6.2. Синтез химических веществ

Управление химическими процессами. Современная наука о хими-

ческих процессах включает фундаментальные знания многих отраслей

естествознания и прежде всего физики, химии, биологии и др. Стремле-

ние ученых — создать лаборатории живого организма для воспроиз-

ведения химических процессов в биологических системах свидетельству-

ет о необходимости применения взаимосвязанных знаний разных естест-

венно-научных отраслей.

207

Наш соотечественник, лауреат Нобелевской премии по химии 1956 г.,

выдающийся химик Н.Н. Семенов (1896—1986), создавший общую тео-

рию цепных реакций и основавший химическую физику, считал себя фи-

зиком. Он полагал, что химический процесс нельзя рассматривать без

восхождения от таких простых объектов, как электрон, нуклон, атом и мо-

лекула, к живой биологической системе, ибо любая клетка любого орга-

низма представляет собой, по существу, сложный химический реактор. В

этой связи химический процесс — это мост между физическим и биохи-

мическим объектами.

Одно из важнейших направлений учения о свойствах вещест-

ва — создание методов управления химическими процессами. Успехи в

развитии современной химии во многом определяются эффективностью

управления химическими превращениями, повышению которой способ-

ствует внедрение новых экспериментальных методов с применением со-

временных технических средств контроля и анализа сложных молекуляр-

ных структур. Химическое превращение начинается со смешивания реа-

гентов и заканчивается образованием конечных продуктов. В большинст-

ве случаев оно включает ряд промежуточных стадий, и для полного

понимания механизма реакции нужны сведения о свойствах промежуточ-

ных веществ, образующихся на каждой стадии, протекающей, как прави-

ло, очень быстро. Если 20—30 лет назад технические средства экспери-

мента позволяли проследить за промежуточными молекулами со време-

нем жизни около одной миллионной доли секунды, то современные ла-

зерные источники излучения существенно расширили временной

диапазон исследований от 10-6 до 10-15 с.

При взаимодействии двух химических соединений образование про-

дуктов реакции определяется статистической вероятностью, зависящей

от исходного энергетического состояния, возбуждения и взаимной ори-

ентации молекул при столкновениях. Современная вакуумная техника

открывает новые возможности для взаимодействия реагирующих соеди-

нений при столкновении молекул. В глубоком вакууме, где длина свобод-

ного пробега молекул велика, столкновение молекул может происходить

в сравнительно небольшом объеме, составляющем зону перекрытия двух

молекулярных пучков реагирующих соединений, в которой возрастает

вероятность участия каждой молекулы не более чем в одном столкнове-

нии, приводящем к реакции. Это означает, что появилась реальная воз-

можность для изучения тонких процессов и управления химическими

превращениями.

Определение характеристик атомных и молекулярных частиц (их

структуры и состава) в аналитической химии называют качественным

анализом, а измерение их относительного содержания — количествен-

208

ным анализом. Новые методы качественного и количественного анализа

основываются на последних достижениях различных отраслей естество-

знания и в первую очередь физики. Методы аналитической химии широ-

ко применяются в разных отраслях химии, в медицине, сельском хозяйст-

ве, геологии, экологии и т.п.

Для количественного анализа исследуемые сложные смеси и соеди-

нения делятся на компоненты. Для этого применяется универсальный ме-

тод — хроматография. Этот метод впервые предложил российский уче-

ный М.С. Цвет (1872—1919). Его сущность заключается в том, что раз-

личные вещества в жидкой или газообразной фазе обладают разной проч-

ностью связи с поверхностью, с которой они находятся в контакте. С

помощью хроматографии можно разделить и зафиксировать чрезвычай-

но малое количество вещества в смеси — около 10-12г. Кроме того, хро-

матография позволяет разделить многокомпонентные газообразные сме-

си, содержащие вещества разного изотопного состава

Для анализа и идентификации структуры сложных молекул, объеди-

няющих большое количество атомов с различными взаимными связями,

широко применяются основанные на физических принципах экспери-

ментальные методы ядерного магнитного резонанса, оптической спек-

троскопии, масс-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, нейтро-

нографии и т.п.

В управлении химическими процессами важную роль играют предва-

рительные расчеты, позволяющие определить свойства синтезируемых

молекул. Еще в первой половине XX в. с развитием квантовой теории

появилась возможность рассчитывать взаимодействие электронов и

атомных ядер при химических реакциях. Однако на практике такие расче-

ты долго оставались недостижимыми: уж слишком сложны уравнения

квантовой механики для комплексных объектов — молекул и даже ато-

мов с множеством движущихся электронов. Решение подобной задачи

стало возможным при учете электронной плотности, а не движения от-

дельных электронов в молекуле или атоме. Такой подход позволяет рас-

считывать свойство и структуру даже весьма сложных молекул, напри-

мер белковых. За решение данной задачи квантовой химии австрийский

физик Вальтер Кон и английский математик и физик Джон Попл (оба уче-

ных работают в США) удостоены в 1998 г. Нобелевской премии по хи-

мии.

Синтез органических и неорганических соединений. В последние

десятилетия активизировались исследования в смежных отраслях естест-

вознания — химии металлоорганических и бионеорганических соедине-

ний, химии твердого тела, биогеохимии и др. Неорганические элементы и

соединения, из которых в основном состоят объекты неживой природы,

играют важную роль в живых организмах, весьма чувствительных, на-

14-3290 209

пример, к ионам металлов почти всей Периодической системы элементов

Менделеева. Некоторые ионы принимают участие в жизненно важных

процессах: связывание и транспорт кислорода (железо в гемоглобине),

поглощение и конверсия солнечной энергии (магний в хлорофилле, желе-

зо в ферредоксине, медь во фталоцианине), обмен электрическими им-

пульсами между клетками (кальций, калий в нервных клетках), мышеч-

ное сокращение (кальций), ферментативный катализ (кобальт в витамине

В12) и др.

Важнейший предмет изучения современной неорганической химии

биосистем — строение ближнего и дальнего окружения атомов металлов

и его изменение под воздействием кислотных агентов, давления кислоро-

да и других факторов. В последнее время быстро развивается химия эле-

ментоорганических соединений, для исследования сложнейших структур

и связей которых применяются новейшие методы спектроскопии и рент-

геноструктурного анализа, позволившие открыть большое семейство со-

единений с необычайно сложной структурой. Среди них ферроцен — ве-

щество, содержащее атомы железа.

Химики-металлоорганики стремятся создать новые эффективные ка-

тализаторы для фиксации азота, т.е. для превращения молекулярного азо-

та N2 в аммиак NH3 — исходный продукт для производства удобрений.

Другая не менее важная задача — синтез соединений, способных избира-

тельно взаимодействовать с теми молекулами, которые долгое время счи-

тались слишком инертными для химических превращений, но представ-

ляли и представляют практический интерес. Например, насыщенные уг-

леводороды относительно инертны, не содержат двойных или тройных

углеродных связей. Тем не менее удалось синтезировать соединения ро-

дия и иридия, содержащие фосфины, карбонилы, и другие соединения,

способные расщеплять связи С—Н в метане и циклопропане. При сочета-

нии такой важной реакции синтеза с другими видами превращений мож-

но наладить массовое производство насыщенных углеводородов — важ-

нейшего промышленного сырья. Этим способом можно осуществить

прямое превращение метана в метанол (метиловый спирт) — ценное сы-

рье для производства многих химических веществ.

Металлоорганические соединения принимают участие во многих

промежуточных реакциях. Они богаты электронами, поэтому играют

роль посредника в различных процессах переноса электрического заряда.

В последние десятилетия бурно развивается химия композиционных

материалов (композитов). К настоящему времени синтезировано множе-

ство композитов с уникальными свойствами, среди которых можно

назвать неметаллические проводники из чередующихся слоев, много-

слойную керамику для соединения полупроводниковых систем и др. Осо-

210

бый интерес представляют композиты на сверхтонких волокнах. Тонкие

волокна толщиной 50—100 нм (тоньше человеческого волоса) сущест-

венно изменяют свойства вещества, в котором они равномерно распреде-

лены. Изучение взаимодействия компонентов в сложных композицион-

ных системах позволяет синтезировать новые материалы с уникальными

свойствами.

Один из способов эффективного управления химическими процесса-

ми заключается в повышении селективности (избирательности) всту-

пающих в реакцию химических соединений. Для реализации такого спо-

соба необходимо определить реакционную способность соединений для

всех видов химической связи и создать при их взаимодействии оптималь-

ную ориентацию молекул с вполне определенными периодической про-

странственной конфигурацией и структурой.

Высокая эффективность управления химическими процессами дости-

гается при фотохимическом синтезе, основанном на действии электро-

магнитного излучения, способствующего переходу молекул в возбуж-

денное энергетическое состояние, при котором повышается активность

многих химических превращений. При воздействии излучения даже не-

которые химически инертные вещества становятся реакционноспособ-

ными. В результате фотохимического синтеза получены биологически

активные соединения: алкалоид атизин, антибиотики, провитамин D3 и

др. Активность фотохимического синтеза в значительной степени зави-

сит от длины волны возбуждающего излучения. Так, при незначительном

уменьшении длины волны от 302,5 до 300,0 нм выход провитамина D3

увеличивается вдвое.

При воспроизведении природных веществ, обладающих определен-

ными свойствами и выполняющих те или иные функции, процесс управ-

ления химическим синтезом включает ряд операций: обнаружение вос-

производимого природного соединения, его химическое выделение, оп-

ределение химического состава и структуры и, наконец, синтез искусст-

венного вещества с заданными свойствами. Именно так синтезированы

многие искусственные вещества: антибиотики, витамины и многие це-

лебные вещества.

На практике часто требуется только одна из двух зеркальных струк-

турных форм вещества. Например, атом углерода может образовать пару

симметричных зеркальных структур. Такой атом называется хиральным

центром. Характерный пример выделения только одной зеркальной фор-

мы — синтез антибиотиков. В природе встречается множество подобных

химических соединений. Самое известное среди них — монензин, проду-

цируемый штаммом бактерий и применяемый для борьбы с инфекцион-

ными болезнями в бройлерном производстве.

14* 211

В управлении химическими процессами большую роль играет ката-

лиз, который широко применяется для синтеза огромного разнообразия

органических и неорганических соединений.