почему полифенолов в улуне больше, чем в традиционном черном чае. В улуне также содержатся уникальные и характерные только для него флавоноиды – улунгомоисфлавины, а еще для него характерно переменное содержание катехинов и теарубигинов, зависящее от того, насколько глубоко зашло окисление. Эти вещества придают улуну особый привкус и аромат, который нельзя ощутить для черного чая.

В производстве чая не применяют реагенты или растворители (кислород воздуха не в счет). Единственные побочные продукты окисления – вода и углекислый газ. Поэтому чай можно считать самым чистым продуктом из всех, которые мы потребляем. Впрочем, в некоторые сорта чая производители добавляют компоненты, привносящие оригинальные вкусовые оттенки, – бергамот, цедру цитрусовых, мяту и прочие.

И бергамотовый чай, и чай с ароматом лесных ягод, и тот, что не содержит ничего, кроме сухих чайных листьев той или иной степени окислительной ферментации, вступают на нашей кухне в абсолютно одинаковые химические и физические превращения. На то, что мы в конечном счете будем пить, влияют температура воды, которую мы используем для заваривания, и время заваривания. Когда мы добавляем к чаю горячую воду, происходит экстракция фенольных производных и других веществ. В первую очередь вода извлекает из сухих чайных листьев кофеин, затем наступает очередь полифенолов; при обработке заварки очень горячей водой первыми в чашку попадают полифенолы, и тогда чай получается более горьковатый и вяжущий. Чтобы не пить очень горький чай, рекомендуют брать для заваривания воду с температурой 80–90 °C (она вполне справится с экстракцией компонентов чайного листа).

Горячая вода может также приводить к вторичным реакциям полифенолов, и, как следствие, в чае их станет намного меньше. Как показывают исследования чайных антиоксидантов, для того чтобы различные сорта напитка сохраняли полезные свойства, необходимо различное время заваривания. Так, например, черный чай лучше пить свежим – наиболее высокое содержание антиоксидантов в нем наблюдается сразу после приготовления заварки, а со временем их количество уменьшается. Белый чай, напротив, должен отстояться – его антиоксидантная способность тем выше, чем дольше чайные листья контактировали с водой. Для антиоксидантов зеленого чая время заваривания не определяющий фактор, в этом случае экстракция полезных веществ в большей степени зависит от температуры воды, и, чтобы предотвратить их термическое разрушение, при заваривании зеленого чая рекомендуется брать кипяченую воду с температурой 60–85 °C, а вот кипятком с температурой 100 °C зеленый чай можно только испортить.

Исследования показывают также и то, что при длительном контакте горячей воды с чайными листьями в чашке незначительно повышается содержание кофеина и в большей степени – полифенолов, которым требуется больше времени для экстракции (это олиго– и полимеризованные теарубигины с большой молекулярной массой), причем последние придают напитку неприятный затхлый привкус. Сильнее измельченные чайные листья (в первую очередь те, которыми наполняют пакетики) имеют бо?льшую площадь соприкосновения с водой, поэтому компоненты чая экстрагируются из них с большей скоростью – чай из пакетика заваривается существенно быстрее, чем крупные листья в заварочном чайнике или френч-прессе.

Многие любят пить чай с молоком, в Британии это вообще считают национальной традицией. О вкусах не спорят, однако надо иметь в виду, что добавка молока в чай уменьшает его полезное действие. Содержащиеся в молоке белки-казеины образуют комплексы с полифенолами чая, затрудняя их усвоение. На антиоксидантную активность чая влияет и жирность молока – чем она выше, тем меньше полезных веществ остается в чашке.

Исследований, посвященных полезному влиянию чая на организм человека, сейчас не меньше, чем статей о его ферментации. Огромное количество соединений, входящих в состав чая, интересны не только благодаря антиоксидантным и бодрящим свойствам. Катехины, теафлавины, теарубирины и полисахариды чая, как оказалось, проявляют противоопухолевую активность, они способны корректировать давление, увеличивать эластичность сосудов. Так, например, содержащийся в чае эпигаллокатехин-3-галлат оказывает расслабляющее действие на сосуды и расширяет их, снижая тем самым риск закупорки артерий и сердечно-сосудистых заболеваний. Есть результаты медицинских исследований, подтверждающие, что у людей, регулярно потребляющих черный чай в течение шести и более лет (при среднесуточном расходе заварки 10 граммов на человека), увеличивается эластичность сосудов и реже наблюдается истончение артерий, чем у тех, кто пьет чай от случая к случаю или предпочитает другие напитки.

Эпигаллокатехин-3-галлат, который дезактивируется молоком

Считают, что этим полезным свойствам черный чай обязан катехинам (они также могут образовывать комплексы с казеинами молока). Но все-таки больше изучают теафлавины черного чая – они обладают противовоспалительными и антиоксидантными свойствами. Большой интерес у медиков и специалистов по фармацевтической химии вызывает зеленый чай, поскольку в нем очень много неокисленных катехинов, в частности того же эпигаллокатехин-3-галлата. В 2016 году бразильские ученые даже обнаружили (правда, in vitro), что высокие концентрации этого вещества существенно затрудняют проникновение в клетку вируса Зика.

Человечество пьет чай на протяжении тысяч лет, но только в последние десятилетия химикам удается приоткрыть завесу тайны, скрывающей его сложный химический состав. В романе Дугласа Адамса «Автостопом по галактике» нутримат – невежественный автоматический синтезатор пищи, по его собственным заверениям, способный приготовить все что угодно, подсовывал Артуру Денту чашку с жидкостью, которая почти ничем не отличалась от абсолютной противоположности чая. Возможно, виной тому были не программный сбой или дурной характер нутримата – чудо-аппарат просто не мог воспроизвести всю сложную химию столь популярного у землян напитка.

2.7. Ботокс

Обычно нормальный человек старается избегать попадания в свой организм токсичных веществ, однако этот принцип работает не всегда – есть такое вещество, одно из самых ядовитых на Земле, за которое некоторые готовы платить, и не просто платить за него, а платить за то, чтобы именно этот яд вводили в организм с помощью инъекций. Речь конечно же идет о ботулотоксине, более известном как «ботокс».

Случаи пищевых отравлений, возможно, настолько же стары, как история человечества. Причин пищевых отравлений может быть множество – бактерии, вирусы, паразиты и токсины. Одна из самых неприятных форм пищевых отравлений – отравление мясопродуктами и в особенности колбасой. Уже в Х веке нашей эры император Византии Лев VI Мудрый (тот самый, при правлении которого Вещий Олег прибил свой щит на врата Царьграда) запретил изготовление и продажу кровяных колбас в Константинополе, да и на территории всей империи. Как полагают историки, этот шаг был продиктован частыми случаями смертельных пищевых отравлений этим продуктом. Непонятно, удалось ли увеличить качество и продолжительность жизни ромеев после этого запрета, но по иронии судьбы сам Лев VI в 912 году скончался именно от пищевого отравления.

Тем не менее систематическое описание симптомов отравления ботулотоксином не появлялось в медицинской литературе до начала XIX века, пока немецкий доктор Юстинус Кернер не описал проявления отравления, которое он назвал «ботулизмом» – от латинского названия колбасы Botulus.

Кернер значительную часть своей жизни посвятил изучению ботулинического токсина и считается крестным отцом его исследований. Проводя испытания на животных и на самом себе, он пытался выделить из колбасы неизвестный токсин, который сам называл «колбасный яд», «жирный яд» или «жировая кислота». Результаты этих исследований были опубликованы им в 1822 году в монографии, описывавшей 155 случаев отравления у человека и эксперименты на животных, в соответствии с которыми делался вывод о том, что действие токсина заключается в нарушении передачи импульса в волокнах периферической и автономной нервных систем. Кернер также предположил биологическое происхождение данного яда на основании сходства действия токсина с действием атропина и змеиного яда.

Бактерия, отвечающая за ботулизм, была открыта в конце XIX века Эмилем Пьером ван Эрменгемом, бактериологом из Бельгии. Открытие ван Эрменгема было сделано после вспышки ботулизма отравления копченым окороком в одной бельгийской деревушке в 1895 году, патогенный микроорганизм получил название clostridium botulinum. Затем было обнаружено, что существует несколько форм этого микроорганизма, которые зависят от источника. Все эти виды бактерий объединяет то, что они анаэробны: для того, чтобы они выработали опасное для человека количество токсина, необходимо отсутствие воздуха.

Симптомы ботулизма вызваны определенным токсином, который вырабатывается этими бактериями, – ботулотоксином, который впервые был выделен в начале ХХ века. Все известные образцы ботулотоксина представляют собой большие белки, молекулярный вес которых составляет 150 тысяч Дальтон (атомных единиц массы). Токсин состоит из двух субъединиц (пептидных цепочек) – тяжелой с молекулярной массой 100 тысяч Дальтон и короткой – с молекулярной массой 50 тысяч Дальтон, связанных друг с другом дисульфидным мостиком. Тяжелая цепь распознает поверхность клетки нервного волокна и связывается с клеточной мембраной, после чего клетка может абсорбировать токсин.

После абсорбции в клетку токсина начинает работать более короткая цепь. Под действием ферментного комплекса протеаз ботулотоксин начинает разрушать белки, которые высвобождают нейротрансмиттеры (например – ацетилхолин), которые отвечают за сокращение мышечной ткани. В результате в организме развивается атонический паралич – состояние, при котором мышцы не способны к сокращению. Большинство смертей, вызванных ботулизмом, связано с тем, что токсин достигает дыхательной системы, что может вызвать дыхательный паралич, в большинстве случаев несовместимый с жизнью. Средняя смертельная доза токсина для человека составляет всего 30 нанограммов, 50 граммов ботулотоксина хватило бы, чтобы уничтожить все население Земли.

К счастью, смерть от отравления ботулотоксином не является мгновенной, поэтому при своевременном обнаружении симптомов жертва отравления может получить медицинскую помощь и спастись. Предательское ослабление мышц первоначально приводит к тому, что в глазах начинает двоиться, происходит потеря мимической пластики лицом, наблюдаются трудности в глотании и нечленораздельная речь. Однако особенно опасным является детский ботулизм, особенно если дети не могут разговаривать и, соответственно описать симптомы словами.

В группе риска в плане отравления ботулотоксином находятся не только любители колбасных изделий – clostridium botulinum могут размножиться в ряде консервированных пищевых продуктов. Одним из источников ботулотоксина может быть, как это ни удивительно, мед, и именно из-за этого, равно как из-за сложностей диагностики детского ботулизма педиатры строго рекомендуют не давать мед или изделия на его основе детям до годовалого возраста. Возбудители ботулизма могут также развиваться в гнойных ранах, и этому риску подвергаются наркоманы, прибегающие к внутривенным инфекциям. Возбудитель ботулизма живет в почве, часто обнаруживается в кишечнике лошадей и других животных, реже встречается в кишечнике человека. Из почвы или испражнений споры возбудителя попадают на различные объекты и могут загрязнять пищевые продукты.

В общем, ботулотоксин выглядит как такое вещество, которого следует избегать. Однако очень тщательный контроль дозы токсина может приводить к тому, что его взаимодействие с нашими нервными клетками позволяет использовать его в терапевтических целях. Этот токсин применяется для терапии ряда спазматических состояний, косоглазия, повышенного потоотделения и даже хронических мигреней. Однако большая часть народонаселения знает ботулотоксин в виде продукта с торговой маркой «Ботокс» и главным образом благодаря его применению в косметологии.

На рубеже 1980–90 годов было обнаружено, что ботулотоксин весьма эффективен для удаления лицевых морщин, и это открытие вскоре переросло в целое направление рынка косметических процедур. Инъекция ботокса в лицо удаляет морщинки на время от нескольких недель до нескольких месяцев. Несмотря на контроль этой процедуры, иногда что-то идет не так, могут проявляться побочные эффекты как в виде, например, ротика а-ля «куриная гузка», так и (хотя и редкие) смертельные случаи. Что же касается лично меня, я остаюсь в группе риска поражения ботулотоксином.

8.8. Тетрациклин

Выше было описано, как странствующие химики XVI–XVII веков добывали стратегическое сырье для производства пороха, перелопачивая землю скотных дворов, однако получение чего-то полезного из отходов и грязи для химии является не то чтобы неординарным, а даже вполне закономерным. Этот сюжет о замечательном веществе, также «отрытым из грязи», но уже в гораздо более близкую к нам историческую эпоху, чем расцвет порохового оружия, – тетрациклине. Это замечательное вещество лишний раз подтверждает поговорку «грязь и деньги ходят вместе», но не в фигуральном, как это обычно интерпретируется, а в самом что ни на есть прямом смысле.

Открытие пенициллина, антибиотика, подавляющего и угнетающего рост и размножение болезнетворных бактерий, стало революцией в медицине. Промышленное производство пенициллина позволило спасти огромное количество жизней во время Второй мировой войны (главным образом имеется в виду – жизней американских солдат и на Тихоокеанском театре военных действий, где из-за особенностей климата любая царапина грозила инфекцией, воспалением и заражением крови). По окончании войны исследователи начали активный поиск других антибиотиков, поскольку многие фармацевтические компании хотели найти новое чудо-средство.

Тут (точнее, еще во время Второй мировой) и начинается история открытия тетрациклина. В 1943 году известный специалист по патологии растений Бенджамин Даггар достиг предельного возраста 70 лет для американского профессора и был с почестями отправлен на пенсию. Суровый мир западной науки, однако, – 70 лет и ты не имеешь право вести занятия. Однако Даггар был весьма активным 70-летним профессором в отставке и быстро нашел себе место под солнцем: его приняла в штат в качестве консультанта одна химическая компания. Может, мир суровой западной науки оказался суров, а скорее сам Даггар был полон сил, но его консультации не сводились к ритуальному похрапыванию на заседаниях, посвященных обсуждению научных проблем, крепкий старик лично работал руками в лаборатории.

Узкой специализацией Даггара были почвенные грибки. Он знал, что пенициллин выделен из грибков, и, представляя о существовании тысяч и тысяч различных видов почвенных грибков, он решил попытать счастья с другими грибками, поэтому начал собирать коллекцию почв по всей стране от восточного до западного побережья, выращивать грибки и смотреть, а не обладают ли антибактериальными средствами вещества, выделяемые этими грибками. Сформированная на новом месте работы научная группа Даггара только и успевала проводить испытания биологической активности выделений грибов.

В 1945-м исследователи обнаружили, что один из почвенных грибков, спокойно проживавших доселе в почве из поймы Миссури, выделяет кристаллы желтого вещества, проявляющего свойства антибиотика. Этот антибиотик получил название «ауреомицин» – от «aureus» – золото и «mykes» – грибы (все по латыни), а гриб, который подарил исследователям этот антибиотик, получил логичное Streptomyces aureofaciens. Ауреомицин впервые появился на рынке лекарственных препаратов в 1948 году.

Ауреомицин, он же хлортетрациклин

Этот препарат оказался первым из семейства тетрациклинов, общее название класс антибиотиков получил благодаря тому, что молекулы этих препаратов содержат четыре циклические системы, связанные друг с другом. В ауреомицине содержится атом хлора, поэтому очень часто его также называют «хлортетрациклин». Вскоре были открыты и другие антибиотики тетрациклинового ряда: в 1949 году исследователи из Pfizer выделили окситетрациклин, опять же из почвы, коммерческое название этого соединения – террамицин. Сам тетрациклин был впервые выделен в 1953-м.

Тетрациклин

Тетрациклины получили повсеместное распространение главным образом из-за определенного преимущества по отношению к антибиотикам пенициллинового ряда. Во-первых, они работают против как грамположительных, так и грамотрицательных болезнетворных бактерий, в то время как пенициллины угнетают только грамположительные микроорганизмы, а во-вторых, принимать тетрациклины можно перорально, чего нельзя сказать о большинстве пенициллинов.

Действие тетрациклинов основано на том, что ним мешают бактериям производить белки, необходимые для их жизнедеятельности. Помимо терапии тетрациклины используются в качестве пищевых добавок для некоторых видов животных, таких как свиней и птицы (травоядных, в особенности мясомолочных тетрациклинами точно не подкармливают, так как эти антибиотики неизбирательны, могут загубить кишечную флору коровы, а корова, не имея возможности сама перерабатывать целлюлозу растений в глюкозу, пользуется помощью бактерий, живущих в ее ЖКТ. Короче, сами представьте себе печальную судьбу крупного рогатого скота, потерявшего возможность переваривать свою основную пищу…). В присутствии тетрациклинов в пище свиньи и птица не только не болеют, но и растут лучше. Увы, но такой способ применения привел к увеличению количества штаммов бактерий, резистентных (то есть устойчивых) к действию тетрациклинов. К счастью, комбинированная терапия с применением тетрациклина и другого антибиотика увеличивает противобактриальное действие и не дает развиваться резистентности.

Ряд тетрациклиновых препаратов применяется до сих пор, постоянно создаются их новые модификации – это делается с помощью методики, известной как полусинтез. Суть такого подхода заключается в том, что тетрациклиновый каркас производится тружениками-грибками, а затем химики обрабатывают эти структуры напильником в колбе, модифицируя их, – такой подход позволяет избежать многих дорогостоящих стадий синтеза. Один из таких полусинтетических тетрациклинов – тигециклин, который проявляет активность по отношению к известному возбудителю больничных инфекций – метицилин-резистентному золотистому стафилококку, начал использоваться в клинической практике с 2005 года. Считается, что наиболее эффективный антибиотик тетрациклинового ряда – доксициклин, который справляется с возбудителями бубонной чумы и лихорадки Лайма.

Доксициклин

Однако самым интересным моментом в истории про тетрациклины является то, что сам тетрациклин применялся в качестве антибиотика еще во II тысячелетии до н. э. людьми, которые не шибко морочились ни проблемами борьбы с бактериальными инфекциями, ни проблемами гигиены. Три десятилетия назад Джордж Армелагос, антрополог из Университета Эмори (США), изучал человеческие кости представителей нубийской цивилизации, располагавшейся когда-то на территории современного Судана. Было обнаружено, что при облучении ультрафиолетом кости давали желто-зеленый флуоресцентный сигнал, характерный для тетрациклина, затем тетрациклин был обнаружен в костях с помощью метода масс-спектрометрии.

Дальше – больше: анализы показали, что тетрациклин принимали все члены общины, останки которых антропологи анализировали, – даже дети. Предполагается, что причина малоестественной подпитки антибиотиками – древнее нубийское пиво – ферментированная кашица, ничуть не напоминающая пиво сегодняшнее. Зерно, использовавшееся пивоварами, хранилось в грязных емкостях, в которых почвенные микроорганизмы Streptomyces цвели и размножались, вырабатывая тетрациклин. В результате оказалось, что товарищи из Нубии, потреблявшие это пиво, отличались немеряным по тем временам здоровьем: анализ костей показал, что их обладатели не болели инфекционными заболеваниями, – тот самый случай, когда пиво с утра было не только вредно, но и полезно.

История тетрациклина интересна и поучительна. Случайно выведенное в грязных чанах нубийскими пивоварами, это вещество было осознанно найдено в грязи спустя века и используется до сих пор.

2.9. Лидокаин

Когда-то давно, в 1996 году в прорабатываемых мною тренировочных заданиях для команды школьников Российской Федерации – потенциальных участников Международной химической олимпиады, мой взгляд зацепился за фразу: «Сидя в кресле стоматолога, химик в первую очередь хочет знать, из чего сделан материал для зубной пломбы». Тогда мне казалось, что, сидя в кресле стоматолога, любой человек, в том числе и химик, думает о том, когда же он сможет из этого кресла выбраться. Шли годы, и после очередного визита к зубоврачевателю я понял, что помимо интереса к тому, сколько еще осталось терпеть его упражнения по гравировке моих зубов, у меня таки появляется интерес к химии стоматологического дела, и я решил собрать про одно из веществ – то, которое маскирует неприятные ощущения при удалении и сверлении зубов, чуть побольше информации. Это вещество – лидокаин.

История лидокаина началась в 1943 году в душном подвале одного из корпусов Университета Стокгольма: два молодых человека сидели друг напротив друга – один был обнажен по пояс, а другой держал в руках шприц, заполненный раствором адреналина.

Хотя дело происходило в разгар Второй мировой в городе, который был наводнен шпионами всевозможных разведок, обнаженный по пояс молодой человек (это был студент Бернгт Люндквист) вовсе не был привязан к стулу и не готовился к допросу с пристрастием. Люндквист вместе с другом и коллегой, молодым преподавателем Нильсом Лофгреном испытывали препарат, который получила группа химиков-органиков, работавших под руководством Лофгрена.

Люндквист только что сделал себе инъекцию раствора белых кристаллов, синтезированных еще одним химиком из этой группы – Ингой Фишер (Inga Fischer). Вещество, которое тогда еще называлось просто LL30, было новым анестетиком. Внезапно во время этих испытаний пульс Люндквиста упал до 25 ударов в минуту, и студент начал терять сознание, и Лофгрен вернул подчинённого к жизни с помощью адреналинового шприца – обо всем этом как о смешном казусе гораздо позже, в 1960-е годы Лофгрен рассказывал в одной из телепередач, куда его пригласили.

Лидокаин

В итоге оказалось, что в малых концентрациях LL30 практически безопасен, и опять же – объектом для подбора таких концентраций были собственные пальцы ученых. Но и даже подобрав безопасную для работы сердца дозу LL30, Люндквист и Лофгрен обнаружили один побочный эффект нового болеутоляющего – оно понижало координацию движений, и химики, добиравшиеся с работы до дома на велосипедах, управлялись с железными конями не без труда.

В наши дни соединение LL30 известно под названием «лидокаин», и оно избавило огромное количество людей (в том числе и меня) от страха перед дантистами именно благодаря своему применению в стоматологии. Небольшой укольчик лидокаином «замораживает» ваш рот так, что вы не чувствуете ни бормашину, ни щипцы зубоврачевателя или зубоудалятеля соответственно. Это замечательное соединение применяется в виде анестетика с 1946 года, первоначально оно фигурировало на рынке под названием «ксилокаин», так как его долгое время считали производным углеводорода ксилола.

Чаще всего мы сталкиваемся с лидокаином в зубном кабинете, хотя он (лидокаин, конечно, а не зубной кабинет) применяется для местной анестезии и в других областях медицины, где его вводят либо также с помощью инъекции, либо в виде крема-пасты. Еще одно медицинское использование лидокаина – средство против аритмии, эта его роль стала знаменитой после того, как в 1960 году лидокаин использовался для лечения болезни сердца президента США Дуайта Эйзенхауэра.

После своих успешных (хотя и балансировавших на грани дозволенного) экспериментов Люндквист и Лофгрен продали права на препарат небольшой фармацевтической компании. Права были проданы за небольшую сумму денег и значительную долю от последующих доходов компании.

Вот тогда и началась история фармацевтического гиганта – компании Astra, которая в 1999 году объединилась с британской Zeneca. Продажа за долю от прибыли оказалась удачным вложением – в пятидесятые годы Лофгрен входил в первую двадцатку датчан с наиболее высокими доходами, заметим, получая значительно больше денег, чем высший менеджмент Astra. Увы, но в наше время такое распределение прибыли между собственно изобретателем и менеджерами компании, эксплуатирующей его изобретение, кажется невероятным.

И еще одна вещь, которая отличает ситуацию с продвижением лидокаина на рынки тогда от ситуации с продвижением нового препарата на рынки сейчас. В своей докторской диссертации Лофгрен описывал лидокаин как синтетический анестетик, и, очевидно, в наши дни это словосочетание насторожило бы многих, предпочитающих «натуральные» препараты. В данном случае использовать натуральный заменитель лидокаина не стоит: в большинстве стран такая замена может закончиться тюремным сроком, поскольку единственной полностью несинтетической и «натуральной» альтернативой лидокаину является кокаин. На самом деле, конечно, лидокаин не встречается в природе, ни одно растение его не вырабатывает, но и лидокаин, и другие местные анестетики из того же класса соединений, что и лидокаин, представляют собой не что иное, как вещества, при получении которых ученые в качестве «шаблона» брали молекулу кокаина, пытаясь получить соединение, способное к местному обезболиванию, но лишенное нежелательных побочных эффектов, характерных для кокаина.

Новокаин

До лидокаина наиболее часто применявшимся в клинической практике анестетиком был новокаин. Лидокаин при этом является шагом вперед – в водном растворе новокаин быстро разрушается, и для инъекции необходимо готовить свежий его раствор, что не всегда удобно. Благодаря замене фрагмента – С(О) – О– на фрагмент – С(NH) – О– лидокаин гораздо более устойчив в водном растворе.

Главными молекулярными мишенями этих и новокаина и лидокаина являются белки, образующие к клетке ионный каналы нейронов. Анестетики блокируют эти каналы, останавливая поступление в нейроны ионов натрия, с помощью которых клетки передают сигналы, которые расшифровываются нашим мозгом как болевые ощущения.

Люндквист недолго наслаждался славой и удачей – он погиб в результате несчастного случая в 1953 году; удивительно, но этот несчастный случай не был связан с экспериментами, которые он любил ставить на себе. Лофгрен некоторое время занимал должность профессора органической химии в Университете Стокгольма, однако из-за трений с администрацией университета и несогласия с путем развития шведской системы высшего образования подал в отставку в 1964 году. Процент отчислений «за лидокаин» позволял вести ему безбедную жизнь, но и он не успел ею насладиться, умерев в 1967 году.

И только Инга Фишер, впервые проведшая синтез лидокаина, реализовала себя как химик. Бросив в итоге синтетическую работу, она занялась квантовой химией и в итоге стала почетным профессором Университета Стокгольма. Она умерла в возрасте 90 лет, в 2008 году через семь лет после того, как AstraZeneca продала большую часть своего бизнеса, связанного с лидокаином. Правда, к тому времени срок действия патента Лофрена и Люндквиста уже истек.

2.10. Галоперидол

История галоперидола похожа на историю многих лекарственных препаратов – разрабатываем рецептуру против одного, а получаем средство для другого. Наиболее известный препарат из рабочей аптечки психиатров был найден в процессе разработки синтетических болеутоляющих препаратов.

В 1950-х годах бельгиец Поль Янссен, сын хозяина фармацевтической фабрики, решил арендовать у своего отца помещение фабрики, открыть, говоря современным языком, инновационный стартап, – Janssen Laboratories и заняться разработкой новых фармацевтических препаратов. Впереди было превращение Janssen Laboratories в Janssen Pharmaceutica, а в 1961 году – слияние с Johnson & Johnson, открытие ВОСЬМИ фармпрепаратов, вышедших на рынок, но это было впереди.

Одним из первоначальных направлений работы Поля Янссена была попытка разработки мощного анальгетика, способного заменить популярные в то время болеутоляющие-опиаты – морфин и декстоморамид. Янссен и его друг и коллега Арнольд Бекетт (Arnold Beckett) разработали собственную стратегию – они решили получить вещества, похожие на синтетический опиоид меперидин, впервые синтезированный в 1939 году.

Чтобы избежать обвинения в копировании чужих работ от других химических компаний, Янссен и Бекетт значительно изменили строение меперидина, получив бутирофенон, который получил название «R 1187». Далее исследователи взяли за основу бутирофеноновый скелет и начали получать производные «R 1187», варьируя заместители в бензольных кольцах и других позициях. Сорок четыре производных «R 1187» оказались веществами, практически не проявлявшими биологическую активность, и только производное № 45 (препарат «R 1625», из-за двух атомов галогенов – фтора и хлора, входивших в структуру, позднее получивший название «галоперидол») стало одним из наиболее важных лекарств ХХ века.

Препарат «R 1625» вел себя отлично от анальгетиков: если опиоиды, снижая болевые ощущения у мышей, возбуждали мышей и те как бешеные носились по своим клеткам, мыши, получившие дозу «R 1625», возбуждались только на 15 минут, после чего успокаивались и переходили в сонно-неподвижное состояние. Исследователи заметили, что воздействие галоперидола на мышей сходно с воздействием первого синтетического нейролептика, хлорпромазина (аминазина), полученного за семь лет до галоперидола. В последующие десятилетия аминазин и галоперидол стали самыми известными препаратами-нейролептиками.

Считается, что механизм действия галоперидола связан с блокадой дофаминовых рецепторов в гипоталамусе. Предполагается, что дисбаланс допамина играет важную роль в течении психических расстройств шизофренического типа, в особенности – ее психотических симптомов.

Галоперидол блокирует допаминовые рецепторы мозга за счет того, что связывается с ними прочнее, чем сам допамин, блокировка этих рецепторов в свою очередь приводит к тому, что гипоталамус прекращает выработку. Хотя галоперидол и «садится» на допаминовые рецепторы, его взаимодействие с допаминовыми рецепторами не вызывает у организма отклик того же типа, что вызывает допамин (чувство удовольствия, повышение активности), скорее работая в обратном направлении и понижая активность организма.

В настоящее время галоперидол применяют при шизофрении, маниакальных состояниях, бредовых расстройствах, при олигофренических, инволюционных, эпилептиформных, алкогольных психозах и других заболеваниях, сопровождающихся галлюцинациями, психомоторным возбуждением. В случае алкогольного делирия со зрительными галлюцинациями под влиянием галоперидола быстро наступает моторное успокоение и исчезают галлюцинации. Существует ретардная форма препарата – галоперидола деканоат, с возможностью однократной инъекции 1 раз в 4 недели. Пролонгированность действия декаоната галоперидола связана с тем, что сложноэфирный фрагмент этого вещества в организме медленно гидролизуется, что обеспечивает постепенное попадание активной формы – самого галоперидола в кровь пациента.

Клинические испытания галоперидола (тогда еще известного как препарат «R 1625») на людях начались спустя всего семь недель после его синтеза, действие препарата изучали бельгийские психиатры. В 1958 году испытания галоперидола были завершены, после чего были опубликованы результаты этого небольшого (по количеству вовлеченных пациентов) исследования; в 1959 году было проведено уже более масштабное исследование, опубликованы его результаты, а также проведена международная конференция по вопросам действия препарата «R 1625». Всё это способствовало быстрой раскрутке галоперидола в Европе, и с 1959 года (в котором, помимо всего, препарат получил свое знакомое название «галоперидол») «R 1625» начинает своё движение к титулу самого известного нейролептика.

Следует отметить, что хотя европейские психиатры начали применять галоперидол на практике уже через год после его синтеза, в американскую психиатрию он вошел только в конце 1960-х, спустя десятилетие после начала триумфального захвата Европы – на это повлияли и принятые в США в 1962 году поправки в правила введения новых препаратов, ужесточавшие контроль в области безопасности препаратов, и дискуссии американских психиатров на тему того, что гуманнее в лечении психических расстройств – электрошок или применение химических препаратов и, конечно, проблемы с авторскими правами и патентным законодательством.

Галоперидол внесен Всемирной организацией здравоохранения в перечень жизненно необходимых и важнейших лекарственных препаратов.

2.11. Талидомид

История талидомида представляет собой одну из самых тяжелых страниц в истории фармацевтики ХХ века, но из песни слов не выкинешь. В 1954 году немецкая фармацевтическая компания Chemie Gr?nenthal проводила исследования с целью разработать недорогой способ производства антибиотиков из пептидов. В ходе исследований работниками компании был получен препарат, названный ими талидомид (thalidomide), после чего начались изучения его свойств для определения сферы его применения.

Изначально талидомид предполагалось использовать как противосудорожное средство, однако первые опыты на животных показали, что подобными свойствами новый препарат не обладает. Однако было обнаружено, что передозировка препарата не убивала подопытных животных, что дало основание считать препарат безвредным.

В 1955 году Chemie Gr?nenthal неофициально выслала бесплатные образцы препарата разным докторам Германии и Швейцарии. Люди, принимавшие препарат, отметили, что хоть он и не проявляет противосудорожных свойств, он оказывает успокаивающий и снотворный эффект. Принимавшие препарат люди рассказывали, что они испытали глубокий «естественный» сон, длящийся всю ночь.

Действие препарата впечатлило многих терапевтов, безопасное успокаивающее и снотворное средство выделялось на фоне существующих снотворных препаратов. Безопасность передозировки (случайной или при попытке суицида) препарата особо отмечалась в дальнейшем при продвижении этого продукта на рынке.

В 1957 году препарат был официально выпущен в продажу в Германии, в апреле 1958 года в Великобритании. В августе 1958 года от компании Gr?nenthal кому-то поступило письмо, в котором отмечалось, что «талидомид – лучшее лекарство для беременных и кормящих матерей». Этот пункт почти сразу же был отражён в рекламе средства, несмотря на то, что исследования влияния препарата на плод не проводились. Талидомид стал успешно применяться для устранения неприятных симптомов, связанных с беременностью, таких как бессонница, беспокойство, утренняя тошнота.

25 декабря 1956 года в городе Штольберг в семье сотрудника Chemie Gr?nenthal родилась дочь без ушей. Этот сотрудник давал своей беременной жене ещё не выпущенный официально талидомид, который он взял на работе. В то время связи между приёмом препарата и пороком развития плода никто не усматривал, появление детей с врождёнными физическими дефектами неоднократно наблюдалось и ранее. Однако после поступления талидомида на рынок число рождающихся детей с врождёнными уродствами резко возросло. В 1961 году немецкий врач-педиатр Ганс-Рудольф Видеманн обратил внимание общественности на эту проблему, охарактеризовав её как эпидемию.

В конце 1961 года, почти в одно время, профессор Ленц в Германии и доктор Макбрайд в Австралии выявили связь между возросшим числом врождённых пороков у новорожденных и тем фактом, что матери этих детей принимали талидомид на ранних сроках беременности, и в декабре 1961 года препарат был отозван с рынка. Всего, по различным оценкам, в результате применения талидомида порядка 40 000 человек получили периферический неврит, от 8000 до 12 000 новорождённых родились с физическими уродствами, из них лишь около 5000 не погибли в раннем возрасте, оставшись инвалидами на всю жизнь.

Причиной побочного эффекта оказалось то, что молекула талидомида может существовать в виде двух оптических изомеров – право– и левовращающего (R– и S-изомеров). Один из них (R) обеспечивает терапевтический эффект препарата, в то время как второй (S) является причиной его тератогенного воздействия. Поскольку в организме зеркальные изомеры талидомида способны переходить друг в друга, препарат, состоящий из одного очищенного изомера, не решает проблему тератогенного воздействия.

В течение полувека после скандалов, связанных с применением талидомида, исследователи долго не могли установить точный биохимический механизм, определяющий тератогенное воздействие «сильнодействующего средства», которое проявляется в укорочении или недоразвитии конечностей, деформации органов слуха или пороках развития пищеварительной системы.

Исследователи из Японии в 2010 году пролили свет на эту загадку – они обнаружили белок, который связывается с талидомидом; это связывание может объяснить причины неправильного эмбрионального развития. Исследование может помочь в разработке менее опасной версии талидомида, который до сих пор используется в терапии проказы, а также множественной миеломы и других тяжёлых онкологических заболеваний.

Для изучения механизма воздействия талидомида на организм Хироси Ханда из Института технологии Токио разработал наноразмерные магнитные бусины (диаметром до 200 нанометров), которые могут связываться с лекарственными препаратами и другими биологически активными соединениями. Внесение лекарств, связанных с магнитными бусинами, в клеточные экстракты позволяет исследователям определить, с какими белками или другими биологическими молекулами могут связываться эти препараты. Разработанная методика была успешно использована для определения судьбы талидомида в организме.

Было обнаружено, что талидомид связывается с малоизвестным белком – цереблоном (cereblon), этот белок интенсивно вырабатывается как в эмбриональных тканях, так и в тканях взрослого организма. Дальнейшие эксперименты показали, что блокировка выработки цереблона в организме полосатой перцины (Percina caprodes) приводит к таким же дефектам развития плавников, к каким приводит введение в их организм талидомида. Более того, эмбрионы рыб и цыплят, генетически модифицированные таким образом, что «их» цереблон не связывался с талидомидом, развивались нормально, не подвергаясь тератогенному воздействию препарата.

2.12. Рицин

Рицин представляет собой чрезвычайно токсичный белок, который локализуется в незрелых семенах клещевины обыкновенной (Ricinus communis) – касторовых бобах. Возможно, что рицин является природной защитой растения от всяких пташек и животинок, собирающихся полакомиться незрелыми плодами: по мере созревания бобов содержание рицина в них падает, а в касторовых бобах, готовых к прорастанию, рицина практически нет.

Рицин, если так можно выразиться, представляет собой весьма эффективный токсин – в соответствии с оценками в десятке незрелых касторовых бобов содержится достаточно рицина, чтобы отправить на тот свет среднестатического взрослого человека, однако дать ему проглотить эти десять (или более) бобов бессмысленно – защитная оболочка касторовых бобов позволит им совершить увлекательное путешествие по внутреннему миру человека (по крайней мере его пищеварительной системе) и выйти наружу неизмененными.

Для приготовления смертельного препарата надо извлечь рицин из семян, и даже для чистого препарата рицина пероральный прием окажется менее эффективным, чем отравление через дыхательную систему или с помощью инъекции (поскольку рицин белок, то в пищеводе и в желудке он успевает существенно гидролизоваться и в кровь попадает не вся эффективная порция). Тем не менее при убийстве человека рицином с помощью инъекции достаточно лишь небольшой дозы – от 200 до 500 микрограммов – таким количеством можно смазать острие иголки.

Именно инъекция с помощью укола рицином использовалась при убийстве болгарского диссидента Георгия Маркова в Лондоне в 1978 году. Говорят, что он умер вследствие укола зонтиком (как в старой комедии с Ришаром), но это было не совсем так. Он стоял на автобусной остановке, когда незнакомец подошел к нему, Марков почувствовал укол и увидел зонтик, оброненный на тротуар. Подумав, что это была чья-то шутка, Марков не придал этому внимания, однако умер через четыре дня от отравления, а вскрытие показало не только факт отравления рицином, но и наличие вместе укола миниатюрной пульки, на которой были обнаружены следы рицина, так что, как полагают следователи, это был не совсем зонтик, а замаскированное «под зонтик» стреляющее иголками пневматическое ружье – гаджет, достойный агентов, номера которых начинаются с двух нулей.

Токсическое действие рицина на человека хорошо изучено из-за частых случаев отравлений касторовыми бобами. Первые симптомы поражения (геморрагия сетчатки глаз) наступают не ранее чем через 15 часов. Отравление сопровождается появлением тошноты и рвоты, сильной болью в области живота, кровавым поносом, возникновением судорог, прострации и коллапса. Как правило, смерть наступает через 6–8 дней. При летальной интоксикации характерны тяжелые поражения печени и селезенки, геморрагические явления в желудочно-кишечном тракте, лимфатических узлах брюшной полости и сильные изменения в ультраструктуре почек. Лечение отравления рицином может быть следующее: промывание желудка через зонд взвесью активированного угля; введение обволакивающего средства; для предотвращения осаждения гемоглобина в почках рекомендуется ощелачивание мочи.

Возможность применения рицина в качестве оружия массового поражения рассматривалась давно, однако, к счастью, он не занял место в арсенале боевых отравляющих веществ, этих «атомных бомб для бедных». Армия США изучала возможность применения рицина в боевых действиях еще во время Первой мировой войны, однако тогда был сделан вывод о том, что рицин не имеет видимых преимуществ по сравнению с хлором и ипритом. К теме рицина возвращались и во время Второй мировой, однако и тогда он был забракован, и на замену «малоэффективным» хлору и иприту пришли эфиры фосфористой кислоты – зарин и зоман. Некоторые, впрочем, так и не подтвержденные документально, сообщения указывают на то, что рицин, возможно, был использован в ходе ирано-иракской войны в 1980-е годы. В 1995 году Ирак задекларировал инспекции ООН существование у него десяти литров раствора рицина. По сообщениям американцев, некоторое количество рицина было обнаружено в пещерах «Аль-Каиды» в Афганистане. Проводились разработки способов использования рицина в мирных целях – для лечения рака, а также при вакцинации, однако эти попытки также оказались неэффективными.

Одной из причин, по которым рицин так и не стал «популярным» оружием массового поражения, является отсутствие антидота от этого токсина (по крайней мере, на настоящее время такой антидот так и не найден), а в боевых условиях антидот нужен при лечении своих собственных солдат, случайно получивших «дружественное» отравление своими боевыми отравляющими веществами. Увы, но рицин давно печально известен как химическое оружие террористов, и средствами доставки в данном случае являются не снаряды, ракеты и авиабомбы, а почтовые конверты.

16 апреля 2013 года сенатору США Рождеру Уикеру по почте пришло письмо, в котором находился белый порошок, предположительно рицин. До Роджера Уикера подобные письма приходили и другим сенаторам США. В феврале 2004 года конверт с рицином, направленный в офис сенатора от штата Теннесси Билла Фриста, привел к временному закрытию трех зданий верхней палаты конгресса США. Конверты с белым порошком, содержащие предположительно рицин или иной яд, за последние несколько лет неоднократно получали политики, госчиновники, редакции СМИ и штаб-квартиры компаний как в США, так и в других странах мира. Пик сообщений об опасной корреспонденции пришелся на 2008 год.

Опять же, к сожалению, контроль за распространением этого яда, по крайней мере за источником, из которого он извлекается, достаточно непросто наладить – клещевина культивируется именно из-за своих плодов – касторовых бобов, из которых добывают касторовое масло. Касторовое масло применяется для консервации древесины и кожи, получения некоторых типов тормозных жидкостей и смазочных масел, а жом касторовых бобов представляет собой источник, из которого рицин таки можно извлечь. Единственно, что утешает – в бобах, из которых удобно получать масло, рицина уже мало, да и будучи белком, это соединение при неправильных условиях хранения (в которые входят и условия хранения отходов производства касторового масла) рицин быстро гидролизуется и теряет токсические свойства.

2.13. Парабены

Химия потребительских товаров, в особенности – химия косметических средств является тем самым полем боя, на котором ломаются многочисленные копья. Непонятные названия, содержащие большое количество букв и цифр, приводящиеся в аннотациях и рецептурах косметических средств, шампуней и других средств личной гигиены, могут отпугивать потенциальных потребителей, особенно тех, кто не хочет контактировать с «синтетическими продуктами». Все это приводит к тому, что маркетологи, обслуживающие рынок косметических препаратов, разрываются между двумя противонаправленными тенденциями – желанием расписать свойства своих продуктов и как результат новых научных разработок, и как сочетание традиционных и безопасных натуральных компонентов, традиционно воспринимающихся многими как безопасные и заслуживающие доверия.

Одна из последних историй ожесточенных споров о пользе и вреде компонентов косметики – это дискуссии по поводу семейства консервантов, известных как «парабены», которые можно обнаружить в косметике, шампунях и зубных пастах, также парабены применяются в качестве пищевых добавок, работающих как противомикробные и противогрибковые агенты, существенно продлевающие срок годности пищевых продуктов.

Парабены – сложные эфиры пара-гидроксибензойной кислоты, которая и дала название парабенам. Наиболее распространенные парабены: метилпарабен (E218), этилпарабен (E214), пропилпарабен (E216) и бутилпарабен. Реже встречаются изобутилпарабен, изопропилпарабен, бензилпарабен, гептилпарабен (E209). Натриевые соли парабенов (например, E217) используются при необходимости увеличения растворимости в воде. Хотя эти эфиры пара-гидроксибензойной кислоты, сиречь парабены, могут вырабатываться растительным и организмами и, следовательно, встречаться даже в так называемых «органических продуктах», все парабены, находящие коммерческое применение, получаются в результате химических синтезов.

Парабены были открыты в начале XX века и уже с 1925 года стали применяться для консервирования продуктов, быстро вытеснив ранее применявшиеся для промышленного консервирования бензойную и салициловую кислоты в первую очередь потому, что действовали лучше и их можно было использовать в меньших концентрациях.

В пищевых продуктах содержание парабенов колеблется от 0,04 до 0,1 %. Их концентрация рассчитывается на килограмм массы тела – так, чтобы содержание парабенов было менее 10 мг на 1 кг из расчета норм потребления пищи. В России пока для косметических и лекарственных препаратов установлена максимальная дозировка одного парабена (0,4 %) и смеси парабенов в одном продукте (0,8 %). В лекарственных препаратах чаще всего применяется синергическая смесь метил– и пропилпарабена в соотношении от 2:1 до 4:1.

Вот перечень некоторых лекарственных средств, которые содержат парабены, если изготовляются в определенной форме, требующей наличия консервантов. Мази: «Акридерм», «Апилак», «Ацикловир», «Гидрокортизон», «Гиоксизон», «Диклофенак», «Микозолон», «Оксизон», «Преднизолон», «Триакорд», «Фторокорт», «Хондроксид»; кремы: «Акридерм», «Кандид Б», «Литикорд», «Пимафукорт», «Скинкап»; гели: «Лидокаин», «Луан гель», «Солкосерил», «Флуцинар»; линименты: «Синафлан»; сиропы: «Клиренс», «Коделак»; суспензии: «Клотримазол»; суппозитории: «Апроксид», «Нистатин», «Релиф». Концентрация в различных лекарственных формах колеблется от 0,01 до 0,08 %.

Проблема с парабенами в общественном сознании началась в 2004 году, когда Филиппа Дабре (Philippa Darbre) опубликовала работу, где, в частности, говорилось, что парабены были обнаружены ею в высоких концентрациях в клетках рака груди. Заметим, в статье не говорилось о причинно-следственной связи между использованием продуктов, содержащих парабены, и раком, да и ее выводы были сделаны по двум десяткам случаев. Тем не менее пропущенное через сито пресс-релизов газет и журналов публикация заставила задуматься миллионы потребителей, а также производителей парабенов, о том, стоит ли продолжать их употреблять и производить.

Сразу появились всевозможные факты «за» и «против». Например, противники парабенов утверждали, что эфирные формы, обнаруженные в опухоли груди, указывают, что они происходят от чего-то такого, что наносится на кожу, например подмышечного дезодоранта, крема или спрея для тела. В подтверждение данной гипотезы выдвигался еще один аргумент: 60 % всех опухолей груди обнаруживается в верхнем внешнем квадранте – самом близком к подмышкам. Другое исследование, проведенное на рыбах, которым производили инъекции парабенов, показало, что у этих рыб развиваются различные нарушения репродуктивной функции. А если сюда прибавить еще и эстрогенную активность парабенов, то становится ясно, какова «причина» рака груди у женщин.

Методология работы Дарбре неоднократно критиковалась: исследовательницей было взято всего 20 образцов тканей опухолей груди (высокая концентрация парабенов была обнаружена в 18 из 20 случаев), но несмотря на 90 %-ное совпадение, результаты нельзя считать статистически достоверными, поскольку на основании всего 20 проб нельзя делать выводы обо всех случаях рака груди, которые существуют на нашей планете.

Исследование, проведенное на рыбах, оказалось тоже не идеальным: дозы парабенов, вводившиеся рыбам, были выше максимально допустимых, а чтобы рыба получила данный парабен в том же объеме из воды, она должна была плавать в 0,3 %-ном растворе, что просто несовместимо с ее жизнью.

В 2005 году был опубликован обзор всех данных, которые имелись к тому моменту, и сделан вывод о том, что парабены не могут увеличивать риск появления рака груди, влиять на мужские половые функции или провоцировать развитие любых обусловленных эстрогенами заболеваний, а даже если это было бы возможно, то парабены представляют собой вещества гораздо менее опасные, чем фитоэстрогены (вещества растительного происхождения, полученные без всякой синтетической химии) в пищевых продуктах.

Косметика, включающая в свой состав парабены, не представляет угрозы для здоровья, так как, во-первых, в косметических продуктах содержатся небольшие дозы и концентрации парабенов, а во-вторых, вероятность того, что парабены будут, не метаболизируясь, проникать в ткани и накапливаться там, чрезвычайно мала. После чего Американское онкологическое общество сделало вывод о недостаточности доказательств для утверждения, что использование какой-либо косметики увеличивает индивидуальный риск развития рака груди.

В 2008 году французские ученые рассмотрели 59 публикаций о связи парабенов и рака груди и заявили, что «нет научных доказательств в поддержку выдвинутых гипотез», бесполезно заниматься исследованиями данной темы и что дезодоранты не являются факторами риска для рака груди.

Наконец, в 2010-м Д. Годфри опубликовал статью, представив обзор исследований по токсичности парабенов с 1997 года. Исследования острых и хронических эффектов на грызунах показали, что парабены практически нетоксичны. Состав парабенов в исследованных опухолях указывает на их некосметический источник. В исследованиях in vivo эффект бутилпарабена был приблизительно в 100 тыс. раз слабее эффекта эстрадиола и наблюдался при дозах приблизительно в 25 тыс. раз выше обычно применяемых при консервации продуктов. Исследования также обнаружили, что эстрогенная активность парабенов in vivo меньше на три порядка (в 1 тыс. раз) по сравнению с активностью in vitro. А метилпарабен вообще не обладает эстрогенной активностью, то есть, как это часто бывает, все доводы о вреде парабенов гораздо оказались значительно преувеличенными, и, как это часто бывает, влияние парабенов на здоровье гораздо меньше, скажем, табакокурения или регулярного потребления спиртного.

Тем не менее маховик формирования общественного мнения был уже запущен, и в 2006 году Европейская научная комиссия по потребительским продуктам пришла к следующему заключению: доступные данные по парабенам не позволяют дать ответ на вопрос, могут ли пропил-, бутил– и изобутилпарабены безопасно использоваться в косметических товарах при концентрации до 0,4 %, которая разрешена в европейских странах, – необходимы дальнейшие исследования. В результате таких заявлений появилась целая ниша на рынке – «продукты, не содержащие парабенов», которые, естественно стоят гораздо дороже своих парабенсодержащих аналогов.

В 2014 году эта же Европейская научная комиссия пошла дальше – она запретила использование пяти парабенов, мотивируя этот запрет «отсутствием данных для ревизии оценки их влияния на организм», понизив допустимое содержание разрешенных пропилпарабена и бутилпарабена в косметике с 0,4 % до 0,14 %, несмотря на то, что свежие результаты научных исследований, мягко говоря, не указывали на особую целесообразность таких шагов.

Исключение парабенов из косметических препаратов может сократить сроки годности этих препаратов и/или увеличить стоимость самой обычной косметики, но главное, пожалуй, даже не это – история с парабенами в очередной раз показала, что в настоящее время наука и полученные по всем правилам научной методологии данные играют далеко не решающую роль в принятии решений о разрешении или запрете тех или иных объектов.

2/14/ Антифризы

Как бы кто ни относился к зиме, в холодное время года одной из самых популярных тем в разговорах автовладельцев в эти дни – беседы о том, какая незамерзайка в наши морозы замерзает, а какая нет. В этом рассказе речь пойдет о таких замечательных веществах, как антифризы, причем антифризах натуральных и антифризе синтетическим.

Должен сразу огорчить читателей, особо ратующих за все натуральное и органическое (в смысле природного происхождения), но заменить для своего железного коня синтетический антифриз антифризом натуральным не получится.

Часть I. Антифризы натуральные и органические во всех смыслах. Определенные типы растений и животных могут защищать себя от температур гораздо меньших, чем температура замерзания воды, с помощью специальных биологически активных соединений-антифризов.

Долгое время все описанные биологические макромолекулы-антифризы были представлены сложными белками-гликопротеидами (соединения, содержащие химически связанные белковую и полисахаридную цепи), однако недавно из организма арктического жука U. Ceramboides, способного переносить температуры до –60 °C, был выделен антифриз, представляющий собой просто полисахарид без белка. Такие лед-структурирующие вещества природного происхождения самоорганизуются на поверхности кристаллов льда, ингибируя их рост и предотвращая организмы хозяев от обледенения.

До настоящего времени предполагалось, что биологически активные вещества-антифризы самоорганизуются на поверхности кристаллов льда, ингибируя их рост и предотвращая организмы хозяев от обледенения, таким образом препятствуя образованию больших по размеру кристаллов льда. Однако недавно было продемонстрировано, что существуют и другие механизмы действия биологической защиты животных и растений от холода.

Несмотря на уже упомянутую невозможность использования в «незамерзайках», биологические антифризы все же могут найти многочисленные применения. Например, их можно использовать в медицине для хранения органов и тканей, предназначенных для трансплантации. Эти белки также могут ингибировать рост кристаллов льда в мороженом, причем некоторые производители пищи уже использует такой способ облагораживания пищевых продуктов. Тем не менее использование «натуральных» антифризов в биомедицине и пищевой промышленности не всегда возможно. Во-первых, низкое их содержание в тканях соответствующих организмов затрудняет выделение натуральных антифризов из природных материалов, во-вторых – некоторые из них в больших дозах все же оказываются токсичными для клеток человека.

Ну и конечно же, белки-антифризы, точнее, генетическая модификация организма за счет введения гена, ответственного за биосинтез такого белка, не дающего его «хозяину» загнуться от холода, часто являются современным способом выведения морозоустойчивых сортов клубники, апельсинов и т. д.

Часть II. Антифризы органические, но не натуральные и совсем даже синтетические. Наиболее известным антифризом такого типа является вещество, имя которому – этиленгликоль. Оно очень близко знакомо каждому, кто не ставит свою машину на зиму в гараж, а активно пользуется ею и в холодное время года. Этиленгликоль является основным компонентом антифризов, а спирты – этиловый, изопропиловый – компонентами незамерзающих жидкостей.

Распыление раствора этилового или изопропилового спирта на поверхность льда может способствовать его плавлению, и удачливый водитель освобождает лобовое стекло от слоя замерзшей воды, получая возможность отправиться к месту назначения. А образованию кристалликов льда во внутренних системах автомобиля будет мешать жидкость антифриз, в состав которой входит этиленгликоль.

Как же работает антифриз-этиленгликоль? Систематическое название этиленгликоля – этандиол-1,2. Антифризные свойства этого замечательного вещества отчасти объясняются его некоторым сходством с водой – в составе молекулы этиленгликоля имеется две – ОН группы, способные к образованию водородных связей, к образованию таких связей способна и вода. Из-за этого вода и этиленгликоль могут смешиваться в любых соотношениях.

Известно, что температура замерзания воды – 0 °C. Чистый этиленгликоль замерзает при –12 °C, однако смешение этиленгликоля с водой приводит к тому, что обе эти жидкости мешают друг другу образовать правильную упорядоченную кристаллическую структуру, и температура замерзания смеси становится гораздо меньше температуры замерзания каждого из отдельно взятых веществ. Вообще это довольно распространенное явление – понижение температуры замерзания раствора по сравнению с температурой замерзания растворителя. На этом же явлении основана борьба с гололедом за счет посыпания улиц поваренной солью или другими твердыми хлоридами.

Может возникнуть вопрос – а почему мы не можем удалять намерзший лед с машин с помощью соли или солевого раствора? Даже если отбросить мысли о том, что солевой раствор и соль сама по себе будут способствовать коррозии металлических деталей автомобиля, до определенного момента мы можем это сделать, понизив температуру замерзания воды до –10 °C, может для областей с мягкой зимой это было бы и достаточно, но не для нас… Тем временем 70 %-ный водный раствор этиленгликоля не замерзнет до температуры –50°, да и этиленгликоль гораздо менее опасен для узлов и агрегатов автомобиля по сравнению с солевыми растворами с точки зрения коррозии.

Однако у популярности этиленгликоля в качестве антифриза есть и темная сторона силы – его токсичность. Чистый этиленгликоль обладает сладковатым вкусом и запахом, что может привести к тому, что домашние животные, и некоторые человеки, интеллект которых не сильно превосходит интеллект котов и собак, могут попытаться попробовать атифриз на вкус, получив при этом серьезные проблемы для здоровья. По этой причине в большинстве коммерческих продуктов-антифризов специально вводятся очень горькие добавки, которые имеют шанс остановить неразумных тварей от желания испить антифриз-коктейль.

Сладкий вкус этиленгликоля также стал основой распространенного заблуждения о том, что некоторые беспринципные виноделы добавляют антифриз в вино в качестве подстастителя. На самом деле такие безответственные виноделы добавляют в вино не этиленгликоль (HO – CH₂—CH₂—OH), а диэтиленгликоль (HO – CH₂—CH₂—O–CH₂—CH₂—OH), который, как и большинство других органических соединений, содержащих сразу несколько – ОН групп, обладает сладким вкусом, но не так токсичен, как входящий в состав антифризов этиленгликоль.

Такие добавки к винам производители временами имели привычку практиковать в неблагоприятные годы, когда виноград не успевал как следует вызреть, и вино получалось низкоалкогольным, слаботельным и кислым. Диэтиленгликоль маскирует присутствие в вине дополнительного количества сахара, поэтому сахар можно добавлять в вино без опасения, что он будет обнаружен во время анализов. Кроме того, диэтиленгликоль сам по себе делает вина более сладкими и тельными и, таким образом, они становятся похожими на вина позднего сбора. Однако в настоящее время такое «облагораживание» вина строго запрещено, по крайней мере для европейских виноделов, а, например, объемы экспорта австрийского вина смогли восстановиться только через 15 лет после скандала 1985 года, связанного с обнаружением в австрийских винах диэтиленгликоля (в 1986 году экспорт упал в 10 раз по сравнению с «доскандальным» 1985 годом).

Если вы или ваши домашние животные по какой-то причине глотнули антифриза, необходимо как можно скорее обратиться за медицинской помощью. Физиология отравления такова – схожесть строения этиленгликоля и этанола – первоначально приводит к быстрому опьянению, однако побочные эффекты начинают развиваться быстрее, чем при этаноловом отравлении. По мере того как организм будет пытаться переработать токсин, гидроксильные группы будут окисляться сначала до альдегидных функций, а потом – до карбоновых кислот. Продукты метаболизма этиленгликоля угнетают деятельность нервной системы, вызывают учащенное сердцебиение, повышение давление, в ряде случае возможен риск сердечного приступа. Если не принять меры, то через 24 часа после отравления могут отказать почки.

К счастью, антидот от отравления этиленгликолем достаточно прост и распространен. В принципе этот антидот общий для лечения отравления большинством спиртов – этанол. Фермент, который отвечает за окисление этиленгликоля и его трансформацию в токсичные метаболиты – алкогольдегидрогеназа, тот же самый фермент, который отвечает за переработку этанола. К счастью, сродство алкогольдегидрогеназы к этанолу в 100 раз выше, чем к этиленгликолю, поэтому большая доза этанола (который обычно вводится внутривенно) может насытить фермент и «отвлечь» его от производства токсинов – продуктов окисления этиленгликоля. Правда, такое лечение тоже имеет свои побочные эффекты: похмелье, вызванное продуктом ферментативного окисления этанола – уксусным альдегидом, в данном случае будет неизбежно.

Для производства антифриза используется лишь малая доля от примерно 20 миллионов тонн этиленгликоля, производящегося ежегодно. Большая часть этого диола (двухатомного спирта, молекулы с двумя группами – ОН) используется для производства сложных полиэфиров, в особенности полиэтилентерефталата (ПЭТ) – прозрачного, блестящего и легко поддающегося обработке полимера, из которого изготавливают и пластиковые бутылки, и волокна для тканей.

3. Полимеры синтетические и натуральные

Очень часто наше время называют «веком полимеров», а некоторые материаловеды даже склонны считать, что мы живем во времена смены железного века веком полимеров – столь большое значение имеют синтетические и искусственные полимеры, ворвавшиеся в нашу жизнь во второй трети ХХ века, для современной техники и технологии.

Не стоит, правда, забывать, что природные полимеры – целлюлоза (основной компонент древесины) и кератин (белок, из которого состоит шерсть, рога и копыта) применялись нашими далёкими предками еще во времена каменного века, и поскольку заострить деревянную палку было делом более простым, чем придать нужную форму камню, полимерными орудиями труда, обороны и нападения наши предки начали пользоваться даже раньше, чем каменными. Природные полимеры и их аналоги и сейчас интересны ученым – и как химическое сырье, альтернативное нефти и продуктам нефтепереработки (та же целлюлоза или ее ближайший родственник – хитин), и как конструкционные материалы, изделия из которых не будут разлагаться в лесу три сотни лет, как полиэтиленовый пакет, а мирно утилизуются за сезон (биоразлагаемый пакет из полимолочной кислоты). Этот раздел посвящен полимерам – макромолекулам, без которых мы не можем представить нашу жизнь.

3.1. Кератин

Вряд ли производители косметики уделяют столь пристальное внимание какому-либо другому замечательному веществу, как кератину. Он интересен для них как вещество, образующее ткани, за которыми требуется постоянный уход и, соответственно для ухода за этими тканями выпускаются все новые и новые препараты.

Кератин представляет собой прочный структурный белок, придающий форму и жесткость коже, волосам и ногтям человека. К нашему счастью, у нас нет копыт, клювов, чешуи и рогов, иначе бы нам приходилось приобретать косметические средства для поддержания функций кератина и в этих органах.

Строго говоря, кератин не представляет собой индивидуальное химическое вещество – кератинами мы называем семейство фибриллярных белков, обладающих механической прочностью, которая среди материалов биологического происхождения уступает лишь структурному углеводу хитину. К фибриллярным относятся белки, имеющие вытянутую нитевидную структуру, в которой отношение поперечной оси к продольной больше 1:10. Другими представителями фибриллярных белков являются белок шелкового волокна фиброин или белок соединительной ткани коллаген. Обычно длинные нити фибриллярных белков организуются, формируя защиту и поддержку других молекул в живой ткани. Точно так же как отдельные волокна шерсти или целлюлозы свиваются в нити, мономеры кератинов, сплетаясь друг с другом, образуют нити, которые и образуют столь знакомые нам волосы и другие биологические структуры.

Термин «кератин» происходит от греческого слова «кера» – рог. Рождение этого названия датируется серединой XIX века. Первое упоминание о кератине появилось в литературе в научной работе 1849 года, в которой говорится, что белок «кератине» Саймона (именно так – «Simon’s keratine») входит в состав рогов, волос и копыт. К сожалению, это единственное упоминание о вероятном первооткрывателе кератина – Саймоне, и история не донесла до нас более подробную информацию о нем. Столь ранее описание кератина как белка, возможно, связано с тем, что кератин (как и большинство других фибриллярных белков) не похож на другие природные полимеры, с которыми работали химики XIX века: в отличие от большинства белков, открытых на заре становления биохимии, он не растворяется не только в воде, но и во множестве других растворителей, способных растворять белки. Не растворяется, однако к нашему счастью – представьте, что бы было, если бы он растворялся, – решили вы, скажем, помыть голову, а волосы смылись (хотя не исключаю, что некоторых такая перспектива даже порадовала бы).

Написать точную формулу кератина сложно, примерно так же сложно, как записать в общем виде формулу ДНК – и то и другое вещество индивидуально для того типа организма, из которого мы его выделяем. Сложность тут еще и в том, что молекулы кератинов различного типа обладают различным набором вторичных структур. В кератинах комбинируются и альфа-спиралевидная вторичная структура (правозакрученные спирали белка, сохраняющие устойчивость благодаря сетке водородных связей), так и бета-складчатая структура – в ней противолежащие цепи белков также за счет водородных связей объединяются в почти плоские листовидные агломераты. Отдельные участки кератинов с альфа– и бета-вторичной структурой связываются друг с другом за счет дисульфидных мостиков – связей S – S. Именно комбинация этих взаимодействий и придает кератинам их прочность. Различное соотношение альфа– и бета-фрагментов кератинов, различная плотность дисульфидных связей могут быть характерны и для кератинов одного организма, образующих различные ткани и обладающих различной прочностью – например, кератинов волос и ногтей.

Если говорить конкретно о кератине волос человека, то этот кератин является плотным в сравнении с другими веществами биологического происхождения веществом (плотность равна 1,3 г/см³), практически не проводит электричество, зато способен накапливать на поверхности статические заряды (вспоминаем детский сюжет «Ералаша»).

При комнатной температуре волос человека можно растянуть на 30–60 %. С повышением температуры и влажности окружающей среды растяжимость волоса увеличивается, а в чрезвычайно влажной атмосфере растяжимость может достичь 100 %. Прочность кератина при растяжении зависит от межмолекулярных связей. Прочность сухого волоса больше, чем мокрого. Это объясняется тем, что вода, вызывая набухание кератина, ослабляет межмолекулярные связи (например, водородные и солевые). На прочность сухого кератина разрыв дисульфидных связей существенно не влияет.

При создании новых межмолекулярных связей в кератине увеличивается прочность волос к растяжению и снижается их способность к сворачиванию (это происходит при известной парикмахерской процедуре, известной под названием «химия», суть которой заключается, если объяснять на пальцах, в том, что сначала дисульфидные и межмолекулярные водородные связи между молекулами кератина внутри волоса разрушаются, а потом опять же искусственно создаются при помощи тиогликолевой кислоты). Если говорить не о волосах, то дополнительные связи между нитями кератинов способствуют повышению устойчивости шерсти к действию различных химических реагентов, а также к действию моли, плесени, бактерий и ферментов.

Кератин волос человека характеризуется значительным сродством к воде. В нем содержится около 5 % связанной воды. Количество удерживаемой в кератине влаги при его насыщении достигает 33 % сухой массы. Диаметр волоса при насыщении его водой может увеличиваться приблизительно на 20 %, а длина – на 1–2 %.

Кератины обладают высокой химической стойкостью. Они более устойчивы к воздействию кислот, чем щелочей. Пищеварительный сок, выделяемый гусеницами моли, питающимися шерстью, имеет щелочную среду (рН = 9,9) и содержит вещества, способные разрушать дисульфидные связи кератинов, чем и пользуются эти проклятые поедатели шуб и других изделий из шерсти и меха.

Хотя кератины чрезвычайно важны для жизни животных и человека, существует не так уж много продуктов, полученных на основе кератинов. Существует набор косметических продуктов, содержащих кератин, а также ряд косметических линий, основными разработчиками которых являются косметологи из Бразилии и Японии. Что касается последних, то заявлено, что они исправляют кератин волос, придавая волосам блеск и понижая их ломкость. Наверное, более важным является нанесение кератиновых покрытий на трансплантаты сосудов – такое покрытие понижает вероятность свертывания крови и тромбообразования. В настоящее время специалисты по медицине и фармацевтике пытаются найти способы заставить кератины работать в системах целенаправленной доставки лекарственных препаратов или систем для заживления ран.

Несмотря на то, что кератинсодержащие фрагменты организма важны для внешнего вида как человека, так и животных, нелишне заметить, что большинство этих кератинсодержащих органов нашего тела (равно как и наших домашних животных), за которыми мы так тщательно ухаживаем, на самом деле мертвы. Без волос, ногтей и внешнего слоя кожи мы бы смотрелись довольно отталкивающе, однако и волосы, и ногти и эпидермис в общем-то безжизненны сами по себе. Это обстоятельство всегда заставляет улыбнуться, когда я слышу, как с рекламы нам бодро обещают вдохнуть жизнь в обезжизненные волосы.

Лучше не надо эти волосы оживлять. Пожалуй, единственное существо, оставшееся в письменной истории человечества, у которого волосы были действительно живыми, была горгона Медуза, у которой была, в общем-то, непростая судьба: сначала ее изнасиловал Посейдон, совершив это кощунственным образом в храме Афины, а Афина, хоть и была богиней мудрости, покарала не виновника сего деяния Посейдона, а почему-то горгону Медузу, модифицировав ее волосяной покров генами от гидры. Ну, и как мы знаем, первый эксперимент по столь буквальному оживлению волос прервал Персей, уничтожив подопытный образец.

Тем не менее кератин все рано можно считать замечательным веществом – без него не существовало бы то, за уходом над чем мы тратим столько времени – кожи, волос и ногтей. Да, в основном мы существа из плоти и крови, но благодаря кератину мы выглядим так, что не пугаемся своего отражения в зеркале, и даже если временами боимся того, кто сидит в зеркале, всегда знаем, как привести себя в порядок.

3.2. Нитроцеллюлоза

Представьте себе такую картину: вы сидите на кухне, а позади вас у источника тепла сохнет влажный фартук. Неожиданно за спиной вы слышите громкий хлопок, оборачиваетесь и видите, как фартук почти моментально исчезает в языках пламени. Примерно такое произошло с химиком Кристианом Фридрихом Шёнбейном, который уже упоминался в рассказе про озон.

Легенда говорит, что Шёнбейн имел привычку брать работу на дом, проводя на кухне разнообразные химические эксперименты, чему (и это можно понять) категорически противилась его жена Эмили. Легенда говорит, что в один из прекрасных дней 1846 года (более точная дата этого события неизвестна) Шёнбейн, как обычно, химичил на кухне, и ему потребовалось нагреть смесь концентированных азотной и серной кислот на плите. Что-то, как обычно в таких случаях, пошло не так, колба треснула, и ее содержимое разлилось по полу кухни. На счастье Шёнбейна, его жена отлучилась куда-то по делам, и он, чтобы замаскировать следы преступления, решил протереть пол первым, что подвернется ему под руку. Ну а что поделать – мужчина всегда остается мужчиной, даже если на дворе XIX век, а мужчина – профессор химии Базельского университета, автор понятия «геохимия» и крёстный отец озона. Первым под руку Шёнбейна подвернулся хлопковый фартук Эмили, которым он и протер горячую разлитую смесь кислот, после чего, чтобы скрыть от благоверной следы преступления, повесил фартук просушиться. Как становится понятно сейчас, Кристиан Фридрих даже не отмыл фартук от кислот водой, и в конце концов сохнущий фартук изобразил волшебное исчезновение с акустическими и световыми спецэффектами.

Конечно же, история умалчивает о том, как этот инцидент повлиял на семейную жизнь четы Шёнбейн, но для развития химии оказался очень ценным. Сам того не желая, Шёнбейн пронитровал основной компонент хлопкового фартука супруги – целлюлозу, получил образец искусственного полимера – тринитроцеллюлозы и определил, что это производное целлюлозы обладает значительной взрывчатой силой. Дальнейшее исследование показало, что нитроцеллюлоза, известная также под названиями «нитроклетчатка» и «пироксилин», по мощности в несколько раз превосходит дымный порох. Справедливости ради, первый образец нитроцеллюлозы был получен лет за десять до «кухонного инцидента», в 1830-е годы, но синтезировавший его Анри Браконно не посвятил достаточно времени изучению свойств нитроцеллюлозы, пропустив тем самым, что этот искусственный полимер может быть взрывчатым веществом. Тут нужно уточнить, что «искусственными» называют полимеры, которые получают, изменяя строение и состав уже готовых природных макромолекул, а «синтетическими» – полимеры, исходным сырьем для производства которых являются вещества с небольшой молекулярной массой, полученные в результате нефтепереработки (чаще) или переработки отходов растительного сырья (реже). Взрывоопасность тринитроцеллюлозы и ее склонность самовозгораться при нагревании связана с тем, что три нитрогруппы на одно структурное звено полимера обеспечивают пироксилину большое значение кислородного баланса, а в одном из рассказов выше уже было написано, что чем больше в веществе кислорода, тем с большей громкостью и мощностью оно взрывается.

В молодости Шёнбейн получил хорошее образование во Франции и Великобритании, его коммуникабельность позволила ему еще в молодости обзавестись знакомствами и подружиться и с учёными, одним из которых был Майкл Фарадей, и с другими известными современниками, например – автором «Трёх мушкетеров» Александром Дюма. Поняв, что в ходе эксперимента с фартуком было получено что-то интересное, Шёнбейн отправил образцы тринитроцеллюлозы Фарадею и другим своим британским коллегам, а другу Дюма – письмо следующего содержания: «…мне кажется, что я разработал очень простой метод превращения хлопка в материал, обладающими всеми свойствами, необходимыми для метательного взрывчатого вещества…»

Энтузиазм Шёнбейна можно было понять – прошла почти половина XIX века, а метательным, как, впрочем, и коммерческим взрывчатым веществом оставался дымный порох, состав которого не изменился со времен Бертольда Шварца. Сырой дымный порох не мог использоваться для стрельбы, а сухой вполне оправдывал свое название, выделяя большое количество дыма при сгорании, что делало невозможным вести одновременно прицельную и быструю стрельбу.

После нескольких быстро сделанных стрелковой цепью залпов дым настолько заволакивал поле боя, что о точной стрельбе даже из нарезного оружия не могло идти и речи. С другой стороны – необходимость ждать, пока дым рассеется для очередного прицельного выстрела, понижала скорострельность, что в конечном итоге для любой армии сохраняло актуальность известного суворовского высказывания об интеллектуальной неполноценности пули. В своем письме, адресованном Дюма, Шёнбейн упомянул не только о большей мощности тринитроцеллюлозы по сравнению с дымным порохом, но и о том, что это взрывчатое вещество сгорает без остатка и без дыма.

Уже спустя год после открытия Шёнбейна английская фирма «Джон Холл и сыновья», специализировавшаяся на оружейном порохе, попыталась производить тринитроцеллюлозу на одном из своих заводов в графстве Кента, однако эта попытка закончилась плачевно – в результате взрыва партии полученного материала было разрушено два здания и погиб 21 человек. Многие исследовательские группы во многих странах в течение четырёх десятков лет после этого инцидента предпринимали неудачные попытки «приручить» тринитроцеллюлозу, но все они так или иначе закончились неудачей.

Человеком, которому удалось разработать безопасный метод производства пироксилина, стал британский химик и специалист по взрывчатым веществам Фредерик Август Абель. В 1889 Абель и его шотландский колега запатентовали бездымное метающее взрывчатое вещество, состоявшее из тринитроцеллюлозы, другого взрывчатого вещества – нитроглицерина и небольшого количества нефтяного вазелина. Этот состав получил название «кордит», а британская армия и флот в скором времени приняли его на вооружение.

Для производства кордита в качестве растворителя, необходимого для смешения ингредиентов, первоначально использовался ацетон, однако во время Первой мировой войны британская военная промышленность стала испытывать недостаток этого растворителя, что было некстати из-за низкой растворимости тринитроцеллюлозы в большинстве органических растворителей. Оказалось, что менее нитрованная форма нитроцеллюлозы, в которой на одну структурную единицу полимера приходится меньше, чем три нитрогруппы, может растворяться в смеси этилового спирта и диэтилового эфира. Такой раствор получил название «коллодий», и некоторые заводы по производству боеприпасов начали производить кордит, используя не раствор тринитроцеллюлозы в ацетоне, а коллодий, причем обе технологии существовали одновременно.

Нитроцеллюлоза использовалась и используется не только для военных целей. Было время, когда она применялась как материал для фото– и киноплёнки, однако из-за повышенной пожароопасности и склонности к самовозгоранию впоследствии кинематографисты перешли на пленку из ацетилцеллюлозы и полиэтилентерефталата. Из нитроцеллюлозы до сих пор производятся лучшие шарики для настольного тенниса, правда, чтобы эти шарики не взрывались в процессе игры (что, вероятно, было бы зрелищно, но неспортивно), для их изготовления, естественно, применяют ту разновидность нитроцеллюлозы, которая называется целлулоид и отличается от пироксилина меньшей степенью нитрования. Из того же целлулоида в свое время было организовано производство съемных воротничков и манжет, которые были дешевы, служили в пять раз дольше, чем хлопчатобумажные воротники, и самое главное – их не нужно было стирать и отглаживать после стирки. Всю накопившуюся на них в течение дня грязь можно было удалить обычным канцелярским ластиком, не прибегая к услугам прачечной. В настоящее время нитроцеллюлозные мембраны применяются для анализа белков и нуклеиновых кислот.

Что же касается Кристиана Фридриха Шёнбейна, он умер в 1868 году, за два десятка лет до того, как дымный порох перестал быть главным (если не единственным) взрывчатым военного и гражданского назначения.

3.3. Полиэтилентерефталат (он же ПЭТ)

Возьмите пластиковую бутылку. Наверняка поблизости от вас есть такая. Теперь взгляните на ее дно (если бутылка не пустая, постарайтесь при этом не пролить ее содержимое). Видите маленький треугольник, внутри которого цифра один или две цифры – ноль и один? Если вы это увидели, значит, бутылка изготовлена из полимера под названием «полиэтилентерефталат». Поскольку это название не так уж удобно проговоривать, чаще используется сокращение ПЭТ (в английской версии – PET).

ПЭТ представляет собой полимерный сложный эфир, для получения которого требуются следующие мономеры (исходные вещества для синтеза полимеров) – двухосновная терефталевая кислота (в её структуре присутствуют две группы СООН) и двухатомный спирт этиленгликоль (он содержит две гидрокси-группы ОН). Спирты реагируют с кислотами с образованием сложных эфиров и воды. Образующиеся при реакции одноосновных кислот (с одной группой COOH) и одноатомных спиртов (с одной группой ОН) обладающие сравнительно небольшой молекулярной массой сложные эфиры, как правило, представляют собой летучие вещества с фруктовым или цветочным ароматом.

Однако при реакции терефталевой кислоты с этиленгликолем мономеры хоть и реагируют с образованием сложного эфира, этот полимерный эфир обладает колоссальной молекулярной массой, не летуч (полимеры в отличие от низкомолекулярных соединений вообще не могут переходить в газообразное состояние), а значит, принципиально не может пахнуть, но замечателен не этим, а другими своими уникальными свойствами.

Для начала немного истории. Патентная заявка на способ получения полиэтилентерефталата был подана 29 июля 1941 года английским химиком Джоном Рексом Уинфилдом, который изучал полимеры, способные образовывать волокна.

В те времена поиск полимерных материалов, из которых можно формовать волокна, был очень популярен: производство товаров из другого волокнообразующего полимера – нейлона началось за три года до этого, в 1938 году. В первую очередь нейлон начали использовать для изготовления щетины зубных щеток, а до этого чистящую часть этого важного инструмента делали из свиной щетины или конского волоса.

Конечно, из ПЭТ можно изготавливать волокна. В нашей стране мы, в особенности старшее поколение, привыкли называть ткани, полученные из волокон ПЭТ, лавсаном. Дело в том, что в СССР волокна полиэтилентерефталата были получены независимо от английских коллег в 1949 году в лаборатории Института высокомолекулярных соединений Академии наук, и материал получил название в честь места, где он был получен. Если на спортивной или какой-либо другой одежде на ярлычке с указанием состава написано «полиэстер» (или «polyester»), скорее всего в ткани присутствует полиэтилентерефталат (или его близкий родственник). Однко из ПЭТ можно изготавливать не только волокна – он применяется и в других областях: кристаллизацией полиэтилентерефталата можно получить легкий и химически устойчивый материал, идеальный для изготовления пластиковых бутылок. Эти бутылки обходятся дешевле стеклянных бутылок, они не бьются и поэтому могут повторно применяться сотни и тысячи раз. Бутылки из ПЭТ еще и легче, а значит, их дешевле перевозить. Неудивительно, что в наше время в бутылки из полиэтилентерефталата разливают практически любые напитки, и эти бутылки можно обнаружить где угодно. Вот тут-то и начинается проблема ПЭТ-тары: очень часто «где угодно» – это не только прилавки магазинов, но и улицы города, пригородные лесопосадки и берега рек – ПЭТ устойчив к биоразложению, и, если его не убрать, пролежит в лесу или на берегу реки пару сотен лет. К счастью, ПЭТ является одним из немногих полимеров, которые достатояно легко подвергать вторичной обработке – измельченные бутылки или другие изделия из полиэтилентерефталата легко переплавить в новые изделия. Чаще всего при таком подходе бутылки перерабатывают в то, что Уинфилд хотел получить изначально, – в волокна полиэтилентерефталата, которые затем применяются для изготовления тканей. Так, в 2010 году компания «Найк» провела следующую акцию: материал, полученный при рециклизации 13 миллионов пластиковых бутылок, был использован для изготовления футболок (в среднем на одну футболку уходило 8–9 бутылок), в которых в том числе играли и представители 10 национальных футбольных команд на Евро-2012.

Помимо физического подхода к повторной переработке полиэтилентерефталата – переплавки отработавших свое изделий, существует и химический способ рециклизации ПЭТ – химики могут разрушить сложноэфирные связи и получить из ПЭТ смесь исходных мономеров. Это происходит постадийно: сначала полимер обрабатывают избытком этиленгликолем, и его цепь разрушается на более короткие цепочки – олигомеры, которые можно расплавить при меньшей температуре, чем температура плавления полимера, и очистить от наполнителей или загрязнений фильрованием. После очистки олигомеры ПЭТ подвергают дальнейшему разрушению до мономеров, которые очищают перегонкой и снова вовлекают в реакцию образования полимера, получая свежие порции ПЭТ.

К сожалению, не все изделия из ПЭТ подвергаются вторичной переработке – огромное их количество просто лежит на свалках по всему миру. И хотя ПЭТ не является биоразлагаемым полимером, среда обитания диктует свои условия, и некоторые из бактерий – обитателей свалок, медленно эволюционируют, приобретая способности перерабатывать полиэтилентерефталат и использовать его в качестве источника углерода для роста. Не исключено, что появление таких бактерий было неизбежно: в условиях пищевой конкуренции видов за привычные подгнившие пищевые отходы умение питаться полиэтилентерефталатом даёт организмам существенное преимущество в выживании.

Однако, возможно, скоро история и дальнейшая эволюция таких бактерий будут прекращены – реализация напитков в таре из ПЭТ запрещается в Австралии, Франции, Канаде, некоторых штатах и округах США. Россия не отстает – с 1 июля 2017 года планируется запретить продажу алкогольной продукции в ПЭТ-таре объемом более 1,5 литра. Хотя эти меры и окажут благоприятное воздействие на состояние окружающей среды в долгосрочной перспективе, это может привести к разрушению локальных экосистем, в которых эволюционируют бактерии, поедающие ПЭТ, однако хочется думать, что утрата этих бактерий не будет ужасным ударом по нашей биосфере.

3.4. Тефлон

Очень часто в общественном мнении появление тефлона связывают с развитием космических программ. Так, если поискать в Сети, можно найти такие пассажи: «Зачем в сковородке космический материал?» или «…одна из примет времени – посуда с антипригарным покрытием. Благодаря ему мы почти забыли, каково это – отдирать толстый слой пригара со сковородок. Покрытие под названием «тефлон» было разработано для шаттлов…»

Во многом это миф. Да, тефлон действительно применяется в качестве материала для космических исследований, детали из него есть и в космических кораблях, и в скафандрах, но полимер, известный нам под технической маркой «тефлон», был получен задолго до образования НАСА.

Материал, выпускающийся под торговой маркой «тефлон», – потиперфторполиэтилен – представляет собой достаточно простой по строению полимер, по структуре похожий на полиэтилен, с тем исключением, что в нем все атомы водорода замещены на атомы фтора (вообще в химии органических соединений вообще и химии полимеров в частности префикс пер– означает исчерпывающее, то есть полное замещение атомов водорода на атомы другого химического элемента).

Итак, тефлон не был создан в секретных лабораториях НАСА, его создание вообще приходится на тот период истории, когда принципы реактивного движения еще только оттачивались и полет в космос казался еще недосягаемой мечтой, – в 1938 году. Как это часто бывает в химии, открытие нового материала произошло практически случайно, а счастливым везунчиком оказался американский химик Рой Планкетт, которому тогда было 27 лет, работавший в заводской лаборатории на химическом заводе в Нью Джерси. Еще одним важным обстоятельством открытия является то, что до счастливой случайности Планкетт не занимался полимерами или защитными покрытиями – его область исследования была посвящена перфторуглеводородам и хлорфторуглеводородам, которые до работ нобелевских лауреатов Молины и Роуленда и последовавшего после их работ подписания Монреальского протокола широко использовались в системах охлаждения и аэрозолях.

В качестве источника материала для работы Планкетт использовал стальной цилиндрический газовый баллон, наполненный газообразным тетрафторэтиленом (аналог этилена, в котором все 4 атома водорода замещены на фтор), и в какой-то момент газообразный тетрафторэтилен перестал поступать из баллона. Можно было бы подумать, что тетрафторэтилен кончился, и взять другой баллон, но поскольку это произошло слишком быстро, Планкетт из любопытства взвесил этот баллон. Каково же было его изумление, когда он увидел, что масса «опустевшего» баллона практически не отличалась от массы баллона, свежезаполненного тетрафторэтиленом, значительно превышая массу самой стальной тары. Это означало, что с содержимым баллона что-то произошло, а что именно – уже следовало выяснять, чтобы не подвергать опасности себя и окружающих, решивших использовать «внезапно опустевшую» тару.

Вне здания завода с соблюдением всех мер предосторожности Планкетт разрезал баллон и обнаружил, что он заполнен белым воскообразным гладким на ощупь веществом. Изучив вещество, Планкетт выявил, что оно термически стойко, химически инертно и отличается низким коэффициентом трения. И произошло вот что: сочетание высокого давления и каталитическая активность стальных стенок газового баллона привели к тому, что газообразный тетрафторэтилен вступил в реакцию полимеризации и получился новый полимер.

Особые свойства этого полимера обусловлены, в частности термическая и химическая устойчивость обусловлены тем, что в нем комбинируются одни из самых прочных химических связей – углерод-углерод и углерод-фтор, равно как и то, что «внешней оболочкой» молекулы полимера являются атомы фтора, полностью удовлетворившие свою потребность в электронах и, обладая наибольшей способностью удерживать у себя электроны из всех химических элементов (электроотрицательностью), не отдавать их никому. Эта особенность строения тефлона и похожих на него материалов привела к достаточно известной в узких кругах метафоре, описывающей эти вещества: алмазное сердце в шкуре носорога (связь углерод-углерод, являющаяся основой полимерной цепи тефлона, также реализуется и в алмазе).

Обнаруженный по случайности в 1938 году перфторполиэтилен был запатентован под торговой маркой «тефлон» только через 7 лет – в 1945-м фирмой Kinetic Chemicals, где работал Планкетт, – дочерней компанией фирмы «Дюпон». Первоначальной областью применения полимера было покрытие клапанов и кранов коммуникаций для газов и жидкостей – это применение было обусловлено его низким коэффициентом трения тефлона. Можно сказать, что тефлон успел поучаствовать и во Второй мировой войне – в Манхэттенском проекте его наносили на системы, с помощью которых гексафторид урана подавался на центрифуги для обогащения урана, и соответственно отводили фторид уже обогащенного урана. Привычное же нам использование тефлона в быту – для антипригарных покрытий – началось только в 1950-е годы, при этом судьба материала в этом случае снова выкинула интересный пассаж: идея использовать тефлон в качестве антипригарного покрытия изначально принадлежала не ученым, а почти обычной французской домохозяйке.

Французский инженер-химик Марк Грегуар применял тефлон для изготовления своих рыболовных снастей, однако его жена Колетт, равнодушная к рыбалке, подумала, что более интересное и полезное применение такого гладкого и непачкающегося материала, как тефлон, – не дать пище пристать к поверхности сковороды и кастрюли.

Похоже, что Колетт замотивировала своего суженого нешуточно, и Марк в 1954 году разработал способ связывания тефлона с поверхностью из алюминия, хотя, учитывая крайне низкую адгезию (способность к «прилипчивости») тефлона, эта просьба жены была совсем не из разряда «вынести мусор» или даже «купить новую шубу». Разработанный метод нанесения, который применяется и по настоящее время, заключается в том, что первоначально поверхность алюминия протравливают кислотой, чтобы сделать ее «дефективной», обладающей микрорельефом (вообще дефекты поверхности материала иногда играют важную роль для химиков), затем на обработанную поверхность металла при повышенных давлении и температуре наносили мелкодисперсный тефлоновый порошок, и он «схватывался», образуя покрытие требуемого качества. В 1956 году завод, на котором работал Грегуар, выпустил первыую пробную партию сковородок с антипригарным покрытием, получившим столь известный ныне бренд «Тефаль». Название «Tefal» является сочетанием первых слогов слов «тефлон» и «алюминий».

Эффективность тефлона в качестве антипригарного покрытия обусловлена его гидрофобностью – он хорошо отталкивает воду – и низким коэффициентом трения. До температуры 250 °C настоящий тефлон – перторполиэтилен – безопасен; после достижения этой температуры он начинает разлагаться на фтор и фторуглероды, который опасны для здоровья. Сторонники запрета тефлона приводят истории о гибели домашних птиц (например, попугаев) от испарений тефлоновых сковородок, оставленных без присмотра и перегретых выше безопасной температуры, однако, скажем, температурный режим готовки соблюдать надо, сковородку без присмотра оставлять не стоит любую: если вы перегрели мясо или рыбу на обычной чугунной сковородке, любимого попугая вы, может, и спасли, но себя и своих домашних отравили медленным ядом – при перегреве пищи образуются бензопирены, которые являются канцерогенами.

Помимо применения в коммуникациях и на кухне тефлон находит применение еще в куче областей. Химическая устойчивость тефлона в свое время привела к тому, что его назвали «органической платиной» и огромное количество лабораторной посуды или промышленных резервуаров, контактирующих с высокоактивными веществами, изготавливают либо из тефлона, либо с тефлоновым напылением. Тефлоновую оболочку наносят на пули и орудийные снаряды, низкое трение этого покрытия увеличивает ресурс работы стволов; некоторые ювелирные компании наносят тефлоновое покрытие на «проникающую» ювелирку – серьги и пирсинг, такое покрытие снижает риск развития инфекции в месте прокола.

Итак, тефлон – материал, открытый благодаря случайности и нашедший применение на наших кухнях из-за идеи жены инженера. Пусть он и не является «космическим» материалом и легенды о его создании в НАСА – просто вымысел и неумение пользоваться поисковиками, на примере тефлона мы можем увидеть, что иногда настоящая история создания и исследования вещества куда интереснее и замысловатее, чем мифы о нем.

3.5. Кевлар

Когда в конце 1940-х годов бакалавр-химик Стефани Кволек, устраивалась на временную работу, чтобы накопить денег и реализовать свою мечту – выучиться на врача, она вряд ли могла представить, что нет ничего более постоянного, чем временное, что она останется на работе в «Дюпон» на следующие 40 лет. И хотя Кволек не стала врачом, она спасла много жизней, спасает их и сейчас и спасет в будущем – а все благодаря созданному ей материалу, коренным образом изменившему представления людей о возможности полимеров.

В 1946 году 23-летняя Стефани Кволек получила степень бакалавра химии в колледже Маргарет Моррисон Карнеги Университета Карнеги – Меллон. Кволек планировала стать врачом и надеялась, что сможет скопить денег на медицинское образование за счёт подработок в химической области. Она нашла работу в компании «Дюпон», лозунгом которой в то время было «Лучшие вещи для лучшей жизни с помощью химии». Работа Кволек в «Дюпон» оказалась очень продуктивной, она втянулась в исследования, забыла о карьере врача и проработала в этой компании до выхода на пенсию в 1986 году, и после пенсии до сих пор остается консультантом компании «Дюпон».

В 1964 году, в ожидании нефтяного дефицита в США, исследователи из группы Кволек начали искать лёгкое, но прочное волокно, которое могло бы использоваться для увеличения прочности, а следовательно – и долговечности автомобильных и велосипедных протекторов.

Кволек решила, что волокна нужного свойства могут быть получены на основе полиамидов, одним из представителей которых был уже изобретенный в то время и известный всем сейчас нейлон-6, в котором амидные фрагменты связаны гибкой цепью. Кволек решила заменить структурно гибкий фрагмент из шести атомов углерода на жесткую плоскую шестиугольную ароматическую систему. Благодаря ароматической, или ареновой, группе, появившейся в основной цепи полимера, новые материалы получили название «арамиды».

Полученные в группе Кволек арамиды вели себя необычно, образуя мутные растворы с небольшой вязкостью, в то время как известные к тому времени полимеры хорошо растворялись, давая прозрачный и вязкий раствор. Плохая растворимость арамидов говорила о сложностях, связанных с переработкой этих материалов, и первоначально проект по применению арамидов в качестве материалов для увеличения долговечности конструкционных материалов руководство Кволек хотело свернуть.

Однако Кволек умела отстаивать результаты собственной работы. Ей удалось убедить коллег получить волокна из опытных образцов арамидов. Оказалось, что эти волокна обладают уникальными свойствами – их прочность на разрыв в пять раз превышала аналогичные параметры стали, при этом материал был легче стекловолокна. «Дюпон» быстро капитализировала технологию создания нового материала, запатентовав его под названием «кевлар». К 1971 году были получены первые изделия из кевлара. Кволек, однако, не принимала активного участия в разработке способов применения кевлара и изделий из него.

За счет чего достигается столь уникальная прочность кевлара? Каждая макромолекула, образующая линейную цепь, связана с другими такими же нитями полимера, располагающимися поблизости от нее за счет таких прочных межмолекулярных взаимодействий, как водородные связи (добавим, что именно водородные связи приводят к тому, что всем известная нам вода при комнатной температуре представляет собой жидкость и кипит при 100° в то время как более тяжелые аналоги воды – серо– и селеноводород при комнатной температуре уже газообразны).

Водородные связи, возникающие в кевларе, образуются между противолежащими амидными группами, а точнее – атомами водорода фрагмента NH и атомами кислорода фрагмента CO – именно такой тип водородной связи также ответственен за устойчивость полиамидов природного происхождения – молекул белка.

Дополнительно прочность кевларовых нитей обеспечивается еще одним типом межмолекулярных взаимодействий – стекинг-взаимодействием параллельно ориентированных бензольных колец арамида (кстати, стекинг-эффект участвует в стабилизации вторичной структуры других природных биомолекул – нитей ДНК). Сочетание двух этих типов межмолекулярных взаимодействий и обеспечивает высокую прочность на разрыв кевлара, в конечном итоге обеспечивающую его практическое применение.

Кевлар используют как армирующее волокно в композитных материалах, которые получаются прочными и лёгкими. Кевлар используется для армирования автомобильных покрышек и медных и волоконно-оптических кабелей (нитка по всей длине кабеля, предотвращающая растяжение и разрыв кабеля), в диффузорах акустических динамиков и в протезно-ортопедической промышленности для увеличения износостойкости частей углепластиковых стоп. Кевларовое волокно также используется в качестве армирующего компонента в смешанных тканях, придающего изделиям из них стойкость по отношению к абразивным и режущим воздействиям: из таких тканей изготовляются, в частности, защитные перчатки и защитные вставки в спортивную одежду (для мотоспорта, сноубординга и т. п.). Также он используется в обувной промышленности для изготовления антипрокольных стелек. В последнее десятилетие кевлар получил распространение в судостроении. Его применяют выборочно – только в килевой части или по швам. Однако, несмотря на исключительные механо-физические свойства кевлара, его химически он не так устойчив: облучение ультрафиолетом приводит к быстрому разрушению кевлара, и для эксплуатации кевларовых изделий вне помещений на них необходимо наносить покрытие, защищающее материал от солнечного света.

Механические свойства материала делают его пригодным для изготовления средств индивидуальной бронезащиты – бронежилетов и бронешлемов. Исследования второй половины 1970-х годов показали, что волокно марки кевлар-29 и его последующие модификации при использовании в виде многослойных тканевых и пластиковых (тканевополимерных) преград показывает наилучшее сочетание скорости поглощения энергии и длительности взаимодействия с ударником, обеспечивая тем самым относительно высокие, при данной массе преграды, показатели противопульной и противоосколочной стойкости. Это одно из самых известных применений кевлара, которое спасло тысячи жизней. Существует даже легенда про полицейского, который пришел в гости к Кволек и попросил ее оставить автограф на бронежилете, остановившем предназначавшуюся для него пулю.

Вклад Стефани Кволек в науки о материалах оценили не только охранники правопорядка. В 1995 году она стала четвёртой женщиной, принятой в Национальный зал славы изобретателей США, в 1996-м получила Национальную медаль технологии США, в 1997 году получила медаль Перкина от Американского химического общества, а в 2003-м была принята в Национальный зал славы женщин.

Итак, когда Стефани Кволек начала свое исследования, желая получить подходящие волокна для армирования автопокрышек, никто не подозревал, как повлияет ее работа на теорию и практику науки о материалах и что именно эта женщина станет самым известным мастером-бронником для персональной брони ХХ века. Сложно представить, что бы произошло, если бы она, накопив необходимую сумму, все же решила бросить химию и уйти в медицину.

3.6. Пектин

Любите ли вы варенье? А джем, повидло? Может быть, мармелад? Без пектина, придающего этим лакомствам структуру, все они просто оставались бы жидкими.

Хотя люди готовят варенье, повидло, мармелад и другие пектиносодержащие сладости веками, пектин был впервые выделен в 1825 году французским химиком и фармацевтом Анри Браконно; название вещества происходит от греческого слова pektikos – «студнеобразный».

Пектин можно обнаружить как внутри клеток растений, так и в межклеточном пространстве; биологическая роль пектина заключается в увеличении механической прочности клеток, придания им формы и жесткости. Содержание пектина в растительных тканях, как, впрочем, и его точный состав и строение могут меняться в зависимости вида растения, а для одних и тех же биологических видов – от условий произрастания, времени года и различных частей одной и той же особи. Так, в плодах фруктовых деревьев наибольшее содержание пектина наблюдается в кожуре и семенах.

Пектин представляет собой структурный полисахарид с достаточно сложной молекулярной структурой. Преимущественно главную цепь полимера-пектина составляют остатки этерифицированной (с группами COOCH₃) и неэтерифицированной (с группами COOH) D-галактуроновой кислоты, однако, как в основной цепи полимера, так и в боковых группах могут встречаться остатки других сахаров, и не только их. Карбоксильные группы СООН D-галактуроновой кислоты в воде диссоциируют, теряя ион водорода и образуя заряженный фрагмент СОО—, связанный с общей полимерной цепью. Формирование на одной цепи большого количества одноименно заряженных атомных группировок приводит к тому, что они отталкиваются друг от друга, молекула пектина распрямляется, увеличивая свой объем, а соседние нити пектина отталкиваются друг от друга.

Наиболее важным свойством пектина является то, что в определенных условиях он может принимать трехмерную структуру – ту самую, которая не дает повидлу, намазанному на хлеб, растекаться. Однако пектин является не единственным важным компонентом повидла или джема – для их изготовления нам также нужны сахар и кислота.

При относительно высокой кислотности депротонирование карбоксильной группы СООН подавляется, поэтому, хотя нити пектина и распрямляются, их взаимное отталкивание не происходит. В большинстве фруктов и ягод содержания кислоты вполне хватает для такого подавления депротонирования, однако при приготовлении джемов и повидла из некоторых особо сладких сортов плодоягодного сырья рецептура требует незначительных добавок лимонной кислоты или лимонного сока. Молекула пектина также весьма гидрофильна (водолюбива или просто – охотно связывается с водой), поэтому отдельные молекулы пектина «обволакиваются» оболочкой из молекул воды. При наличии в растворе помимо пектина еще и сахара, который также «водолюбив», часть молекул воды связывается именно с сахаром, а не с пектином, что позволяет нитям пектина сблизиться и взаимодействовать друг с другом. Возможность такого сближения наряду с неполным депротонированием групп СООН приводит к тому, что отдельные нити пектина сближаются и образуют трехмерную сеть молекулярную, внутри которой оказываются и меньшие по размеру молекулы сахара и воды.

При готовке варенья и других кондитерских изделий из фруктов и ягод мы должны нагреть плодоягодное сырье для того, чтобы из клеток сырья выделился пектин, сок, представляющий собой в первую очередь воду, и вещества, обеспечивающие аромат. Также к смеси добавляют сахар (строго говоря, с химической точки зрения надо добавлять его уже после первичного нагрева ягод и фруктов, но есть куча рецептов, в которых сырье еще и отстаивается с сахаром от получаса до ночи). Смесь, содержащая уже все, что надо, должна нагреваться до точки гелеобразования, которая для джемов и желе составляет около 103–105 °C (в промышленности обычно готовят джемы при более низкой температуре, ускоряя гелеобразование и выкипание воды за счет создания разрежения специальными насосами). При охлаждении образуется трехмерная сетка из молекул пектина, и джем или варенье застывают до соответствующей консистенции. Звучит просто, но для того чтобы сделать варенье, которое радовало бы и язык (в желудке, однако, нет вкусовых рецепторов), и глаз, нужно набить руку, выдерживая при этом правильный баланс всех ингредиентов.

Разные фрукты содержат различное количество пектина, причем по мере созревания содержание пектина понижается. Больше всего пектина в недозрелых фруктах, а когда фрукт становится слаще, ферменты пектиназа и пектинэстераза начинают работу по разрушению пектина, и плод становится мягче и дряблее. Задача плода обеспечить воспроизводство растения, а из дряблого плода, сами понимаете, семечкам выпадать много проще, чем из упругого и богатого пектином.

Яблоки, смородина и цитрусовые отличаются высоким содержанием пектина, в то время как более мягкие земляника, вишня и абрикосы с персиками обычно содержат мало пектина. Именно поэтому при промышленном получении джемов из персиков или земляники увеличивают содержание пектина в смеси, либо добавляя плоды других видов с высоким содержанием пектина, либо закачивая в варку уже готовый пектин в порошкообразном виде или в виде раствора. Коммерчески доступный пектин обычно полают из отходов переработки яблок или цитрусовых – соответственно из сердцевинок или кожурок.

Помимо изготовления кондитерских изделий пектин применяется еще много где. Так, помимо загустителя в пищевой промышленности (добавка Е-440), пектин применяется в фармацевтике. Его способность к гелеобразованию лежит в основе его применения в изготовлении свеч для лечения геморроя (пектин ускоряет коагуляцию крови) или в качестве вещества для изготовления некоторых таблеток. Он также может использоваться для профилактики отравления солями тяжелых металлов (именно по этой причине химикам и химико-технологам, работающим с тяжелыми металлами, рекомендовано пить чай с мармеладом).

Итак, когда вы в следующий раз будете пить чай с вареньем, вспомните замечательное вещество пектин и его химические свойства, которые существенно снижают риск поставить трудно отстирываемое пятно на вашу любимую рубашку или блузку.

3.7. Молочная кислота

Каждый хоть раз ощущал на себе действие молочной кислоты. Эта та самая боль в мышцах после долгих физических нагрузок, к которым ваш организм непривычен, – перетренировка в спортзале, день с лопатой на огороде или просто слишком долгая пешая прогулка человека, вдруг оставшегося без автомобиля. Однако молочная кислота не просто щекочет наши мышцы, говоря нам о том, что мы несколько хилы, – она снабжает наше тело энергией.

Молочную кислоту (2-гидроксипропановую кислоту), которую в виртуальном виде можно найти практически в любых биологических тканях и жидкостях, впервые была выделена из скисшего молока в 1780 году шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле, более известным своими достижениями в области открытия химических элементов, в том числе и кислорода, равно как и тем, что последней записью в его лабораторном журнале была запись о вкусе синильной кислоты (было такое дело среди химиков: для описания свойств нового вещества мало было указать его цвет, температуры плавления и кипения, надо было обязательно указывать вкус и запах, и как раз после смерти Шееле эта традиция прекратилась). Одна из наиболее важных ролей, которую молочная кислота играет в организме, – обеспечение мускульной ткани энергией в ходе интенсивных физических нагрузок.

Позвоночные могут запасать энергию в форме полисахарида гликогена (благодаря исключительной близости структуры и свойств его называют еще «животным крахмалом»), который образуется в результате поликонденсации молекул глюкозы (поясняю: полимер из низкомолекулярного соединения можно получить двумя путями – полимеризацией, когда все низкомолекулярное соединение переходит в полимер, и поликонденсацией, когда из низкомолекулярного соединения кроме полимера получается еще один тип малых молекул – в биохимической поликонденсации, равно как и при получении технических полимеров «спутником» поликонденсационных полимеров чаще всего является вода). В организме животных гликоген в основном локализован в мышцах и печени, причем в печени его больше (именно поэтому печенка имеет слегка сладковатый привкус).

Для высвобождения энергии гликоген гидролизуется до глюкозы (этот процесс гидролиза является процессом обратным по отношению к поликонденсации глюкозы в гликоген), после чего глюкоза в несколько стадий превращается в пировиноградную кислоту. При нормальном аэробном (протекающем в присутствии достаточных количеств кислорода) дыхании пировиноградная кислота расходуется в цикле Кребса, на завершающей стадии которого образуется элементарная единица биохимической энергии – молекула АТФ, углекислый газ и вода.

Для аэробного дыхания нужен кислород, однако во время интенсивных физических нагрузок кислород расходуется организмом быстрее, чем он может достигнуть мышечной ткани. В этом случае включается «резервный» канал производства энергии и без поступления кислорода пировиноградная кислота превращается в молочную, при этом также образуя АТФ. КПД такого процесса добычи энергии клеткой ниже, но он протекает гораздо быстрее. Строго говоря, «молочнокислое дыхание» происходит в клетках всегда, но становится доминирующей формой образования АТФ только тогда, когда в ткани не поступает достаточное количество кислорода.

Накопление молочной кислоты в мышцах может привести к ощущению жжения во время самой нагрузки. Длительное время считалось, что мышечная боль на следующий день после изнуряющей физической тренировки это тоже происки молочной кислоты, однако это не так. Неприятные ощущения в мышцах после снятия нагрузки, увы, являются следствием микроповреждения и микровоспаления плохо развитой мышечной ткани, молочная кислота же непосредственно после прекращения упражнений, напрягающих мускульную ткань, не накапливается в мышцах – она может перейти обратно в пировиноградную кислоту, которая в условиях достаточного количества кислорода пойдет разрушаться по пути аэробного дыхания.

Еще один способ встретиться с молочной кислотой помимо накопления ее в мышцах – потребление кисломолочной продукции. Молочнокислые бактерии разрушают углеводы по анаэробному механизму, и, соответственно, молочная кислота образуется при случайном или намеренном скисании молока. Кисловатый запах йогурта или кефира как раз обусловлен присутствием молочной кислоты. Скисание молока происходит благодаря природной ферментации молочного сахара – лактозы – такими бактериями, как Lactobacillus bulgaris и Streptococcus thermophilus – это те самые молочнокислые бактерии, которые промимо всего еще и помогают нашим маркетологам продавать бутылку кефира по цене ящика.

Молочная кислота, чаще всего в форме натриевых или калиевых солей – лактатов, используется в пищевой промышленности в качестве пищевой добавки (Е-325 лактат натрия). Сама молочная кислота (Е-270) применяется для регулирования кислотности таких напитков, как фруктовые соки и пиво, а также благодаря не особо навязчивому вкусу и противомикробной активности – в качестве консерванта, увеличивающего срок хранения мясных и рыбных блюд, а также салатов.

Молочная кислота может вступать в реакцию поликонденсации, при этом образуется полимолочная кислота, на которую возлагаются большие надежды материаловедов. Дело в том, что полимолочная кислота биоразлагаема, что позволяет применять ее как практически неопасный для окружающей среды материал для изготовления пластиковой упаковки, так и в биомедицине. Например, полимолочная кислота сама по себе или в композициях с другим полимером – полигликолевой кислотой может использоваться для шовного материала или винтов, иммобилизующих поврежденные костные фрагменты. Такие хирургические нити или винты будут выполнять свою работу все время терапии: полимолочная кислота – полимер достаточно прочный, а со временем они будут разрушаться, образуя неопасную и в общем-то родную для организма молочную кислоту; соответственно процедура по удалению хирургических винтов или фиксаторов осколков костей уже не нужны.

Молочная кислота, как, впрочем, и любое другое вещество, многогранна – она заставляет мышцы болеть, обеспечивает их энергией; его производное может понадобиться для наложения швов на эти же мышцы или починки костей; ну и конечно же каждый из нас не раз поглощал молочную кислоту с йогуртами, кефиром, сметаной и, возможно, настоящей деревенской простоквашей.

3.8. Зеленый флуоресцирующий белок

«В своей стране он изучал свет и свечение разных тварей, но эта тварь здесь была особая. Она мерцала по-особому, и он нашел ее. Но сейчас он хочет изучить ее все больше и больше – эту новую тварь и белок, который заставляет ее светиться. В доках его ждут полные ведра медуз. Молодой ученый старается не улыбаться, показывая свои результаты своему наставнику, но в душе он улыбался так, что сдержать улыбку стоило немыслимых усилий». Это отрывок из короткого рассказа Тани Хершман, в котором она описывает, какие чувства одолевали молодого японского исследователя Осаму Симомуру, когда он открыл зеленый флуоресцирующий белок в 1960-х годов.

История зеленого флуоресцирующего белка и той революции, которую он совершил в науке, начинается в конце сороковых в послевоенной Японии. Родина молодого Симомуры оправлялась от последствий Второй мировой войны. И как это ни парадоксально, именно война и разруха подтолкнули Симомуру к науке и той научной теме, которая в итоге закончилась для него Нобелевской премией.

В результате атомной бомбардировки родного города Симомуры – Нагасаки – было разрушено главное здание фармацевтического колледжа, и учебное заведение переехало во временное здание около дома Симомуры. Он поступил в колледж и в итоге стал изучать причину, заставляющую странное морское создание – «морского светлячка» – светиться таким необычным светом.

Обнаружив, что флуоресцентное свечение вызывает определенный белок, Симомура отправился в США, где начал работу над новым исследовательским проектом. Его работа с морским светлячком продолжалась относительно недолго, но она хорошо подготовила его к работе в Принстонском университете, где он решал подобную задачу, решение которой и принесло ему известность.

Снова ему пришлось выяснить причину свечения морского животного. На этот раз это была медуза Aequorea Victoria, которая светилась изумрудно-зеленым светом в водах гавани Фрайди Харбор. За несколько лет Симомура собрал (в соответствии с собственными подсчетами) около миллиона медуз, из которых выделял различные белки, пытаясь установить, который (или которые) из них отвечают за свечение.

В конечном итоге он обнаружил белок, который сейчас мы называем просто «зеленый флуоресцирующий белок». Для получения этого белка требовалось много усилий и времени, но все это было оправдано – за открытие и исследование зеленого флуоресцирующего белка Нобелевскую премию по химии 2008 года разделили Осаму Симомура из Лаборатории морской биологии США, Мартин Чолфи из Университета Колумбии и Роджер Тсин из Университета Калифорнии в Сан-Диего.

В чем причина такой популярности зеленого флуоресцирующего белка? Дело в том, что этот белок стал одним из наиболее часто используемых инструментов в биохимии. С помощью зеленого флуоресцирующего белка исследователи разработали способы наблюдения за процессами, которые ранее было невозможно наблюдать – от роста нервных клеток до развития раковых опухолей.

Химические процессы в организме контролируются работой десятков тысяч белков. При нарушениях в работе белковых молекулярных машин организм может заболевать, все это обуславливает необходимость построения правильной карты белкового обмена и функционирования для различных организмов.

Зеленый флуоресцирующий белок состоит всего лишь из 238 аминокислотных остатков. Может показаться, что это много, но на самом деле расшифровка структуры такого белка, а также гена, управляющего его биосинтезом, не является такой уж сложной задачей для биохимиков, и вскоре после определения структуры зеленого флуоресцирующего белка исследователи расшифровали участок ДНК, кодирующий биологический синтез зеленого флуоресцирующего белка.

Затем биохимик Мартин Чолфи показал, что организм может подвергнуться генетической модификации и любой организм может получить возможность вырабатывать зеленый флуоресцирующий белок и светиться зеленым светом при облучении светом с определенной длиной волны.

Используя генную инженерию, исследователи в состоянии связывать зеленый флуоресцирующий белок с другими важными, но невидимыми белками. Это позволяет отслеживать местоположение, движение и особенности межмолекулярных взаимодействий изучаемых белков в организме.

C помощью зеленого флуоресцирующего белка биохимики могут отслеживать судьбу различных клеток: поражение нервных клеток, вызванных болезнью Альцгеймера, следить за тем, как в растущем эмбрионе производятся инсулин-производящие клетки.

Роджер Тсин изучил причины флуоресценции зеленого флуоресцирующего белка. Он также расширил «световую гамму», модифицировав флуоресцирующие белки, что позволило метить разные клетки и разные белки разными цветами, позволяя отслеживать одновременно несколько различных биохимических процессов и получать информацию о сложных процессах обмена в результате лишь одного эксперимента.

Итак, зеленые медузы позволили Симомуре и другим исследователям найти белок, который может быть встроен в любой организм и, скажем, позволит получить не только генетически модифицированного зеленого светящегося кота – рекламу возможностей химии и биохимии, но и является незаменимым диагностическим инструментом современности.

4. Жизнь замечательных веществ

4.1. Вещества c необычными названиями

Название вещества «зеленый флуоресцирующий белок» сложно назвать обычным или построенным в соответствии с правилами номенклатуры. Традиция давать веществам названия, связанные с методикой их получения, их свойствами, особенностями применения, восходит к глубокой древности. Сейчас мы называем старые названия знакомых веществ «тривиальными», поминая о том, что в свое время до введения единой номенклатуры такой подход мог существенно тормозить развитие науки.

Например, в 1670 году английский натуралист Джон Рэй, нагревая в реторте рыжих лесных муравьёв (живых или мёртвых – история умалчивает) выделил кислоту, которую назвал «муравьиной» (под этим тривиальным названием сейчас мы и знаем эту кислоту, которая по номенклатуре будет называться «метановой»). Однако поскольку метановая-муравьиная кислота содержится и в крапиве, и в пчелах, не исключено, что она же в свое время открывалась другими, менее удачливыми в плане попадания в историю естествоиспытателями, которые могли назвать её и «пчелиной», и «крапивной» кислотой. Очевидно, что название в соответствии с общепринятыми нормами номенклатуры позволяет избежать повторного открытия или синтеза одного и того же вещества.

Почему же и в наше время первооткрыватели веществ дают им тривиальные названия, и более того – эти названия остаются в ходу? Конечно же, любое вещество можно назвать по номенклатуре, но чаще всего такие названия на письме будут занимать одну-две строчки (систематические номенклатурные названия белков так вообще могут растянуться на несколько страниц), что, естественно, осложнит письменное научное общение, не говоря уже про устное: не кривя душой, скажу, что если на конференции или защите докладчик старательно на протяжении всего выступления многократно повторяет полное номенклатурное название вещества, уже к окончанию первой трети доклада слушателей начинает тянуть в сон, а те, кто предусмотрительно занял места вблизи выхода из аудитории, как правило, спонтанно решают размяться в коридоре или разместиться на стратегически значимых позициях перед кофе-брейком конференции.

Чтобы такого не происходило, тривиальные названия продолжают применяться на равных правах с номенклатурными, зачастую заменяя их, но, конечно, только в тех случаях, где это оправданно. Понятно, что такие названия могут показаться странными или даже забавными.

Криптостерол

Это вещество можно считать родоначальником всех стероидов. В соответствии с номенклатурой криптостерол представляет собой базовую структуру стероидов, которая служит для получения всех остальных путем биохимических модификаций. Еще одно название криптостерола – «ланостирол», который был выделен из овечьей шерсти в 1930 году Видхаусом и Чеше. В 1958-м нобелевский лауреат Блок сообщил о синтезе ланостерола из изохолестерола, а в 1966 году ван Тамелен получил ланостерол из сквалена.

До настоящего времени ланостерол был интересен только с точки зрения истории и биохимии стероидов, но в начале 2015 года Жанг (K. Zhang) из Университета Калифорнии (Сан Диего) выяснил, что ланостерол вовлечен в генетику развития катаракты у людей. Они выяснили, что генетическая основа острой катаракты заключается в мутации гена, кодирующего ланостеролсинтазы, фермента, отвечающего за выработку ланостерола, а затем – что ланостерол снижает скорость образования белковых агрегатов, отвечающих за формирование катаракты, хотя ряд офтальмологов оспаривают возможность терапевтического применения ланостерола для лечения катаракты.

Травматическая кислота

Травматическая кислота ((E) – додека-2-ендиовая кислота) действительно связана с травмами. Это гормон растительного происхождения, который активирует деление клеток и таким образом позволяет быстрее заживлять травмы и раны. Отсюда, собственно, название кислоты и ее второе название – «гормон ран».

Чем земляничный альдегид похож на морскую свинку?

Земляничный альдегид, или альдегид-16 – этиловый эфир ?,?-эпокси-?-метил-?-фенилпропионовой кислоты. Представляет собой бледно-жёлтую жидкость, хорошо растворимую в органических растворителях. Запах этого соединения напоминает запах земляники, поэтому оно применяется в промышленности как ароматизатор.

С точки зрения химии этот вещество не имеет никакого отношения к альдегидам – в нем есть сложноэфирная и эпоксидная функциональные группы, при этом и прилагательное «земляничный» тоже оказывается совершенно не в тему – ни из ягод лесной, ни из ягод садовой земляники это вещество не было выделено, возможно, оно там вообще не содержится, а название определяется только земляничным запахом.

Гиппопопотная кислота

Гиппосудоровая кислота представляет собой ярко-красное вещество с отвратительным запахом, выделенное из пота гиппопотама. Его название на русский язык действительно можно перевести как «гиппопопотная» – она происходит от слов hippo – гиппопотам и sudor (пот – по латыни), поэтому ее действительно можно назвать «кислота из пота бегемота», или «гиппопопотная кислота».

Гиппосудоровая кислота поглощает ультрафиолет, поэтому бегемотам не нужно бегать в косметические лавки за мазью для загара, также она проявляет и бактерицидные свойства. Красный цвет гиппосудоровой кислоты послужил основой формирования мифа о том, что бегемоты потеют кровью.

Большую часть кленового сиропа получают из сока сахарного клена (Acer saccharum), при этом около 80 % кленового сиропа производят в провинции Квебек, поэтому вполне естественно, что когда из сиропа было выделено ранее неизвестное соединение – полифенол со спиртовой группой, это соединение получило название «квебекол» (систематическое название – 2,3,3-три-(3-метокси-4-гидроксифенил)-1-пропанол).

Квебекол

Полный синтез квебекола был осуществлен в 2013 году. Предполагается, что в самом кленовом соке его нет и он образуется в процессе переработки сока в кленовый сироп. В 2014 году на встрече американского химического общества было сделано сообщение о том, что квебекол, как и некоторые другие полифенолы кленового сиропа, обладают противовоспалительной и антиоксидантной активностью.

Мегатомная кислота

Молекула не имеет ничего общего ни с мегатоннами и ядерными взрывами, ни мегаатомами, она даже не может превратить обычного человека в мегагероя. Такое меганазвание кислота заслужила в честь жука – коврового кожееда (Attagenus megatoma), который приноровился использовать эту кислоту в качестве полового аттрактанта. Номенклатурное название этого вещества – (3E,5Z)-3,5– тетрадекановая кислота.

Кетон кузнечика

Возможно, в данном случае народ просто решил не утруждаться и не выдумывать ничего лишнего. Кетон кузнечика выделен из защитных секреторных выделений нелетающего кузнечика Romalea microptera.

Возможно, после долгой полевой работы, ловли кузнечиков, «дойки» их и сбору секреторных выделений химики были настолько утомлены, что на построение номенклатурного названия (а оно звучит так: 5-(2,4-дигидрокси-2,6,6-триметилциклогексилиден)пент-4-ен-2-он) у них просто не осталось ни сил, ни мотивации, после чего, особо не заморачиваясь, они назвали это вещество «кетоном кузнечика».

Берберин

Берберин – алкалоид катионного ряда, который был впервые выделен в 1917 году из желтокорня канадского (Hydrastis canadensis), североамериканского растения. Это соединение локализуется в корнях, стеблях и коры многих растений, включая барбарис (растущий по всему миру), желтокорень (растущий в юго-западных штатах США) и амурское пробковое дерево. Обычно берберин существует в форме соли-хлорида, однако в 1969 году был получен йодид.

Интенсивная жёлтая окраска берберина и его способность к флуоресценции позволяли использовать его в качестве красителя в период становления текстильной промышленности (в Индии им до сих пор красят шерсть), также его применяют в гистологии для введения флуоресцентных меток.

Самым широким примером использования берберина, однако, является его применение в качестве растительной добавки к пище. Он обладает противомикробной и противовоспалительной активостью, исследовался в качестве препарата для лечения диабетов, рака, гиперлипидемии, сердечно-сосудистых заболеваний и даже ВИЧ. Клинические испытания показывают, что берберин в общем безопасен, однако может взаимодействовать с рядом лекарств, прописываемых беременным и кормящим.

Дракулин

Дракулин (вещество названо, естественно, в честь графа Дракулы) – гликопротеид (соединение, в котором содержатся белковая цепь из остатков аминокислот и углеводный фрагмент), который содержится в слюне летучих мышей – вампиров. Он состоит из 411 остатков аминокислот и весит около 88 500 Дальтон (атомных единиц массы). Дракулин работает как антикоагулянт, ингибируя факторы свертываемости крови, тем самым не давая крови укушенной жертвы свернуться, пока довольный вампир питается.

В течение периода в четверо суток (между периодами питания) слюна вампира постепенно понижает свою антикоагуляционную активность, хотя за это время не наблюдается значительного понижения содержания белка в слюне. Через четверо суток (независимо от того, поел вампир или нет) способность его слюны препятствовать свертыванию крови возрастает. Исследования показывают, что образцы чистого дракулина, выделенного из слюны с высокой и низкой активностью различаются строение углеводного фрагмента, именно который и определяет способность белка к свертыванию крови.

Медхимики изучают дракулин в качестве потенциального препарата для лечения инсультов и инфарктов, а также в качестве потенциального разжижителя крови для профилактики тромбообразования.

4.2. Вещества– рекордсмены

В этом разделе речь пойдет о веществах, о практическом значении которых сейчас ничего нельзя сказать хотя бы потому, что для них пока еще не найдены области практического применения, но герои этой главы полноценно можно считать замечательными веществами. Каждое из веществ – героев этого раздела – в чём-то является самым-самым веществом, ставит рекорды размера, валентности, кислотности и т. д.

На первый взгляд может показаться, что получение веществ, ставящих рекорды в какой-то из областей, сродни коллекционированию марок, только химическому, – какую пользу может принести самая сильная кислота или самый маленький (размером в одну молекулу) диод? Но это впечатление поверхностно. Во-первых, вещества с экстремальными физическими и химическими свойствами позволяют скорректировать представления о природе химических связей, межмолекулярных взаимодействий и других закономерностей, знание которых позволяет проводить уже направленный синтез веществ, которые уже смогут найти запоминающееся применение. Во-вторых, возможно, что эти вещества просто ждут своей технологии и время их применения пока еще не пришло. Такое тоже неоднократно случалось в истории науки и техники.

Например, самый тугоплавкий металл – вольфрам с температурой плавления 3422 °C первоначально даже вредил металлургам, за что и получил свое название (Wolf Rahm – волчья пена, нем.; название появилось из-за того, что вольфрам, встречавшийся в минералах олова, мешал выплавке этого металла, переводя его в пену шлаков). Тем не менее стоило в 1892 году Александру Николаевичу Лодыгину подать патентную заявку на электрические лампочки с вольфрамовой нитью накаливания, и как вскоре вольфрам из отхода металлургического производства превратился в незаменимый ресурс для экономики любой страны, где для освещения улиц и помещений газовые фонари и свечи заменялись электрическими лампами накаливания.

Начнется же раздел о химических рекордсменах с рассказа о самых тяжелых химических элементах, занявших по праву свои клетки в Периодической системе в 2016 году.

2016 год. Очередное обновление Периодической системы завершено

В канун 2016 года химиков, да и всех, кто интересуется современной наукой, ждала отличная новость, даже четыре. Тридцатого декабря 2015 года рабочая группа Международного союза по теоретической и прикладной химии (IUPAC) выпустила коммюнике, в котором констатировала, что, изучив все имеющиеся и опубликованные в литературе данные относительно синтеза химических элементов 113, 115, 117 и 118, совместная комиссия IUPAC и группа Международного союза по теоретической и прикладной физике (IUPAP) подтверждает, что синтез элементов был проведен. Заявки же создателей-первооткрывателей на приоритетность открытия соответствуют критериям признания, сформулированными IUPAP/IUPAC в 1991 году.

Новые элементы завершили 7-й ряд Периодической системы; открывшие (точнее – синтезировавшие) их исследователи из Японии, России и США весной 2016 года предложили для них постоянные названия (на латинском и английском языках) и символы, которые после пятимесячного общественного обсуждения уже ближе к концу 2016 года были официально утверждены IUPAC, и теперь эти элементы-тяжеловесы входят в Периодическую систему уже под новыми, узаконенными именами (до официального утверждения названий в 2016 году эти элементы в таблице Менделеева обозначались порядковыми латинскими числительными, соответствующими их атомному номеру).

В соответствии с решением IUPAC приоритет в открытии элемента с номером 113 принадлежит Институту физико-химических исследований Японии (RIKEN). Элемент вполне закономерно стал называться нихонием (Nihonium, Nh) в честь самоназвания Страны восходящего солнца – Нихон.

Впервые японские исследователи сообщили о синтезе нихония методом холодного слияния ядер в 2004 году, а более убедительные доказательства своего открытия предоставили в 2012-м. За это время им удалось не только получить три ядра этого элемента с помощью бомбардировки мишени из висмута-208 ядрами цинка-70, но и изучить схему его распада, которая тоже довольно необычна для трансфермиевых элементов: нихоний претерпевает шесть последовательных ?-распадов, в итоге превращаясь в менделеевий-254 («Journal of the Physical Society of Japan», 2012, 81, 103201, doi: 10.1143/JPSJ.81.103201).

²⁰⁸₈₃Bi + ⁷⁰₃₀Zn -> ²⁷⁸₁₁₃Nh + ¹₀n

²⁷⁸₁₁₃Nh -> ²⁵⁴₁₀₁Md + 6⁴₂He

Свою заявку на открытие нихония, который тогда еще назывался унунтрием, подавали также российские и американские физики-ядерщики. В 2004 году в результате совместного эксперимента, целью которого был синтез элемента № 115 с помощью горячего слияния ядер, физики из Объединенного института ядерных исследований в Дубне и Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии фиксировали среди продуктов последующего распада элемента № 115 другой нуклид нихония – ²⁸⁶₁₁₃Nh. В ходе совместной работы российской и американской исследовательской групп над этим проектом было обнаружено около сотни ядер элемента, в ядре которого содержится 113 протонов, к тому же нуклид ²⁸⁶₁₁₃Nh оказался более стабильным – время его жизни составляло в среднем 19,6 секунды.

Тем не менее, принимая решение о том, кому принадлежит пальма первенства в открытии неуловимого сто тринадцатого, комиссия IUPAP/IUPAC решила, что главное не количество экспериментов, а их качество – эксперименты японских физиков были признаны более чистыми и информативными. Полученные исследователями из RIKEN легкие изотопы нихония в ходе своего распада превращались в уже хорошо изученные нуклиды, например, борий-266, в то время как распады тяжелых изотопов Nh протекают с образованием новых, ранее не наблюдавшихся ядер, состав и строение которых еще требуют дополнительных доказательств.

Таким образом, элемент № 113 стал и первым химическим элементом, и первым искусственным элементом, название которому придумают ученые не из Европы и не из Америки. Еще в 2004 году после первого удачного эксперимента японские ядерщики предположили, что в случае успеха назовут этот элемент в честь своей страны, что, как мы видим, и получилось.

Надо отметить, что японским химиком удалось водрузить свой флаг в Периодической системе со второго раза, а первая попытка закрепиться в таблице Менделеева была сделана в начале ХХ века. В 1909 году профессор Токийского университета Масатака Огава заявил, что, анализируя минералы торианит, реинит и молибденит, обнаружил элемент № 43, который назвал «ниппонием» (nipponium, Np). Впоследствии стало ясно, что «экамарганец»-технеций, не имея стабильных изотопов, не может содержаться в земной коре и, как показали исследования 2004 года («Spectrochimica Acta Part B», 2004, 59, 1305–1310, doi: 10.1016/j.sab.2003.12.27), «ниппоний» Огавы – это на самом деле открытый еще в 1871 году рений.

Хотя IUPAC/IUPAP присудил первенство в открытии нихония японским физикам, специалистам из Дубны и их американским коллегам тоже есть чем гордиться, и они тоже приняли деятельное участие в придумывании названий для своих открытий. Приоритет в открытии элемента № 115 был присужден ученым из ОИЯИ, Ливерморской национальной лаборатории и Национальной лаборатории Ок-Ридж, которые в совместной работе получали ядра этого элемента, бомбардируя мишень из америция-243 ядрами кальция-48 («Physical Review C», 2005, 72, 3, 034611, doi: 10.1103/PhysRevC.72.034611). Среднее время жизни наиболее устойчивых нуклидов составляло 220 миллисекунд. Элемент № 115 получил название московий (Moscovium, Mc) в честь Московской области, где находится Объединённый институт ядерных исследований.

²⁴³₉₅Am + ⁴⁸₂₀Ca -> ²⁸⁸₁₁₅Mc + 3 ¹₀n

Результаты синтеза московия были подтверждены контрольными экспериментами международной группы исследователей во главе с физиками из Университета Лунда (Швеция) и в Институте по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца (Дармштадт, Германия).

ОИЯИ, Ливерморская национальная лаборатория и Национальной лаборатории Ок-Ридж оказались первооткрывателями и «эка-астата» – элемента № 117. При его получении в качестве мишени для ядер кальция-48 был выбран берклий («Physical Review Letters», 2010, 104, 14, 142502, doi: 10.1103/PhysRevLett.104.142502). Ядра этого элемента в среднем жили около 50 миллисекунд. Существование сто семнадцатого элемента также подтвердилось в экспериментах Института по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца.

²⁴⁹₉₇Bk + ⁴⁸₂₀Ca -> ²⁹³₁₁₇Ts + 4 ¹₀n

Согласно правилам наименования новых элементов, принятым IUPAC в 2002 году, для обеспечения лингвистического однообразия всем новым элементам должны даваться названия, оканчивающиеся на – ий (в английской и латинской версии названия – «-ium»). Однако в английском языке названия элементов 17-й группы Периодической системы (галогенов) традиционно имеют окончание «-ine»: Fluorine – фтор, Chlorine – хлор, Bromine – бром, Iodine – иод, Astatine – астат. Поэтому вскоре после признания открытия 113-го, 115-го, 117-го и 118-го элементов в правила были внесены изменения, согласно которым, по принятой в английской химической номенклатуре традиции, элементам 17-й группы на английском и латинском языках должны даваться названия, заканчивающиеся на «-ine». Не дожидаясь этого решения, уже через неделю после заявления IUPAC о подтверждении синтеза элемента № 117 7 января 2016 года британский химик Кэт Дэй разместила в Интернете петицию, в которой предложила назвать этот элемент «октарином» (octarine, Oc) в честь «восьмого цвета радуги» из романов о Плоском мире британского писателя Терри Пратчетта, скончавшегося в марте 2015 года. По Пратчетту, октарин могут видеть только волшебники (и еще кошки), тем не менее он вполне реален и указывает на присутствие магии. Предложенное имя вполне коррелировало с англоязычными названиями галогенов, но первооткрыватели сто семнадцатого элемента решили по-своему и назвали его название «теннессин» (Ts Tennessine) в знак признания вклада штата Теннесси, в том числе Национальной лаборатории Ок-Ридж, Университета Вандербильта и Университета Теннесси в Ноксвилле, в изучение сверхтяжёлых элементов.

И наконец, открывателями самого тяжелого на настоящий момент элемента, завершающего седьмой ряд Периодической системы, – «эка-радона», элемента с порядковым номером 118, были признаны ученые из ОИЯИ и Ливерморской национальной лаборатории. При получении этого элемента мишенью для луча из ядер кальция-48 стал калифорний-249 («Physical Review C», 2006, 74, 4, 044602; doi: 10.1103/PhysRevC.74.04460).

²⁴⁹₉₈Cf + ⁴⁸₂₀Ca -> ²⁹⁴₁₁₈Og + 3 ¹₀n

Элемент № 118 находится в группе инертных газов, которые, за исключением гелия, традиционно имеют окончание «-он» (-on): неон, аргон, криптон, ксенон, радон. Поэтому опять в 2016 году в правила IUPAC были внесены изменения, согласно которым по принятой в химической номенклатуре традиции элементам 18-й группы (группы инертных или благородных газов) должны даваться названия, заканчивающиеся на «-on». Элемент № 118 получил название «оганесон» (Oganesson, Og) в честь академика РАН Юрия Цолаковича Оганесяна, научного руководителя Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флёрова того самого дубнинского ОИЯИ, за его новаторский вклад в исследование трансактиноидовых элементов. Научные достижения Ю.Ц. Оганесяна включают в себя открытия сверхтяжёлых элементов и значительные достижения в области ядерной физики сверхтяжёлых ядер, включая экспериментальное свидетельство существования острова стабильности. Таким образом, Оганесян оказался вторым ученым после Гленна Сиборга, именем которого химический элемент был назван прижизненно (название «сиборгий» было утверждено в 1997 году, а Сиборг, участвовавший в открытии плутония и девяти других трансурановых элементов, скончался 25 февраля 1999 года).

У оганесона, как и у нихония, тоже непростая история открытия. Впервые о его синтезе сообщили физики из Беркли в 1999 году, однако синтез элемента 118 по заявленной методике не удалось воспроизвести в нескольких центрах ядерных исследований – российском, немецком и американском, из-за чего это первое заявление было признано ошибочным («Physical Review Letters», 2002, 89, 3, 039901, doi: 10.1103/PhysRevLett.83.1104), а его авторов даже обвиняли в фальсификации результатов.

Заполненный седьмой ряд Периодической системы не предел – учёные всегда готовы смело идти за пределы изведенного, туда, где не ступала нога человека. Уже анонсированы планы нескольких ядерных центров синтезировать элементы с номерами 119 и 120. Более того, еще в 2012 году в Институте по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца в течение пяти месяцев предпринимали попытки получить ядра химических элементов со ста девятнадцатью и ста двадцатью протонами, хотя и безрезультатно. Но как оптимистично полагает физик-ядерщик из Университета Ливерпуля Рольф-Дитмар Херцберг, существующие методы синтеза сверхтяжелых элементов позволят справиться и с этой задачей. Однако и Херцберг, и другие его коллеги сходятся во мнении, что шансы на получение элементов с номерами бо?льшими, чем 120, исчезающе малы.

Ускорители частиц дня сегодняшнего могут посылать на мишень 10¹² ядер ежесекундно. Тем не менее направление на цель большего количества ядер может просто «сжечь» и мишень, и детектор. Для того чтобы избежать этого, необходимы более эффективные технологии, например, получение большей по размерам мишени и расширение пучка более легких ядер, атакующих мишень, но это, конечно, проще спланировать, чем осуществить, – синтез 20 мг берклия, послужившего сырьем для получения элемента № 117, занял 2 года. Проблему доступности мишеней может решить строящаяся в Дубне «Фабрика сверхтяжелых элементов», вряд ли в скорое время стоит ждать очередного прорыва в заполнении новых клеток таблицы Менделеева.

Тем не менее исследователи не теряют бодрости духа. Есть мнение, что нам удастся добраться до элемента № 124 в течение ближайших двух-трех десятилетий. В немалой степени это мнение основано на том, что ещё пятнадцать лет назад было сложно предположить, что мы зайдём так далеко, как зашли. Охота на новые элементы была и остается движущей силой развития технологии.

Ещё одна идея, которая может позволить выйти за границы изведанного, – попытка проведения реакций ядерного обмена. Как объясняет суть этого подхода эксперт из Института Гельмгольца Кристоф Дулльманн, обстрел урановой мишени ядрами урана не приведет к их слиянию, однако сталкивающиеся ядра могут обмениваться протонами и нейтронами, в результате чего мы можем получить ядро, содержащее, например, 120 протонов. Такой ядерный обмен может стать маршрутом для получения нуклидов, которые нельзя получить ни горячим, ни холодным слиянием.

Сверхтяжелые элементы отличаются небольшими временами жизни, что не позволяет применять их на практике, однако их изучение даёт возможность физикам и химикам лучше понять строение атомного ядра и получить еще более точные модели сильных внутриядерных взаимодействий, предсказать устойчивость и неустойчивость различных нуклидов.

Теоретические предсказания того, какую часть таблицы Менделеева ещё хотя бы принципиально можно заполнить, довольно сильно разнятся. Физик Ричард Фейнман предсказывал, что последним элементом Периодической системы станет элемент № 137. Это предсказание опирается на эйнштейновскую модель относительности: по мере увеличения заряда ядра электроны начинают двигаться все быстрее и быстрее, и в какой-то момент скорость электронов, при которой они не упадут на ядра, должна перевалить за скорость света, что физически невозможно. Другие расчёты говорят о том, что предел Периодической системы расположен гораздо дальше – в районе ядра, содержащего около 170 протонов.

Хотя четыре новобранца таблицы Менделеева живут недолго и самый стабильный из них нуклид – один из изотопов нихония – распадается за 19–20 секунд, исследователи ожидают обнаружить остров стабильности в районе элементов с номерами 120–126. Эти «магические» числа протонов соответствуют полностью заполненным ядерным оболочкам, которые должны быть стабильны, как и полностью заполненные валентные оболочки инертных газов.

Исследователи надеются, что дважды магические изотопы унбинилия и унбигексия (элемента № 126), содержащие и магическое количество протонов, и магическое количество нейтронов, должны жить гораздо дольше, чем другие изотопы этих элементов. Правда, оценка времени жизни этих ядер достаточно сильно различается и может исчисляться как десятками минут, так и миллионами лет. В подтверждение гипотезы «острова стабильности» исследователи уже приводят информацию об устойчивости известных изотопов сверхтяжелых элементов, содержание нейтронов в которых приближается к магическому числу 184. Дулльманн заявляет, что Святым Граалем в синтезе сверхтяжелых элементов является получение ядра со 184 нейтронами, однако пока ещё этот Святой Грааль не стремится открыть себя ищущим его.

* * *

Как-то раз на вводной лекции юрист, читавший студентам-химикам Казанского университета основы правоведения, пытался давить аудиторию на жалость, заявляя, что юристом быть тяжело, слишком много всего приходится держать в голове, законы постоянно меняются, и чтобы остаться на плаву, нужно быть в курсе изменений, а вот у химиков просто не жизнь, а рай – учение Менделеева бессмертно, потому что оно верно. В представлении этого преподавателя Периодическая система казалась такой скрижалью химического завета, изменения в которой просто невозможны. Естественно, это впечатление ошибочно – в таблице Менделеева появляются новые химические элементы, что-то из нее исчезает (вопреки распространенному анекдоту у Менделеева на первом месте был не водород, а невесомый мировой эфир, он же), в результате более точного пересчета могут меняться значения внесенных в Периодическую систему атомных весов и атомных радиусов.

Химическим элементам поменяли размер

Нет ничего более постоянного, чем значения атомных радиусов. Мартин Рам (Martin Rahm), Роальд Хоффманн (Roald Hoffmann) и Нейл Эшкрофт (Neil W. Ashcroft) из Корнельского университета показали, что эти справочные значения можно (и нужно) подкорректировать. Пытаясь добиться большей точности и системности в представлениях о факторах, управляющих размером атомных ядер, эти исследователи провели систематическое теоретическое определение атомных и ионных радиусов элементов Периодической системы с номерами от 1 до 96 (Chem. Eur. J. 2016, V. 22, Issue 41, P. 14625–14632; DOI: 10.1002/chem.201602949).

Бытует мнение, что все вопросы, связанные с определением размеров атомов и ионов, были решены в прошлом веке. В защиту такой точки зрения говорят и огромное количество надежных теорий, и большой массив экспериментальных данных. Кажется, что и теория, и эмпирические данные позволяют говорить о значении радиуса атомов в составе вещества с любым типом связи и находящемся в любом агрегатном состоянии. Тем не менее, как утверждают исследователи, пока нет еще возможности точно ответить на вопрос: «Чему равен размер атома или иона?»

Хоффманн заявляет, что практически любой химик или физик может привести пример безукоризненно точной шкалы, описывающей размеры атомов, но проблема будет заключаться в том, что нередки случаи, когда в пример приводятся разные версии таких шкал, которые, к тому же построены с использованием отличающихся друг от друга критериев. Строго говоря, о точности того или иного значения атомного или ионного радиуса принято судить по тому, насколько хорошо значение согласуется с экспериментальными данными, в первую очередь – с результатами исследования вещества методом рентгеноструктурного анализа, но для разных экспериментальных методик могут получаться несколько отличающиеся друг от друга размеры атомов и ионов. Исследователи из Корнельского университета считают, что необходимо получить стандартизированную шкалу атомных и ионных радиусов, не зависящую от эмпирических данных – такая шкала могла бы использоваться для прогнозирования свойств кристаллических решеток и молекулярных структур.

Рам, Хоффманн и Эшкрофт решили ввести «универсальный» радиус атома, определив его как расстояние от ядра до области, в которой плотность электронов принимает значение меньшее, чем 0,001 электрон на бор3 (1 бор – боровский радиус атома, составляющий 0,53 Ангстрема). Далее величины радиусов атомов и ионов, основанные на описанном выше определении, рассчитывались с помощью метода функционала плотности с учетом всех релятивистских эффектов. Предложенный американскими теоретиками подход позволил получить значения, которые, как написано в соответствующей статье, «исключительно хорошо согласуются» со значениями атомных радиусов, определенных при анализе кристаллических решёток.

Несмотря на то что понятие «химический элемент» содержит определяющее слово «химический», синтез новых атомных ядер и заполнение пустых клеток Периодической системы в настоящее представляют заслугу не столько химиков, сколько физиков. Станем ближе к химии – перейдём от отдельных атомных ядер-рекордсменов к веществам-рекордсменам. Для начала рассказ пойдет о самых маленьких устройствах, когда-то созданных человеком.

Самые маленькие механизмы, или На молекулярных машинах за Нобелевской премией

Нобелевская премия 2016 года в области химии присуждена Жан-Пьеру Саважу, Фрейзеру Стоддарту и Бернарду Феринге «за проектирование и синтез молекулярных машин». Разработанные ими устройства, размеры которых в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса, действительно состоят из отдельных деталей, каждой из которых является молекула. Молекулярный мотор, молекулярный лифт и даже способная перемещаться машина-молекула с четырьмя колесами – звучит как фантастика, но все это реальные достижения, удостоенные высочайшей научной награды.

Интересно, что эру молекулярных машин предсказал тот же человек, который за четверть века до этого в своей ставшей классикой лекции «Там, внизу, полно места!» предрек расцвет нанотехнологий – лауреат Нобелевской премии по физике 1965 года Ричард Филлипс Фейнман. В публичной лекции 1984 года Фейнман сказал, что рано или поздно появятся миниатюрные машины с подвижными элементами размерами в одну или несколько молекул, подобные жгутикам бактерий, но созданные в лаборатории гигантскими руками человека. Фейнман считал, что способные к совершению механической работы синтетические молекулярные системы появятся в 2010–2020 годах. Как видим, это предсказание блестяще подтвердилось.

Фейнман мог и не знать, что первые шаги к созданию молекулярных машин были сделаны еще за год до его предсказания. В 1983 году Жан-Пьер Саваж, работавший тогда в Университете Луи Пастера над диссертацией под руководством Жан-Мари Лена, разработал практически выполнимый метод синтеза первого класса молекул без химических связей – катенанов (J. Am. Chem. Soc. 1960, 82 (16), 4433–4434). Жан-Мари Лен, наставник Саважа и один из отцов-основателей супрамолекулярной химии, получит Нобелевскую премию по химии в 1987 году «за разработку и применение молекул со структурно-специфическими взаимодействиями с высокой селективностью».

Катенаны – это системы из двух и более макроциклических соединений, сцепленных как звенья цепи, однако не образующих при этом химической связи друг с другом (само название «катенан» происходит от латинского слова catena – цепь). Конечно, Саваж не первым получил катенаны – цепочку, состоящую из двух переплетенных макроциклов, впервые синтезировали еще в 1964 году (Angew. Chem. Int. Ed. 1964, 3 (8), 546–547), из трех – в 1967-м (Chem. Ber. 1967, 100 (6), 2021–2037). Однако до работ Саважа получение молекулярных цепей было скорее любопытным курьезом органического синтеза – замыкание макроциклов и образование катенанов происходило случайным образом, и их выходы не превышали 2–3 %. Саваж впервые предложил методологию направленного синтеза катенанов, даже в самых первых экспериментах увеличив их выход до 42 %.

Как это часто бывает в химии (и в других науках тоже), метод направленного синтеза появился благодаря счастливой случайности. Работа Саважа была связана с фотохимией и разработкой молекулярных комплексов, способных поглощать энергию солнечного света и использовать ее для инициирования химических реакций. Построив модель одного из таких комплексов, отличающихся фотохимической активностью, Саваж неожиданно понял, что этот комплекс похож на катенан – две молекулы, закрученные вокруг находящегося в центре иона меди.

Синтез катенанов методом Саважа

Это существенно изменило направление его исследований. Используя фотохимически активный комплекс с медью в качестве модели, Саваж и его коллеги синтезировали циклическую молекулу и молекулу в форме серпа, после чего обе молекулы присоединили к иону меди за счет координационной связи (см. рис. 1). Ион меди был не только «якорем», он выступал и в роли шаблона, предопределяющего форму. На следующем этапе синтеза серповидная молекула взаимодействовала с третьим строительным блоком, образуя второй макроцикл, который замыкался вокруг первого, и получались два первых звена молекулярной цепи, механически связанных друг с другом. На заключительном этапе удаляли выполнивший свою работу ион меди (Tetrahedron Lett. 1983, 24 (46), 5095–5098).

Данный метод сделал возможным направленные исследования в области топологической химии – ионы металлов использовали в качестве строительных лесов для синтеза структур все более и более сложных, от длинных молекулярных цепей до молекулярных узлов причудливой формы.

Синтез катенанов методом Саважа

Вскоре Саваж и другой лауреат Нобелевской премии по химии 2016 года Фрейзер Стоддарт, в настоящее время – профессор Северо-западного университета США, стали признанными экспертами в области топологической химии. Они получили молекулярные версии многих известных в макромире узлов: трилистный узел (символ, встречающийся в кельтских орнаментах, скандинавских ритуальных изображениях, в христианстве он символизирует Святую Троицу), кольца Борромео (изображение с герба итальянской семьи Борромео, которое можно встретить и на скандинавских ювелирных изделиях, и на христианских фресках), узел Соломона. К лондонской Олимпиаде 2012 года Стоддарт синтезировал пятизвенный катенан, который в честь пяти олимпийских колец назвал олимпиаданом.

Синтез ротаксана

Конечно, все это вязание молекулярных узлов было привлекательным с точки зрения химической эстетики. Однако вовсе не усложнение структур катенанов принесло их создателям Нобелевскую премию.

Второй лауреат, Фрейзер Стоддарт, вписал себя в историю химии XXI века не только и не столько умением завязывать молекулярные узлы: как и его коллега Саваж, он оптимизировал методы синтеза и первым смог получать препаративные выходы другого типа молекул без химической связи – ротаксанов (Justus Liebigs Ann. Chem. 1969, 721 (1), 53–74).

Ротаксаны – класс соединений, состоящих из молекулы гантелевидной формы и надетого на эту «гантель» макроцикла. Стоддарт тоже не был первооткрывателем ротаксанов – впервые их получили Иан Гаррисон и Шуэн Гаррисон еще в 1967 году (J. Am. Chem. Soc. 1967, 89 (22), 5723–5724). Но как и в случае их близких родственников катенанов, до работ Стоддарта ротаксаны синтезировали, уповая на удачу, которая не позволяла получать эти молекулы с выходом более пары процентов.

В 1991 году исследователи из группы Стоддарта впервые осуществили направленный синтез ротаксана. Строительными блоками для синтеза стали молекула с положительно заряженными фрагментами, которой предстояло замкнуться в цикл, и ось ротаксана – длинный стержень, уже имеющий на концах фрагменты, которые должны препятствовать «соскальзыванию» макроцикла. Ось ротаксана, в свою очередь, была модифицирована фрагментами, несущими отрицательный заряд, – это позволяло оси ротаксана и заготовке для макроцикла, встретившись в реакционной смеси, образовать ионный мостик между разноименно заряженными фрагментами, что облегчало вдевание оси ротаксана в заготовку макроцикла. На следующем этапе синтеза исследователи замыкали макроцикл и получали ротаксан, опять же с выходом в десятки процентов (J. Am. Chem. Soc. 1991, 113 (13), 5131–5133).

Ротаксановый лифт

В первом ротаксане Стоддарта макроцикл мог свободно перемещаться вдоль оси. Однако, разработав принцип синтеза, он смог получить системы, в которых движение макроцикла удавалось регулировать за счет внешних воздействий (изменение кислотности среды, в которой растворен ротаксан, присутствие в ней определенных типов химических веществ или просто изменения температуры). Первая молекулярная машина на основе ротаксана, в которой макроцикл занимал строго определенные положения, реагируя на изменения окружающей среды, появилась в 1994 году (Nature 1994, 369 (6476), 133–137). С этого момента в стенах лаборатории было синтезировано немало молекулярных машин, среди которых молекулярный лифт, способный подниматься на высоту 0,7 нм (Science 2004, 303 (5665), 1845–1849), и искусственные мышцы из ротаксанов, сил которых хватало на сгибание тонкой фольги из золота (J. Am. Chem. Soc. 2005, 127 (27), 9745–9759). (Сила, которую создает макроцикл одного ротаксана при перемещении, – около 30 пиконьютонов (Nature Nanotechnology 2011, 6, 553–557), в то время как сила сокращения одной молекулы мышечного белка миозина колеблется от 5 до 60 пиконьютонов, так что синтетические молекулярные машины вполне конкурентоспособны по сравнению со своими аналогами, созданными эволюцией живых существ.) В сотрудничестве с другими исследователями Стоддарт разработал состоящую из ротаксанов схему памяти емкостью 20 килобайт (Nature 2007, 445 (7126), 414–417). Конечно, объемы молекулярных чипов для памяти еще не могут конкурировать с объемами существующих компьютерных чипов, к тому же их устойчивость (а следовательно, и сохранность записанной на них информации) оставляет желать лучшего, но апологеты молекулярной электроники напоминают, что были в истории науки и техники времена, когда полупроводниковые схемы не могли составлять конкуренцию теплой ламповой технике.

Молекулярные машины, созданные Стоддартом и Саважем (в соавторстве и по отдельности), хорошо справлялись с одним типом движения составляющих их элементов – поступательным. Чтобы добавить разнообразия в мир молекулярных машин, исследователям хотелось получить молекулярные моторы, элементы которых могли бы непрерывно вращаться в одном направлении. В 1990-е годы многие ученые, воодушевленные успехами Саважа и Стоддарта, пытались создать молекулярную машину с вращающимися деталями из отдельных молекул, но большинство потерпели неудачу – молекулы не вращались вообще либо меняли направление вращения случайным образом. Первым, кому удалось решить эту задачу, был голландский химик Бернард Феринга – третий лауреат Нобелевской премии по химии 2016 года.

Молекулярную машину, созданную Ферингой, можно сравнить с двумя уменьшенными копиями лопаток ротора (Nature 1999, 401 (6749), 152–155). Эта молекула состоит из двух плоских молекулярных фрагментов, соединенных двойной связью. С каждой из молекулярных лопаток была связана метильная группа, выполняющая ту же задачу, что элементы храпового механизма, – они заставляли детали макромеханизмов вращаться лишь в одном направлении. При облучении системы импульсом ультрафиолета один из роторов проворачивался на 180^о вокруг центральной оси – двойной связи, а метильный «храповик» не давал молекуле провернуться обратно. Следующий импульс ультрафиолета обеспечивает следующий поворот на 180^о, и так далее.

Самый первый молекулярный мотор не отличался высокой скоростью, но после череды постоянных оптимизаций и модернизаций Феринге с коллегами удалось добиться от него скорости вращения 12 миллионов оборотов в секунду. В 2011 году его же исследовательская группа соорудила четырехколесный молекулярный автомобиль, в котором на молекулярной раме располагалось четыре молекулы, игравшие роль колес (Nature 2011, 479 (7372), 208–211). Когда они начинали вращаться, молекулярный автомобиль поступательно двигался по поверхности.

Машина Бернарда Феринги: молекулярный ротор вращается под действием УФ-излучения

В другом изящном эксперименте исследователи из группы Феринги показали, как с помощью молекулярных моторов раскрутить стеклянный цилиндр длиной в 28 микрометров (в 10 000 раз больше молекулярных моторов). Химики внедрили молекулярные моторы в жидкие кристаллы, причем модифицировали только 1 % от всех макромолекул в их составе. Тем не менее активация работы молекулярных моторов заставляла двигаться все жидкие кристаллы. Стеклянный цилиндр, помещенный на их поверхность, вращался в том же направлении, что молекулярные моторы (Nature 2006, 440 (7081), 163–163).

Работы Жан-Пьера Саважа, Фрейзера Стоддарта и Бернарда Феринги не только вдохновили химиков всего мира на создание новых молекулярных машин и механизмов, но и снабдили их необходимым для этого инструментом. Одна из самых интересных молекулярных машин (ее разработали уже не нобелевские лауреаты этого года) – робот на основе ротаксанов, способный захватывать и связывать друг с другом аминокислоты, имитируя синтез белка на рибосоме (Nature 2015, 525, 18–21).

Молекулярный автомобиль

Важное достижение Саважа, Стоддарта и Феринги состоит в том, что всем троим удалось получить молекулярные системы, выведенные из состояния равновесия. Химические системы, с которыми приходится иметь дело в лаборатории, стремятся к положению устойчивого химического равновесия, другими словами – к наиболее выгодному с точки зрения потенциальной энергии состоянию. Химические же системы, лежащие в основе процессов, которые протекают в живой ткани, работают именно в неравновесном режиме. Пока организм жив, он извлекает энергию из пищи, и эта энергия заставляет биологические молекулярные машины выходить из устойчивого равновесия, увеличивая свою потенциальную энергию. Для возвращения в равновесное состояние им приходится совершать механическую работу – и так до тех пор, пока происходит обмен веществ, то есть организм сохраняет жизнеспособность.

Как и молекулярные машины живых организмов, системы, созданные Саважем, Стоддартом и Ферингой, могут выполнять множество задач, и это открывает химикам шкаф, ведущий в страну волшебства. Как было сказано в официальном объявлении Нобелевского комитета от 5 октября 2016 года, ситуация с готовностью молекулярных машин к практическому применению в настоящее время напоминает ситуацию с созданием первых прототипов электродвигателей в век угля и пара – 20–30-е годы XIX века. Естествоиспытатели тех времен рассматривали их как бесполезные, хотя и весьма интересные установки, крутящие колеса и поднимающие грузы в лабораториях; никто и не подозревал, что настанет время, когда, говоря словами более поздней песни, «нам электричество пахать и сеять будет». Как считают многие химики, физики и биологи, нынешняя Нобелевская премия по химии – это триумф фундаментальной, академической науки, и ожидание компьютера на молекулярных чипах или механизма, приводимого в движение молекулярными машинами, может надолго затянуться.

Более оптимистично настроенные эксперты говорят, что вручение премии Саважу, Стоддарту и Феринге вполне может ускорить этот процесс. Они приводят в пример ситуацию с Нобелевской премией по физике 2010 года, которая была присуждена за получение двумерной аллотропной модификации углерода – графена, в то время интересного, но непонятно для чего нужного материала. Однако премия Гейма и Новоселова резко увеличила интерес к графену и его аналогам, вовлекла множество людей в работу, что и привело в итоге к созданию в 2013 году европейской десятилетней программы по изучению графена и связанных с ним технологий с ежемесячным бюджетом в 54 миллиона евро (http://graphene-flagship.eu/). Есть надежда, что Нобелевская премия 2016 года привлечет к делу создания молекулярных машин и новых исследователей, и новые инвестиции. Так это или не так, покажет время.

Вместе с тем не следует забывать, что помимо пользы и эффектов, связанных с практической значимостью молекулярных машин, есть еще и то, что называется «научная значимость», а она заметна уже сегодня. Некоторые закономерности, выявленные при изучении движения и выполнения работы синтетическими молекулярными машинами, позволяют глубже понять принципы молекулярных машин, созданных эволюцией. Появляется возможность посмотреть под новым углом на молекулярную биологию, на неравновесные процессы с участием большого числа атомов и молекул. В любом случае каждая Нобелевская премия по химии – научное событие года, а нынешняя привлекательна еще и тем, что она отметила успехи наиболее важных разделов химии XXI века – химии синтетической и химии супрамолекулярной. Миниатюризация дор размеров молекулы затрагивает не только устройства, способные к выполнению механической работы, но и электронные устройства и схемы.

Молекулярный микрочип уже работает

Еще в 2007 году был создан прототип микросхемы памяти с плотностью записи около 100 гигабит на квадратный сантиметр – примерно в 40 раз выше, чем у производимых ныне аналогов. Носителями информации в ней служат молекулы органического соединения [2]-ротаксана, способные переключаться между двумя стабильными состояниями. Микросхема более чем на десятилетие опережает предсказания закона Мура, согласно которому такая степень миниатюризации запоминающих устройств может быть достигнута только к 2020 году.

Кремниевые интегральные микросхемы уже достаточно близко подошли к пределу своих возможностей как по минимальному размеру элементов (например, ячеек памяти), так и по количеству элементов в одном кристалле. Поэтому сейчас ведутся активные поиски материалов, которые могли бы послужить основой для значительно более компактной молекулярной электроники. В идеале, каждую молекулу такого вещества можно было бы использовать как отдельный переключатель, хранящий один бит информации.

Одним из классов молекул, способных на это, стали [2]-ротаксаны, созданные исследовательской группой под руководством Джеймса Хита (James Heath) из Калифорнийского технологического института и Фрейзера Стоддарта (Fraser Stoddart), директора Института наносистем Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Исследования уже вышли на стадию разработки технологий: в опубликована статья о работающем чипе молекулярной памяти объемом 160 000 бит.

Ротаксаны (rotaxane) состоят из двух компонентов, химическая связь между которыми отсутствует. Первый компонент ротаксана – длинная гантелеобразная молекула, строение которой линейно, второй компонент – макроцикли– ческое соединение, охватывающее тонкий стержневой фрагмент молекулярной гантели. При этом объемные заместители на концах гантели играют роль своеобразных заглушек и не дают макроциклу соскользнуть со стержня, оставляя для него возможность движения только вдоль оси молекулярной гантели. А то, что один из концов гантели гидрофильный, а второй гидрофобный, позволяет получать из ротоксанов одномолекулярные пленки, в которых все молекулы одинаково ориентированы.

[2]-ротаксан (two-state rotaxane), используемый калифорнийскими учеными, имеет в своей структуре положительно заряженное кольцо, которое может фиксироваться межмолекулярными взаимодействиями в двух различных позициях. Одна из этих позиций соответствует «нулю», а другая – «единице».

В обычном (закрытом, непроводящем) состоянии, соответствующем «нулю», кольцо связывается с тетратиафульваленовой группой. Окисление тетратиафульвалена приводит к появлению на фрагменте TTF положительного заряда (из-за отбора электронов), и положительно заряженное макроциклическое соединение отталкивается ко второй позиции, в которой проводимость ротаксана максимальна. Это состояние электронного прибора соответствует логической «единице».

Группа Хита и Стоддарта разместила монослой молекул [2]-ротаксана между перекрещивающимися 400 кремниевыми и 400 титановыми нанопроводами. Шаг решетки составляет около 30 нанометров (15 нм ширина провода и столько же – расстояние между соседними проводами). В каждой точке пересечения между кремнием и титаном локализовано около 100 молекул, способных реагировать на электрические сигналы. Подавая напряжение на один горизонтальный и один вертикальный провода, можно прочитать или записать один бит информации. При этом каждый из 400 x 400 = 160 000 битов может функционировать независимо от других.

Таким образом, создан работающий прототип молекулярного чипа, способного хранить около 20 килобайт информации на площади в 100 раз меньше, чем срез человеческого волоса.

а

b

а. Молекулярный микрочип шириной 30 мкм в процессе из-готовления. Нижний слой, состоящий из кремниевых нанопроводов, готов, и к нему подведены электроды (справа). Осталось положить слой молекул [2]-ротаксана и нанести сверху слой титановых нанопроводов, электроды для которого уже подготовлены (слева). b. Одна из стадий изготовления микрочипа: к кремниевым нанопроводам подведены электроды. Каждый из них имеет ширину около 70 нм и касается 2 или 3 нанопроводов шириной 15 нм каждый.

Правда, это всё-таки только прототип. Подвести к нанопроводам внешние контакты оказалось сложнее, чем создать сами провода (для чего была использована оригинальная технология гравирования), поэтому пока реально функционирует только небольшой участок микросхемы – 10 x 18 бит. Из-за ограничений нанотехнологии сработала всего половина протестированных битов, и только с половины из них удалось считать записанную информацию. Наконец, молекулы [2]-ротаксана пока выдерживают лишь несколько циклов записи, после чего «выходят из строя».

Калифорнийские ученые уверены, что все эти трудности будут преодолены, хотя и не берутся назвать конкретные сроки. В любом случае, уже можно утверждать, что поставлен новый рекорд плотности записи данных и продемонстрирована возможность создания молекулярных микросхем, пригодных для практического применения. Недаром одному из авторов исследования, Фрейзеру Стоддарту, за заслуги в области химии и нанотехнологии месяц назад английская королева пожаловала рыцарский титул (knight bachelor). Сэр Стоддарт пополнил список ученых-рыцарей наряду с нобелевскими лауреатами Александром Флемингом (Alexander Fleming), Александром Тоддом (Alexander Todd) и Харольдом Крото (Harold Kroto).

Диод из одной молекулы уже работает

Ещё четыре десятилетия назад было высказано предположение, что отдельная молекула может функционировать как диод – элемент электронной схемы, позволяющий электрическому току течь только в одном направлении, но не в противоположном.

В новой работе группа ученых, руководителем которой являются Латха Венкатараман (Latha Venkataraman) из Колумбийского университета, продемонстрировала простой способ получения низковольтных мономолекулярных диодов, отличающихся хорошей производительностью. Фактически, коэффициент выпрямления – отношение прямого тока диода к обратному – почти в 50 раз превышает аналогичный параметр более ранних прототипов (Nat. Nanotechnol. 2015, DOI: 10.1038/nnano.2015.97).

Создавая все меньшие по размеру и все более мощные электронные компоненты, исследователи продемонстрировали, что различные типы элементов электронных схем, важных для современной электроники, могут быть уменьшены до такого размера, при котором их функции могут контролироваться отдельной молекулой. Тем не менее мономолекулярные версии диодов до настоящего времени оставались неуловимыми – было получено много прототипов, но все они работали малоэффективно.

Прежние попытки создания мономолекулярных диодов обычно основывались на применении асимметричных молекул, в которых для контроля направления тока использовались донорные и акцепторные заместители. Эти диоды отличались низким значением коэффициента выпрямления, и им для работы требовалось существенное напряжение. В новой работе был использован иной подход: исследователи использовали симметричные молекулы – олигомеры диоксида тиофена, а анизотропия электрических свойств индуцировалась дизайном электродов диода.

Если говорить более конкретно – исследователи поместили олигомер между крошечным золотым зондом сканирующего туннельного микроскопа и гораздо большим по размеру субстратом, тоже из золота. При погружении молекулы, связанной с электродами, в раствор ионных соединений в пропиленкарбонате исследователи наблюдали накопление на электродах положительно и отрицательно заряженных ионов, что создавало асимметрическое химическое окружение для схемы. В таких условиях молекулярный диод работал, замена полярного пропиленкарбоната на неполярный растворитель приводит к тому, что устройство не работает.

Марк Ратнер (Mark A. Ratner), который 40 лет назад совместно с Арие Авирамом (Arieh Aviram) теоретически обосновал возможность использования отдельной молекулы в качестве диода, высоко оценивает новую работу – фактически она является экспериментальным свидетельством правильности его воззрений, однако Ратнер указывает, что необходимость применения жидкости может дополнительно осложнить практическое применение нового устройства.

* * *

Следующую команду веществ-рекордсменов тоже можно рассматривать как наглядную иллюстрацию того, как со временем рвутся привычные для нас шаблоны и ограничения, которые мы успели наставить себе благодаря учебникам по химии в школе. Всех нас когда-то учили, что максимальная возможная валентность равна номеру группы и, следовательно, не может быть больше восьми, максимальная положительная степень окисления тоже равна номеру группы и не может быть больше, чем +8, металл в соединениях может только отдавать электроны. Однако развитие химии показывает, что даже из правил, когда-то освоенных нами в школе, есть исключения, и вот тому примеры.

Степень окисления +9 – невероятно, но возможно

Степень окисления элемента в молекуле хотя и носит формальный характер (степень окисления атома в соединении численно равна величине электрического заряда, приписываемого атому, исходя из предположения, что соединение состоит только из ионов), является важным средством классификации электронного состояния молекул, а также параметром, определяющим строение молекулы и особенности химического связывания. Длительное время предполагалось, что максимально возможной степенью окисления может быть +8, причем вещества, в которых такая степень окисления проявлялась, можно было пересчитать, задействуя для этого пальцы одной руки – это высшие оксиды рутения, ксенона, иридия и осмия – RuO₄, XeO₄, IrO₄ и OsO₄ соответственно. В этих соединениях от центрального атома происходит отток большого количества электронов валентного уровня – эти электроны смещаются к электроотрицательному кислороду.

Тем не менее в 2014 году международная группа исследователей совершила практически невозможное, получив устойчивый оксокатион [IrO₄]⁺ – первый пример объекта, в котором иридий характеризуется формальной степенью окисления +9 и в образовании которой участвуют электроны не только внешнего, но и предвнешнего слоя электронной оболочки иридия (Nature 2014, DOI: 10.1038/nature13795).

Как отмечает Грегори Джиролами (Gregory S. Girolami), эксперт по неорганической химии из Университета Иллинойса (Урбана-Шампейш, США), само заявление о том, что частица, содержащая элемент в степени окисления +9, может быть настолько устойчива, что его удастся выделить на препаративном уровне, кажется подрыванием устоев теоретической химии. Если рано или поздно удастся выделить устойчивое соединение, содержащее катион [IrO₄]⁺ (пока он был зафиксирован только в газовой фазе), такое соединение иридия будет достойно приглашения в элитный клуб химических веществ, в котором уже находятся производные инертных газов, существующие, несмотря на то, что когда-то их существование отрицалось всеми возможными концепциями теоретической химии.

Из всех четырёх оксидов состава ХО₄ иридий стоит особняком: для иридия, конфигурацию валентного уровня которого можно описать как 5d⁷6s², формально можно говорить о наличии девяти валентных электронов, а в оксиде IrO₄, допуская на уровне обычного приближения для вычисления степени окисления то, что все электроны иридия переходят к атомам кислорода, электронную конфигурацию иридия можно было бы представить как 5d¹.

Теоретическое исследование электронной конфигурации полученного в 2009 году IrO₄ позволяло предположить, что последний электрон с d-орбитали иридия может быть удален и, в результате чего будет получен устойчивый катион оксида иридия [IrO₄]⁺, степень окисления иридия в котором будет +9.

Исследовательским группам из Университета Альберта Людвига (Германия), Университета Фудана (Шанхай), Университета Циньхуа (Пекин) и Университета МакМастера (Гамильтон, провинция Онтарио, Канада) удалось заставить иридий исполнить предсказанное теоретически, и этот металл стал элементом, для которого получены производные с когда-то считавшейся невозможной степенью окисления.

Для получения [IrO₄]⁺ исследователи обрабатывали мишень из металлического иридия, помещенную в атмосферу аргона, содержащего следовые количества кислорода, импульсами лазера. Продукты реакции изучали с помощью масс-спектрометрии и спектроскопии инфракрасной фотодиссоциации, с помощью которых и удалось обнаружить частицу [IrO₄]⁺. Соотнесение же результатов эксперимента с расчетами позволило определить, что наиболее устойчивая геометрическая конфигурация [IrO₄]⁺ – тетраэдр, в вершинах которого располагается четыре атома кислорода, образующих с центральным атомом двойные связи Ir=O.

На следующем этапе исследователи предприняли попытку выделить соль с катионом [IrO₄]⁺, обрабатывая тетроксид иридия сильными окислителями, такими как O₂SbF₆ и XeF₆. Хотя на настоящий момент времени им не удалось подобрать условия реакции для получения конденсированного соединения с [IrO₄]⁺, однако они не теряют надежды и продолжают попытки.

Как отмечает специалист по квантовохимическим расчетам, занимавшийся в том числе и моделированием строения и свойств соединений иридия в различных степенях окисления, Пекка Пиикко (Pekka Pyykk?) из Университета Хельсинки, доказательство возможности существования степени окисления +9 имеет значение не меньшее, а может даже и большее, чем открытие нового химического элемента. Частица, содержащая иридий Ir(+9), расширяет список возможных положительных степеней окисления иридия – фактически в настоящее время известны соединения иридия, в которых степень окисления пробегает все положительные значения от Ir(+1) до Ir(+9), а также две устойчивые отрицательные степени окисления.

Рекордно большое координационное число равно 16

Наряду с понятием «валентность» – числом химических связей, которые способен образовать атом химического элемента (валентность определяется строением внешнего электронного слоя), в химии часто применяется понятие «координационное число» – число ближайших к атому или иону частиц (атомов или ионов) в молекуле или кристалле. Если говорить о координационном числе атома в отдельной молекуле, оно, как и валентность, зависит от строения внешнего электронного слоя атома, а вот в кристаллах координационное число атомов и ионов зависит от строения кристаллической решетки, которое, в свою очередь, диктуется размером структурных единиц вещества. Хотя координационное число ряда элементов может принимать достаточно большие значения (например, в кристалле поваренной соли ион натрия окружен восемью хлорид-ионами, и координационное число натрия в данном случае равно восьми), относительные размеры ионов и атомов накладывают свое ограничение и на этот параметр, характеризующий состояние атомов в кристалле. Тем не менее химикам, как всегда, хочется знать, есть ли предел для количества соседей, которые могут располагаться в непосредственной близости с каким-то атомом.

Исследователи резонно предполагают, что для получения веществ, в котором будет достигаться рекордное значение координационного числа для одного из атомов, необходимо, чтобы в контакте находились атомы химических элементов с максимально различающимися атомными (или ионными) радиусами. Один из подходящих вариантов – атомы цезия и фтора, разбежавшиеся в разные углы Периодической системы. Цезий расположен в нижнем левом углу таблицы Менделеева и представляет собой типичный металл, элемент с максимально низкой электроотрицательностью (среди обладающих устойчивыми изотопами химических элементов), а типичный неметалл с наибольшим значением электроотрицательности фтор – в верхнем правом углу. Атомный радиус цезия составляет 2,49 Ангстрем, фтора – 1,63 Ангстрем, и исследователи полагали, что при получении соединений, в которых фтор и цезий будут сближены, произойдёт что-то необычное. Предположение подтвердилось.

Химики из группы Клауса-Ричарда Поршке (Klaus-Richard P?rschke) смогли получить вещество, в котором центральный ион цезия координирован с шестнадцатью атомами фтора – для атома или иона щелочного металла такое координационное число является рекордным (J. Am. Chem. Soc., 2016, 138 (30), P. 9444–9451; DOI: 10.1021/jacs.6b02590).

Примеров структур с координационным числом большим, чем 12, мало, поскольку получение таких соединений сопряжено с целым рядом экспериментальных сложностей, обусловленных ограниченным пространством вокруг центрального атома и возникающим между лигандами электростатическим отталкиванием. Химики пытались получить вещества с координационным числом, равным шестнадцати, годами, но сообщения об успехе в этой области касались d- и f-металлов – сообщалось о получении гидридов тория, в которых торий принимал координационные числа 15 и 16, в газовой фазе был зарегистрирован комплекс с шестнадцатью связями Co-B.

Поршке удалось получить ионное соединение, в котором большой точечно заряженный катион Cs⁺ связан ионными связями со слабо координирующимся анионом [H₂NB₂(C₆F₅)₆]^—, такое сочетание ионов позволило значительно превысить координационное число, равное 12. Для этого даже не потребовалось вводить в состав соединения атом водорода (самый маленький атом из тех, что могут образовывать соединения, атом гелия еще меньше водорода, но он тут не в счёт). Исследователи получили Cs[H₂NB₂(C₆F5)₆], перемешивая раствор исходных соединений – [Na(OCH₂CH₃)₄][H₂NB₂(C₆F₅)₆] и CsF в дихлорметане. Строение полученного соединения и рекордное значение координационного числа цезия были подтверждены с помощью метода рентгеноструктурного анализа.

Платина с отрицательным зарядом

Еще одним устоявшимся представлением о поведении веществ в соединении, оставшимся у многих после школы, было то, что металлы только отдают электроны, и поэтому на атоме металла не может находиться отрицательный заряд и металл не может принимать отрицательные степени окисления.

Что касается тезиса со степенью окисления – он опровергнут достаточно давно, и имеется немало соединений, в которых степень окисления металла отрицательна. Правда, особой заслуги металлов тут нет – сам формализм подсчета степеней окисления может давать такой результат, даже если сам металл и не будет притягивать к себе электроны. С отрицательным зарядом на металле сложнее: считалось, что все же металлы не могут быть конкурентами в борьбе за электроны и, по крайней мере, в несложных по структуре веществах отрицательный заряд на металле не может существовать. В 2016 году оказалось, что бывают случаи, когда электронам лучше с металлом, чем с неметаллом.

Исследователи из США получили в кристаллическом состоянии первую двойную интерметаллическую соль, в которой на платине локализован отрицательный заряд (Angew. Chem., Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201606682).

Соединение состава Cs₉Pt₄H (платинид-гидрид цезия) открыли специалисты по химии материалов Володимир Сметана (Volodymyr Smetana) и Аня-Верена Мудринг (Anya-Verena Mudring) из лаборатории Эймса при Министерстве энергетики США. Платинид-гидрид цезия является первым примером соединения, состоящего из трех элементов, в котором платина принимает степень окисления –2.

Известно достаточное количество гидридов, в состав которых входят щелочные металлы, платина и водород, однако в составе этих веществ платина имеет положительную степень окисления и несет положительный заряд. К настоящему времени примеры веществ, в которых имеются отрицательно заряженные ионы металлов, крайне редки.

Соединение Cs₉Pt₄H было выделено в виде кристаллов вишнево-красного цвета, для его получения использовали реакцию платины с металлическим цезием и гидридом цезия. Изучение платинид-гидрида цезия с помощью ЯМР-спектроскопии и квантовохимического моделирования подтвердило его строение и распределение зарядов.

* * *

Получение рекордных значений степеней окисления, координационных чисел и других параметров опять же нужно не только и не столько для «химического коллекционирования», но в первую очередь для установления природы химической связи, распределения электронной плотности. Всё это, в свою очередь, нужно для изучения поведения электронов в веществах, способов управления этими электронами и создания материалов, которые потом можно будет приспособить для чего-то полезного.

Так, например, критерием смещения электронов от одного атома к другому определяется таким параметром, как дипольный момент – чем больше его значение, тем в большей степени электроны смещены от одного атома к другому. Ещё недавно считалось, что максимальным дипольным моментом обладают соединения с ионным типом химической связи, в которых переходит практически полный перенос электронной плотности от одного партнёра к другому, однако молекулы с ковалентными связями, связями, которые, как говорит учебник, образуются за счет общей электронной плотности, продемонстрировали большее значение дипольного момента.

Рекордный дипольный момент

Группа исследователей из Германии и Греции синтезировала гексазамещенный бензол, который отличается самым большим значением дипольного момента, зафиксированным в настоящее время для нейтральной молекулы (Angew. Chem., Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201508249). Рекордсменами оказались молекулы, в которых с бензольным кольцом связано сразу шесть заместителей – атомов и атомных группировок, часть из которых является донорами, а часть акцепторами электронной плотности.

Ранее уже предпринимались попытки синтеза исключительно полярных соединений за счет введения нескольких электроноакцепторов и нескольких электронодоноров к противоположным сторонам бензольного кольца. Однако синтез стерически затрудненных полизамещенных бензолов представляет собой непростую задачу, и обычные приемы замещения в бензольном кольце здесь оказываются бесполезными.

Исследователи использовали нетрадиционный, но оказавшийся при этом более эффективным подход, основанный на окислительном бромировании с последующей реакцией цианирования, протекающий в условиях катализа комплексами палладия и получили ряд гексазамещенных производных бензола.

Дипольный момент некоторых полученных соединений достигает 14,1 Дебаев, что сравнимо и даже больше величины дипольного момента ионных соединений (например, дипольный момент бромида калия равен 10,5 Дебаев).

Исследователи надеются, что соединение со столь значительным разделением зарядов сможет повысить эффективность полупроводников для солнечных батарей. Соединения со значительным дипольным моментом также могут найти применение и в оптоэлектронике – они способны взаимодействовать с собственным электрическим полем света и менять его характеристики.

* * *

Ещё одной важной концепцией, связанной с электронным строением веществ, является концепция ароматичности, при упоминании которой у многих в голове всплывает формула бензола – молекулы С₆Н₆, которую можно описать как правильный шестиугольник. Тем не менее к ароматическим соединениям относятся вещества, в составе циклической цепи которых есть и другие элементы, кроме углерода, причем есть и те, где углерода нет совсем, и те, форма которых отличается от привычной шестиугольной.

Новые «неорганические бензолы»

Исследователям из Германии и России впервые удалось синтезировать аналоги бензола, ароматическое кольцо которых содержит кремний и атомы элементов подгруппы азота (J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 10433).

Хотя примеры веществ, которые можно было бы назвать «неорганическим бензолом», существуют, их количество оставляет желать лучшего. Для пополнения «химической коллекции» (ну и не только для этого, конечно) исследователи из России и Германии смогли синтезировать обладающие ароматическими свойствами аналоги бензола, содержащие в цикле только кремний и элементы 15-й группы (фосфор или мышьяк).

Классическим примером органических ароматических систем является молекула бензола; идея о том, что эта молекула представляет собой шестичленный цикл, впервые пришла в голову Августу Кекуле в 1865 году. В 1926 году впервые был синтезирован «неорганический бензол» – боразин (B₃N₃H₆). С той поры было описано много гетероциклических ароматических соединений – производных бензола, в которых один, два или даже три-четыре атома углерода заменены на гетероатомы, однако сообщения о неорганических аналогах бензола – циклических соединениях, в составе которых вообще нет атомов углерода, до сих пор единичны.

Андреас Зайтц (Andreas Seitz) из Университета Регенсбурга и его коллеги, среди которых Евгения Пересыпкина (Eugenia V. Peresypkina) из Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН, пополнили скромный перечень примеров «молекул бензола», не содержащих атомов углерода, двумя новыми примерами – триарсатрисилабензолом и трифосфатрисилабензолом. Эти аналоги бензола были получены в результате взаимодействия производных циркония, содержащих либо мышьяк, либо фосфор, с монохлорсилиленом в толуольном растворе. Ароматический характер обоих полученных соединений подтвержден и экспериментально, и теоретически.

Цикл из атомов бора ставит новые рекорды в ароматичности

Синтезировав устойчивый цикл B₃, группа химиков-неоргаников получила самую маленькую и самую легкую ароматическую систему, которую можно синтезировать в лаборатории (Angew. Chem. Int. Ed. 2015, DOI: 10.1002/anie.201508670).

Помимо того, что новый синтез может оказать существенную помощь исследователям в изучении особенностей химической связи и выявления соотношений структура-свойство, синтезированная сендвичевая молекула, содержащая два цикла B₃, связанных между собой ионами натрия, может оказаться в том числе и практически полезной как первый представитель семейства молекул-прекурсоров для получения полупроводимых, сверхпроводимых и магнитных материалов.

Томас Купфер (Thomas Kupfer), Хольгер Брауншвейг (Holger Braunschweig) и Кржиштоф Радаки (Krzysztof Radacki) из Вюргбургского университета им. Юлиуса Максимиллиана получили триборациклопропенил-дианион, обрабатывая циклогексилзамещенный дихлораминоборан металлическим натрием в диметоксиэтановом растворе. С помощью компьютерных, спектральных, структурных и электрохимических методов исследования исследователи из Вюрцбурга доказали, что цикл B₃ обладает электронной структурой, соотносимой со структурой классических углеродсодержащих ароматических соединений, таких как циклопропенил-катион и бензол.

Как заявляет Александр Болдырев (Alexander I. Boldyrev), работающий в Университете штата Юта, в группе которого в последние 15 лет интенсивно проводилось компьютерное моделирование структуры плоских циклов, состоящих только из атомов бора, данная работа является значительным прорывом в области экспериментального изучения феномена ароматичности, открывающим принципиально новое направление в химии бора.

Определение ароматичности, данное Хюккелем, долгое время позволяло рассматривать феномен ароматичности как свойство, присущее исключительно карбоциклическим или гетероциклическим молекулам, и лишь в недавнее время было получено несколько неуглеродных ароматических систем, состоящих при этом из атомов более тяжелых, чем углерод.

Тем не менее химики довольно долго предсказывали, что плоские циклические системы, состоящие только из атомов бора от B₃ до B₁₅ или большие по размеру, также могут проявлять ароматические свойства. Исследователи долгое время пытались синтезировать борсодержащие циклы, однако такие структуры не удавалось выделять в виде стабильных соединений. До недавнего времени единственными аргументами в пользу существования «борароматичности» были примеры получения борсодержащих частиц за счет активации лазерным излучением и их исследование в газовой фазе.

Бонифас Фоква (Boniface Fokwa) из Университета Калифорнии (Риверсайд) отмечает, что новое открытие может, наконец, поставить точку в длительной дискуссии о возможности или невозможности применения концепции ароматичности к гомоциклическим неуглеродным системам.

В 2012 Фоква получил твердотельный материал Ti₇Rh₄Ir₂ B₈, который стал первым примером устойчивого и выделяемого соединения, содержащего плоские циклы, состоящие только из атомов бора. Фоква добавляет, что получение цикла B₃ является дополнительным весомым аргументом в пользу возможности получения и других устойчивых твердых производных бора с плоскими циклами. Исследователь надеется, что данная работа станет основой для получения новых функциональных производных бора с уникальными свойствами.

* * *

Вещества-рекордсмены могут быть самыми-самыми и, скажем, по количеству атомов углерода или кислорода – в этом случае польза от таких рекордсменов чаще всего бывает уже более понятной, поскольку для таких веществ гораздо проще подобрать задачи, которые они в состоянии решать.

Самая длинная цепь из атомов углерода

Международной группе исследователей удалось получить самую длинную на настоящий момент линейную цепь, состоящую только из атомов углерода (без боковых групп), объединив в такое мономолекулярное волокно, длина которого составляет почти микрометр, 6000 атомов (Nat. Mater. 2016, DOI: 10.1038/nmat4617).

Новое достижение уверенно бьёт прошлые рекорды (цепочка из примерно сотни атомов углерода), полученную цепь можно рассматривать как модель карбина, аллотропной модификации углерода, вызывающей наибольшее число дискуссий между исследователями.

Теоретически карбин представляет бесконечную одномерную цепь из атомов углерода, связанных чередующимися одинарными и тройными связями, которая теоретически должна обладать большей прочностью и жесткостью по сравнению такими аллотропными модификациями углерода, как графен, углеродные нанотрубки и алмаз. На практике, в отличие от теории, линейные углеродные цепи с чередующимися одинарными и тройными связями быстро связываются друг с другом, образуя сшитый полимер. Эта неустойчивость, равно как и то, что за карбин многократно ошибочно принимали другие соединения, вызывает горячие споры о том, можно ли вообще получить эту аллотропную модификацию углерода.

Пичлер с соавторами предусмотрительно не назвал полученные им структуры «карбином», скоромно обозначив их как «очень длинные углеродные цепи». Проблема неустойчивости была решена следующим образом: цепи выращивали внутри углеродных нанотрубок, защищавших цепи от побочных реакций сшивки, и именно это решение позволило побить существующий рекорд в 50–60 раз.

Как отмечает Хисанори Синохара (Hisanori Shinohara), специалист по наноразмерным формам углерода из Университета Нагойи, результаты новой работы можно считать исключительными. Он полагает, что следующий шаг, который определенно надо предпринять, – извлечь линейные углеродные цепи из нанотрубок и изучить свойства материала, так сильно напоминающего карбин.

Твёрдый окислитель бьет рекорды по содержанию кислорода

Исследователи из Германии синтезировали тетранитратэтан (C₂H₂N₄O₁₂), твёрдый окислитель, отличающийся одним из самых высоких содержанием кислорода из синтезированных в настоящее время соединений (Chem. Commun., 2016, 52, 916; DOI: 10.1039/c5cc09010e).

Исследование, в результате которого удалось получить новый тип твердого окислителя, является частью международного проекта по получению новых окислителей, способных заменить токсичный перхлорат аммония (NH₄ClO₄).

К органическим окислителям относят вещества с положительным кислородным балансом, то есть те, при горении или разложении которых наряду с обычными продуктами полного или неполного сгорания органики (вода, углекислый газ, азот, в ряде случаев – угарный газ) выделяется молекулярный кислород.

Тетранитратэтан, полученный в лаборатории Томаса Клапотке (Thomas Klap?tke), не только отличается наиболее высоким содержанием кислорода по сравнению с известными в настоящее время твердыми окислителями, но и представляет собой весьма редкий пример соединения, в котором с одним атомом углерода одновременно связано больше одной богатой кислородом нитрато-группы – O–NO₂.

C содержанием кислорода, равным 70,1 % и большим кислородным балансом, чем у перхлората аммония, тетранитратэтан мог бы рассматриваться как перспективный окислитель. В соответствии с расчетами эффективности его применения как окислителя в процессах горения, моделирующих горение ракетного топлива позволяют говорить о том, что смеси топливо/тетранитратэтан эффективнее смесей топливо/перхлорат аммония и многих других.

Тем не менее сам Клапотке и его коллеги пока ещё сомневаются в возможности практического применения своего детища: тетранитратэтан отличается низкой термической устойчивостью, при нагревании разлагается со взрывом, он чувствителен к трению и толчкам и способен к самопроизвольному разложению со взрывом (с другой стороны, все эти свойства присущи и чистому нитроглицерину, «взрывной характер» которого всё же методом проб и ошибок был укрощен).

Новые рекорды для основности

До прошлого десятилетия самым сильным основанием (веществом или частицей, способной присоединять положительно заряженный атом водорода, зачастую «вырывая» его из других соединений) в течение трех десятков лет считали метил-анион H₃C^—. Рекорд основности метил-аниона аниона был побит в 2008 году с получением аниона LiO^—, однако он не продержался и десятилетие – синтез австралийскими исследователями дианиона, устойчивого в газовой фазе, отбросил анион LiO^— на второе место в шкале основности.

Сверхноснования (супероснования), которые отличаются высоким сродством к протону, такие как, например, бутиллитий или гидрид натрия, чрезвычайно важны для органического синтеза. Химики-синтетики применяют эти вещества на практике для депротонирования слабых кислот – чем слабее кислота, тем более сильное основание требуется для её депротонирования.

Бервик Поад (Berwyck Poad) и его коллеги из Вуллонгонгского университета вели целенаправленный поиск сверхосновных многозарядных анионов, получить которые не так просто из-за их неустойчивости, связанной с взаимным отталкиванием одноимённых зарядов.

Компьютерное моделирование, позволяющее рассчитать скорость переноса электронов, позволило предсказать относительно высокую устойчивость сопряженного орто-диэтинилбензол-аниона. Как отмечает Поад, самым интересным моментом работы можно считать то обстоятельство, что устойчивость дианиона была предсказана в рамках в рамках квазиклассического приближения теории Маркуса. С другой стороны, расчеты, проведенные для определения сродства к протону дианиона, даже не половина работы, даже по окончании работы главными вопросом исследования остается возможность экспериментального получения вещества с предсказанными свойствами. Поад с коллегами успешно завершил и «синтетическую» часть работы – он успешно синтезировал сверхосновный анион, который даже способен депротониовать такую слабую С – Н кислоту, как бензол.

Как отмечает Роберт Вианелло (Robert Vianello), эксперт по межмолекулярным взаимодействиям и дизайну новых органических материалов, отмечает, что проделанная австралийскими исследователями работа будет иметь большое значение и для теории, предоставляя новую информацию о строении анионов, основности и природе химической связи, и для практики – основные и сверхосновные вещества находят широкое применение в нефтепереработке, катализаторах полимеризации и устройствах конверсии химической энергии и энергии света в электроэнергию.

Новые рекорды для кислотности

Если сверхоснование отличается исключительным сродством к иону водорода Н+, то сверхкислота, сильная кислота, напротив, стремится от этого иона избавиться. Когда химикам требуется особо сильная кислота, они обычно используют трифторметансульфокислоту (CF₃SO₃H); её имид, (CF₃SO₂)₂NH или трис(трифлил)метан, (CF₃SO₂)₃CH. Эти кислоты, равно как и их соли, применяются в качестве катализаторов, электролитов в топливных электролитных ячейках и стабилизаторов реакционноспособных частиц.

Расширяя семью сильных органических кислот, исследователи из немецкого Института изучения каменного угля им. Макса Планка синтезировали новую C – H-сверхкислоту: 1,1,3,3-тетратрифлилпропен (Angew. Chem. Int. Ed. 2016, DOI: 10.1002/anie.201609923).

Создание органических сверхкислот обычно начинается с определения желаемой структуры ее аниона, размещении электроноакцепторных групп около фрагмента C – H, который планируется сделать кислотным. Эти мероприятия нужны для понижения основности гипотетического аниона за счет делокализации его отрицательного заряда. Трифлильные группы используются достаточно часто, поскольку они наиболее эффективно оттягивают на себя электроны, тем самым повышая кислотность связи C – H.

Исследователи пытались получить новую сверхкислоту, содержащую более чем три электроноакцепторных группы, в то же время стараясь сохранить симметрию аниона, необходимую для равномерного распределения отрицательного заряда. Это привело их к созданию молекулы, пропеновый скелет которой связан с четырьмя трифлильными группами. 1,1,3,3-Тетратрифлилпропен был получен в две стадии из коммерчески доступного бис(трифлил)метана. Обнаружено, что 1,1,3,3-тетратрифлилпропен проявляет наиболее высокую каталитическую активность среди других трифлильных производных в ацилировании Фриделя-Крафтса, альдольной реакции Мукаямы и других.

Три связи металл-азот разного порядка в одном комплексе

Почти спустя четыре десятилетия после того, как в 1978 году Ричарду Шроку удалось синтезировать синтезировали алкил-алкилиден-алкилидиновый комплекс вольфрама W(CBu-t)(CHBu-t)(CH₂But)(dmpe), исследователям из США удалось получить его азотсодержащий аналог – нитрид-имид-амидный комплекс хрома (Chem. Sci., 2016, DOI: 10.1039/c5sc04608.)

Исследователи из группы Аарона Одома из Университета Мичигана, давно и плодотворно получающие металлоорганические нитридные и имидные комплексы хрома, синтезировали комплекс, в котором один атом хрома связан с атомами азота двумя одинарными, двойной и тройной связями. Полученное соединение было получено в результате реакции нитридного трис(амидного) комплекса хрома с гидридом калия в присутствии криптанда. Уникальный азотсодержащий комплекс хрома [K(crypt-2.2.2)][NCr(NPh)(N(Pr-i)₂)₂] представляет собой кристаллическое вещество янтарного цвета. Порядок связей в полученном соединении был подтвержден с помощью анализа связей по Майеру и в результате анализа ¹⁴N ЯМР спектров полученных соединений.

Изучение поведения комплекса в реакциях с различными электрофильными агентами показало, что электрофильная атака протекает и по имидному, и по нитридному атому азота, даже несмотря на то, что имидный азот несёт на себе больший по значению отрицательный заряд – такая реакционная способность позволит разработать и использовать новые уникальные реакции имидных комплексов переходных металлов.

Молекула – тройная лента Мебиуса

Международная группа исследователей под руководством Кари Риссанена (Kari Rissanen) и Райнера Хергеса (Rainer Herges) впервые получили аннулен, строение которого можно описать как «тройной лист Мебиуса» – в настоящее время это соединение является самой искаженной молекулой, в которой, тем не менее, сохраняется сопряжение.

Аналогом молекулы Мебиуса можно считать обычный бумажный лист Мебиуса, который каждый может склеить в домашних условиях из бумажной ленты, только соединяя концы полоски, – надо предварительно перевернуть один из них на 180°. Тройная лента Мебиуса подразумевает двойное скручивание концов, и ее лучше всего представить, загуглив или вспомнив международный символ переработки ресурсов, – такие геометрические фигуры фактически обладают лишь одной топологической поверхностью.

До настоящего времени было достаточно сложно получить молекулу с одной поверхностью – «молекулу Мебиуса» было очень сложно получить, и до настоящего времени были получены только молекулы – «простые молекулы Мебиуса». Теперь исследователям удалось получить тройной аннулен – более сложную молекулярную форму ленты Мебиуса.

Такие хиральные соединения (оптическая активность которых определяется право– или левозакрученностью молекулы Мебиуса) представляют весьма интересные объекты с точки зрения молекулярной топологии, и сложно сказать, смогут ли они найти свое применение, однако создатели этих молекул не исключают возможность их использования из-за интересных электронных и оптоэлектронных свойств.

Самая большая молекула Мебиуса

Исследователи из Кореи и Японии написали новую главу в книге про ароматичность, синтезировав самую большую на настоящее время ароматическую молекулу Мебиуса.

Как и бумажный лист Мебиуса, молекула Мебиуса перекручена. Возможность реализации такой топологии для макроциклической молекулы была предсказана в 1964 году, тогда же было сделано предсказание, что макроцикл, формирующий молекулу Мебиуса, должен как минимум содержать 20 атомов, однако из-за сложностей в синтезе таких систем первая устойчивая ароматическая молекула Мебиуса была получена только в 2003 году.

В новой работе исследователи сообщают о создании самого большого на настоящий момент ароматического порфирина Мебиуса. Комплексообразование прекурсоров этой молекулы с палладием позволило понизить прекурсоров в ходе синтеза и получить макроцикл, состоящий из 46 атомов углерода, – это на 12 атомов углерода больше, чем было зафиксировано для прежнего рекорда.

* * *

Чтобы правильно определить строение веществ, в том числе и веществ-рекордсменов, нужны приборы, способные определять положение каждого атома в веществе, и эти приборы тоже могут вполне считаться рекордсменами.

Самый крутой в мире ЯМР-спектрометр

Исследователи из Национального института материаловедения Японии (NIMS), RIKEN, компаний Kobe Steel и JEOL RESONANCE разработали самый мощный на настоящий момент ЯМР-спектрометр, рабочая частота которого составляет 1020 МГц (Journal of Magnetic Resonance, 2015; 256: 30 DOI: 10.1016/j.jmr.2015.04.009).

Проведение спектральных исследований с помощью нового прибора ожидаемо показало его значительное превосходство по отношению к обычным спектрометрам ядерного магнитного резонанса – в первую очередь в плане чувствительности и разрешения измерений.

Трудно перечислить все области, в которых применяется ЯМР-спектроскопия, в качестве примеров использования этого метода является проведение трехмерного конформационного анализа природных полимеров, таких как белки, а также для исследования свойств органических и комбинированных материалов; ЯМР-спектроскопия незаменима при разработке новых типов лекарственных препаратов и изучении строения комплексов лекарство/его молекулярная мишень. Для решения задач, связанных с установлением строения веществ, актуальной задачей является увеличение производительности ЯМР-спектрометров, которое достигается за счет увеличения рабочей частоты ЯМР-спектрометра и силе магнитного поля, воздействию которого подвергается анализируемый образец. До недавнего времени одним из самых эффективных ЯМР-спектрометров был спектрометр с рабочей частотой 900 МГц и магнитным полем в 21,1 Тесла, расположенный в Университете Бирмингема; с его запуска в работу началась гонка за создание ЯМР-спектрометра с рабочей частотой, превышающей 1000 МГц, предполагалось, что такие устройства можно будет создать, используя технологию высокотемпературной сверхпроводимости, однако из-за сложности обработки высокотемпературных сверхпроводников до настоящего времени никому не удавалось преодолеть барьер в 1000 МГц.

Использовав ряд своих разработок, включая технологию получения проводов из высокотемпературных сверхпроводников, полученных в NIMS еще в 1988 году, исследователям удалось создать 1020-мегагерцовый ЯМР-спектрометр. Чтобы создать и запустить такое устройство, исследователям потребовалось два десятилетия проектировки и сборки, в процессе создания такого устройства ЯМР приходилось преодолевать многие сложности не только технического и исследовательского характера: так, землетрясение, которое, как многие помнят, вызвало аварию на АЭС «Фукусима», помимо всего прочего привело к значительным проблемам в поставках гелия; работу над проектом также затормозила внезапная смерть его руководителя.

Ожидается, что новый «сверх-спектрометр» ЯМР внесет вклад в молекулярную биологию, аналитическую химию и материаловедение, однако результаты научных исследований, полученные в процессе работы над его созданием, в частности – управление магнитным полем высокой напряженности и особенности работы с высокотемпературными сверхпроводниками могут оказаться полезными и для других областей, не связанных напрямую с анализом вещества: например, для оптимизации работы установок МРТ, для создания устройств термоядерного синтеза, модернизации сверхскоростных поездов и сверхпроводящих электрических кабелей.

Оглавление

0. Введение

  0.1. Предисловие от автора

  0.2. Случайность или непознанная закономерность?

1. Вещества, которые принято считать «неживыми»

  1.1. Соляная кислота

  1.2. Мел или карбонат кальция

  1.3. Карбонат лития

  1.4. Уголь, сера, нитрат натрия, хлорат калия и не только

  1.5. Фуллерены – еще одна разновидность углерода

  1.6. Циановодород

  1.7. Озон

  1.8. Угарный газ, который не стоит путать с веселящим

  1.9. Веселящий газ, который не надо путать с угарным

  1.10. Ртуть

  1.11. Диоксид титана

  1.12. Ультрамарин

  1.13. Берлинская лазурь

  1.14. Гексафторид урана

  1.15. Мочевина

  1.16. Что чем пахнет

    Линалоол

    Ментол

    Туйон

    Бензальдегид

    Сирингол

    Фуранеол – запах макушки лета

    Миндальная кислота

    Гексаналь

    Эвгенол

    Изоэвгенол

    Цинеол

    Хлороформ

    ДЭТА

    Триметиламин

2. То, что мы принимаем внутрь

  2.1. Химия новогоднего застолья

  2.2. Пятьдесят оттенков натуральных пищевых красителей

  2.3. Каротин

  2.4. Хлорофилл

  2.5. Гемоглобин

  2.6. Химия чайной церемонии

  2.7. Ботокс

  8.8. Тетрациклин

  2.9. Лидокаин

  2.10. Галоперидол

  2.11. Талидомид

  2.12. Рицин

  2.13. Парабены

  2/14/ Антифризы

3. Полимеры синтетические и натуральные

  3.1. Кератин

  3.2. Нитроцеллюлоза

  3.3. Полиэтилентерефталат (он же ПЭТ)

  3.4. Тефлон

  3.5. Кевлар

  3.6. Пектин

  3.7. Молочная кислота

  3.8. Зеленый флуоресцирующий белок

4. Жизнь замечательных веществ

  4.1. Вещества c необычными названиями

    Криптостерол

    Травматическая кислота

    Чем земляничный альдегид похож на морскую свинку?

    Гиппопопотная кислота

    Квебекол

    Мегатомная кислота

    Кетон кузнечика

    Берберин

    Дракулин

  4.2. Вещества– рекордсмены

    2016 год. Очередное обновление Периодической системы завершено

    Химическим элементам поменяли размер

    Самые маленькие механизмы, или На молекулярных машинах за Нобелевской премией

    Молекулярный микрочип уже работает

    Диод из одной молекулы уже работает

    Степень окисления +9 – невероятно, но возможно

    Рекордно большое координационное число равно 16

    Платина с отрицательным зарядом

    Рекордный дипольный момент

    Новые «неорганические бензолы»

    Цикл из атомов бора ставит новые рекорды в ароматичности

    Самая длинная цепь из атомов углерода

    Твёрдый окислитель бьет рекорды по содержанию кислорода

    Новые рекорды для основности

    Новые рекорды для кислотности

    Три связи металл-азот разного порядка в одном комплексе

    Молекула – тройная лента Мебиуса

    Самая большая молекула Мебиуса

    Самый крутой в мире ЯМР-спектрометр

Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg

Наш сайт является помещением библиотеки. На основании Федерального закона Российской федерации "Об авторском и смежных правах" (в ред. Федеральных законов от 19.07.1995 N 110-ФЗ, от 20.07.2004 N 72-ФЗ) копирование, сохранение на жестком диске или иной способ сохранения произведений размещенных на данной библиотеке категорически запрешен. Все материалы представлены исключительно в ознакомительных целях.

Copyright © читать книги бесплатно