Используя этот метод, французский физик Луи Поль Кайете (1832—1913) и швейцарский химик Рауль Пикте (1846—1929) к 1877 г. сжижили такие газы, как кислород, азот и оксид углерода. Однако сжижить водород им так и не удалось.
Работа Ван-дер-Ваальса ясно показала, что для водорода эффект Джоуля — Томсона наблюдается только после того, как температура его снизится ниже некоторого определенного значения. И чтобы снизить температуру водорода до требуемого значения, перед проведением цикла расширения газ следует охладить.
В 90-х годах прошлого века над этой проблемой начал работать шотландский химик Джеймс Дьюар (1842—1923). Он приготовил в большом количестве жидкий кислород, который хранил в изобретенном им сосуде, получившем название сосуда Дьюара. Сосуд Дьюара — это колба с двойными стенками, из пространства между которыми выкачан воздух. Теплопроводность разреженного газа между стенками настолько мала, что температура вещества, помещенного в сосуд, долгое время остается постоянной. Чтобы еще более замедлить процесс передачи тепла, Дьюар посеребрил стенки сосуда. (Бытовой термос — это всего-навсего сосуд Дьюара, закрывающийся пробкой.)
Газообразный водород можно охладить до очень низких температур, погружая его в жидкий кислород, помещенный в сосуд Дьюара, и затем сжижить, используя эффект Джоуля — Томсона. В 1898 г. Дьюар первым получил жидкий водород.
Водород сжижается при 20 К, т. е. при температуре всего на двадцать градусов выше абсолютного нуля [85], но это не самая низкая температура сжижения. В 80-х годах прошлого века были открыты инертные газы (см. разд. «Теплота»), и один из этих газов, гелий, сжижается при еще более низкой температуре.
Получить жидкий гелий первым удалось голландскому физику Хейке Камерлинг-Оннесу (1853—1926). В 1908 г. он сначала охладил гелий в ванне с жидким водородом, а затем, использовав эффект Джоуля — Томсона, получил при температуре 4 К жидкий гелий [86].
Глава 10 Синтетическая органическая химия
Лекарственные средства
Белки
Взрывчатые вещества
Работа Ван-дер-Ваальса ясно показала, что для водорода эффект Джоуля — Томсона наблюдается только после того, как температура его снизится ниже некоторого определенного значения. И чтобы снизить температуру водорода до требуемого значения, перед проведением цикла расширения газ следует охладить.
В 90-х годах прошлого века над этой проблемой начал работать шотландский химик Джеймс Дьюар (1842—1923). Он приготовил в большом количестве жидкий кислород, который хранил в изобретенном им сосуде, получившем название сосуда Дьюара. Сосуд Дьюара — это колба с двойными стенками, из пространства между которыми выкачан воздух. Теплопроводность разреженного газа между стенками настолько мала, что температура вещества, помещенного в сосуд, долгое время остается постоянной. Чтобы еще более замедлить процесс передачи тепла, Дьюар посеребрил стенки сосуда. (Бытовой термос — это всего-навсего сосуд Дьюара, закрывающийся пробкой.)
Газообразный водород можно охладить до очень низких температур, погружая его в жидкий кислород, помещенный в сосуд Дьюара, и затем сжижить, используя эффект Джоуля — Томсона. В 1898 г. Дьюар первым получил жидкий водород.
Водород сжижается при 20 К, т. е. при температуре всего на двадцать градусов выше абсолютного нуля [85], но это не самая низкая температура сжижения. В 80-х годах прошлого века были открыты инертные газы (см. разд. «Теплота»), и один из этих газов, гелий, сжижается при еще более низкой температуре.
Получить жидкий гелий первым удалось голландскому физику Хейке Камерлинг-Оннесу (1853—1926). В 1908 г. он сначала охладил гелий в ванне с жидким водородом, а затем, использовав эффект Джоуля — Томсона, получил при температуре 4 К жидкий гелий [86].
Глава 10 Синтетическая органическая химия
Красители
Первая половина XIX в. ознаменовалась развитием новой области химии —
синтетической органической химии. Химики вслед за Бертло (см. гл. 6) начали соединять в цепи органические молекулы. Недостаточное понимание строения молекул мешало химикам-органикам середины XIX в., но прогресс науки настолько неотвратим, что этот недостаток, по крайней мере в одном знаменательном эпизоде, оказался преимуществом.
В то время (40-е годы прошлого века) в Великобритании было немного известных химиков-органиков, и работавший у Либиха (см. гл. 6) Август Вильгельм Гофман (1812—1892) был приглашен в Лондон из Германии. Спустя несколько лет Гофман взял к себе в качестве помощника совсем еще юного Уильяма Генри Перкина (1838—1907). В то время Гофман исследовал химические вещества, получаемые из каменноугольного дегтя (густой черной жидкости, образующейся при нагревании каменного угля без доступа воздуха). Однажды Гофман в присутствии Перкина начал рассуждать вслух о возможности синтеза хинина — ценного лекарственного средства против малярии — из каменноугольного дегтя. Если бы синтез хинина удался, Европа избавилась бы от зависимости от поставщиков хинина, привозивших его из далеких тропиков.
Загоревшись этой идеей, Перкин сразу же принялся за дело (дома у него была своя небольшая лаборатория). Если бы он или Гофман больше знали о строении молекулы хинина, то они поняли бы, что эту задачу нельзя решить, основываясь на методах химии середины XIX в. К счастью, Перкин был относительно этого в блаженном неведении, и хотя ему не удалось синтезировать хинин, он достиг, возможно, большего.
Во время пасхальных каникул 1856 г. Перкин, пропадая в лаборатории, обработал анилин бихроматом калия и, разочарованный результатом, уже собрался было выбросить полученную массу, как вдруг заметил, что она приобрела пурпурный оттенок. Перкин добавил спирт, который извлек из реакционной смеси вещество, окрасившее спирт в великолепный пурпурный цвет.
Перкин понял, что у него в руках краситель. Он бросил учебу и на деньги своей семьи построил фабрику. Уже через шесть месяцев фабрика начала выпускать то, что Перкин назвал «анилиновым пурпуром». Новый краситель очень понравился французским красильщикам, они назвали его сиреневым, и этот цвет сделался настолько популярным, что связанный с ним период истории известен как «сиреневое десятилетие». Перкин, первым организовавший промышленное производство синтетического красителя, разбогател и в тридцать пять лет смог отойти от дел.
Несколько лет спустя после поразительного успеха Перкина химики познакомились со структурными формулами органических соединений. Эти формулы могли служить химикам своего рода картой «территории», на которой им предстояло действовать. Используя эту карту, можно было вывести логические схемы реакций, подобрать методы, позволяющие, постепенно меняя строение молекул, превратить одну молекулу в другую и, наконец, синтезировать новые органические соединения не случайно, как это вышло у Перкина, а целенаправленно.
Часто реакциям присваивали имя их первооткрывателя. Так, способ добавления двух атомов углерода в молекулу, открытый Перкином, был назван реакцией Перкина, а способ расщепления гидроокисей четвертичных аммониевых оснований с образованием третичного амина и олефина, открытый учителем Перкина, был назван реакцией Гофмана.
Гофман вернулся в Германию в 1864 г. и занялся там синтетической органической химией — новой областью химии, в которой так успешно проявил себя его юный ученик Перкин. И, в частности, благодаря работам Гофмана синтетическая органическая химия оставалась вплоть до первой мировой войны почти полной монополией Германии.
В лабораториях осуществлялся синтез природных красителей. В 1867 г. Адольф Байер (автор теории напряжений) начал осуществление плана исследований, которые в итоге привели его к синтезу индиго. (Ранее индиго получали из индигоносных растений, крупные плантации которых расположены на Дальнем Востоке и в Южной Азии.) В 1868 г. ученик Байера Карл Гребе (1841—1927) синтезировал другой важный природный краситель — ализарин.
Эти и подобные им достижения заложили основы теории и технологии прикладной химии, благодаря успехам которой наша жизнь преобразилась столь значительным образом за последние несколько десятилетий и продолжает преображаться в еще более ускоренном темпе.
Вплоть до настоящего момента мы последовательно излагали факты, четко следуя за развитием событий, но в этой и следующей главах мы рассмотрим несколько отдельных достижений, благодаря которым химия начала служить человечеству. При этом мы несколько отклонимся от главного пути развития химии. В последующих трех главах мы вновь вернемся к принятой нами схеме изложения.
В то время (40-е годы прошлого века) в Великобритании было немного известных химиков-органиков, и работавший у Либиха (см. гл. 6) Август Вильгельм Гофман (1812—1892) был приглашен в Лондон из Германии. Спустя несколько лет Гофман взял к себе в качестве помощника совсем еще юного Уильяма Генри Перкина (1838—1907). В то время Гофман исследовал химические вещества, получаемые из каменноугольного дегтя (густой черной жидкости, образующейся при нагревании каменного угля без доступа воздуха). Однажды Гофман в присутствии Перкина начал рассуждать вслух о возможности синтеза хинина — ценного лекарственного средства против малярии — из каменноугольного дегтя. Если бы синтез хинина удался, Европа избавилась бы от зависимости от поставщиков хинина, привозивших его из далеких тропиков.
Загоревшись этой идеей, Перкин сразу же принялся за дело (дома у него была своя небольшая лаборатория). Если бы он или Гофман больше знали о строении молекулы хинина, то они поняли бы, что эту задачу нельзя решить, основываясь на методах химии середины XIX в. К счастью, Перкин был относительно этого в блаженном неведении, и хотя ему не удалось синтезировать хинин, он достиг, возможно, большего.
Во время пасхальных каникул 1856 г. Перкин, пропадая в лаборатории, обработал анилин бихроматом калия и, разочарованный результатом, уже собрался было выбросить полученную массу, как вдруг заметил, что она приобрела пурпурный оттенок. Перкин добавил спирт, который извлек из реакционной смеси вещество, окрасившее спирт в великолепный пурпурный цвет.
Перкин понял, что у него в руках краситель. Он бросил учебу и на деньги своей семьи построил фабрику. Уже через шесть месяцев фабрика начала выпускать то, что Перкин назвал «анилиновым пурпуром». Новый краситель очень понравился французским красильщикам, они назвали его сиреневым, и этот цвет сделался настолько популярным, что связанный с ним период истории известен как «сиреневое десятилетие». Перкин, первым организовавший промышленное производство синтетического красителя, разбогател и в тридцать пять лет смог отойти от дел.
Несколько лет спустя после поразительного успеха Перкина химики познакомились со структурными формулами органических соединений. Эти формулы могли служить химикам своего рода картой «территории», на которой им предстояло действовать. Используя эту карту, можно было вывести логические схемы реакций, подобрать методы, позволяющие, постепенно меняя строение молекул, превратить одну молекулу в другую и, наконец, синтезировать новые органические соединения не случайно, как это вышло у Перкина, а целенаправленно.
Часто реакциям присваивали имя их первооткрывателя. Так, способ добавления двух атомов углерода в молекулу, открытый Перкином, был назван реакцией Перкина, а способ расщепления гидроокисей четвертичных аммониевых оснований с образованием третичного амина и олефина, открытый учителем Перкина, был назван реакцией Гофмана.
Гофман вернулся в Германию в 1864 г. и занялся там синтетической органической химией — новой областью химии, в которой так успешно проявил себя его юный ученик Перкин. И, в частности, благодаря работам Гофмана синтетическая органическая химия оставалась вплоть до первой мировой войны почти полной монополией Германии.
В лабораториях осуществлялся синтез природных красителей. В 1867 г. Адольф Байер (автор теории напряжений) начал осуществление плана исследований, которые в итоге привели его к синтезу индиго. (Ранее индиго получали из индигоносных растений, крупные плантации которых расположены на Дальнем Востоке и в Южной Азии.) В 1868 г. ученик Байера Карл Гребе (1841—1927) синтезировал другой важный природный краситель — ализарин.
Эти и подобные им достижения заложили основы теории и технологии прикладной химии, благодаря успехам которой наша жизнь преобразилась столь значительным образом за последние несколько десятилетий и продолжает преображаться в еще более ускоренном темпе.
Вплоть до настоящего момента мы последовательно излагали факты, четко следуя за развитием событий, но в этой и следующей главах мы рассмотрим несколько отдельных достижений, благодаря которым химия начала служить человечеству. При этом мы несколько отклонимся от главного пути развития химии. В последующих трех главах мы вновь вернемся к принятой нами схеме изложения.
Лекарственные средства
Вслед за Перкином химики начали синтезировать соединения все возрастающей сложности. Конечно, синтетические соединения в то время не могли конкурировать с природными
[87], однако существовало несколько исключений, в частности синтетический индиго. Кроме того, синтез обычно позволял установить молекулярное строение, что всегда представляло огромный теоретический (а иногда и практический) интерес.
Так, немецкий химик Рихард Вильштеттер (1872—1942) тщательно определил строение хлорофилла— зеленого пигмента растений, который позволяет использовать энергию солнечного света при превращении растениями углекислого газа в углеводы.
Два немецких химика, Генрих Отто Виланд (1877—1957) и Адольф Виндаус (1876—1959), определили строение стероидови родственных им соединений. (К числу стероидов относится ряд важных гормонов.) Еще один немецкий химик, Отто Баллах (1847—1931), установил строение терпенов— практически важных растительных масел, а его соотечественник Ганс Фишер (1881—1945) установил строение гема— красящего вещества крови.
В XX в. проводилось исследование витаминов, гормонов, алкалоидов, и во многих случаях строение их молекул было установлено. Например, в 30-х годах нашего столетия швейцарский химик Пауль Каррер (1889—1971) определил строение каротиноидов— важных растительных пигментов.
Английский химик Роберт Робинсон (1886—1975) систематически изучал алкалоиды. Наибольший успех ему принесли работы по определению строения морфина(1925 г.) и стрихнина(1946 г.). Последняя работа Робинсона была подкреплена работой американского химика Роберта Бернса Вудворда (1917—1979), который в 1954 г. синтезировал стрихнин. Вудворд завоевал признание как химик-синтетик после того, как он и его американский коллега Уильям Эггерс Дёринг (род. в 1917 г.) в 1944 г. синтезировали хинин— то самое соединение, за которым вслепую охотился Перкин (правда, эта «охота» в конце концов принесла ему огромные доходы).
В последующие годы Вудворд продолжал заниматься синтезом и получил ряд соединений все более и более сложной структуры. Так, в 1951 г. он синтезировал холестерин(наиболее известный из стероидов) и кортизон(стероидный гормон), в 1956 г.— резерпин(первый из транквилизаторов) а в 1960 г.— хлорофилл. В 1962 г. Вудворд [88]синтезировал сложное соединение — производное хорошо известного антибиотика тетрациклина [89].
Американский химик (уроженец России) Фебус Аарон Теодор Левин (1869—1940) работал в другом направлении. Он изучал строение нуклеотидов— тех блоков, из которых построены гигантские молекулы нуклеиновых кислот. (В настоящее время установлено, что нуклеиновые кислоты управляют химическими процессами, протекающими в организме человека.) Правильность выводов Левина полностью подтвердили результаты работы шотландского химика Александра Робертуса Тодда (род. в 1907 г.), который в 40-х — начале 50-х годов нашего века синтезировал ряд нуклеотидов и родственных им соединений.
Некоторые из этих соединений, в частности алкалоиды, применяются в медицине и, следовательно, попадают под общую рубрику лекарственные средства. В самом начале XX в. было показано, что ряд синтезированных соединений может использоваться в медицине как лекарственные средства.
В 1909 г. немецкий бактериолог Пауль Эрлих (1854—1915) применил при лечении сифилиса синтетическое соединение сальварсан. Таким образом было положено начало исследованиям в области химиотерапии— лечения болезней с применением специальных химических препаратов.
В 1908 г. было синтезировано соединение, названное сульфаниламидом(аминобензолсульфамид), которое пополнило обширный ряд синтетических соединений, не нашедших применения. Однако в 1932 г. благодаря исследованиям немецкого химика Герхарда Домагка (1895—1964) было установлено, что сульфаниламид и некоторые родственные ему соединения можно использовать для лечения ряда инфекционных заболеваний. Правда, в этой области природные соединения оказались более эффективными, чем синтетические. Примером тому может служить пенициллин— первый антибиотик, который был случайно открыт в 1928 г. шотландским бактериологом Александром Флемингом (1881—1955). Флеминг оставил на несколько дней открытой культуру стафилококковых бактерий, а затем обнаружил, что она покрылась плесенью. Внимательно разглядывая плесень, Флеминг увидел, что вокруг каждого пятнышка плесени располагаются «чистые» области, где культура бактерий исчезла. Флеминг на уровне своего времени изучил этот факт и предположил, что в этих «чистых» областях присутствует соединение с сильным антибактериальным действием, однако выделить это соединение оказалось непростым делом.
В связи с острой необходимостью в лекарственных средствах, необходимых для борьбы с инфекционными заболеваниями, во время второй мировой войны интерес к такого рода соединениям значительно возрос, и этой проблемой начали заниматься более обстоятельно.
Группе ученых под руководством английского биохимика-патолога (уроженца Австралии) Хоуарда Уолтера Флори (1898—1968) и английского биохимика (уроженца Германии) Эрнста Бориса Чейна (род. в 1906 г.) удалось выделить пенициллин и определить его строение. К 1945 г. была разработана технология получения пенициллина с использованием культуры плесени, которая позволяла получать полтонны продукта в месяц.
В 1958 г. химики научились «снимать» с готового пенициллина бензильную группу и присоединять взамен нее другие органические группы. Некоторые из этих полусинтетических веществ, не имеющих аналогов среди природных соединений, обладали более высокой антибактериальной активностью, чем сам пенициллин. Между 40-ми и 50-ми годами из различных видов микроорганизмов были выделены и другие антибиотики, в частности стрептомицин.
В ходе синтеза сложных органических соединений необходимо время от времени проводить анализ с целью идентификации продуктов, образующихся на разных стадиях процесса. Количество вещества, которое можно было бы отобрать для анализа, как правило, весьма невелико, и поэтому анализ в лучшем случае давал неточные результаты, а в худшем и вовсе был невозможен.
Австрийский химик Фриц Прегль (1869—1930) удачно модифицировал оборудование, используемое при анализе, уменьшив его размеры. Он создал особо точные весы, сконструировал образцы тонкой стеклянной посуды, а к 1913 г. разработал методику микроанализа. С этого времени анализ малых проб стал точным.
Классическими методами анализа обычно называют определение объема вещества, расходуемого при реакции ( объемный анализ, иначе титриметрический анализ), или массы вещества, полученного в результате реакции ( весовой анализ, иначе гравиметрический анализ). В XX в. были разработаны новые, физические, методы анализа, а именно измерение поглощения света, изменения электрической проводимости и другие более тонкие и более сложные методы [90].
Так, немецкий химик Рихард Вильштеттер (1872—1942) тщательно определил строение хлорофилла— зеленого пигмента растений, который позволяет использовать энергию солнечного света при превращении растениями углекислого газа в углеводы.
Два немецких химика, Генрих Отто Виланд (1877—1957) и Адольф Виндаус (1876—1959), определили строение стероидови родственных им соединений. (К числу стероидов относится ряд важных гормонов.) Еще один немецкий химик, Отто Баллах (1847—1931), установил строение терпенов— практически важных растительных масел, а его соотечественник Ганс Фишер (1881—1945) установил строение гема— красящего вещества крови.
В XX в. проводилось исследование витаминов, гормонов, алкалоидов, и во многих случаях строение их молекул было установлено. Например, в 30-х годах нашего столетия швейцарский химик Пауль Каррер (1889—1971) определил строение каротиноидов— важных растительных пигментов.
Английский химик Роберт Робинсон (1886—1975) систематически изучал алкалоиды. Наибольший успех ему принесли работы по определению строения морфина(1925 г.) и стрихнина(1946 г.). Последняя работа Робинсона была подкреплена работой американского химика Роберта Бернса Вудворда (1917—1979), который в 1954 г. синтезировал стрихнин. Вудворд завоевал признание как химик-синтетик после того, как он и его американский коллега Уильям Эггерс Дёринг (род. в 1917 г.) в 1944 г. синтезировали хинин— то самое соединение, за которым вслепую охотился Перкин (правда, эта «охота» в конце концов принесла ему огромные доходы).
В последующие годы Вудворд продолжал заниматься синтезом и получил ряд соединений все более и более сложной структуры. Так, в 1951 г. он синтезировал холестерин(наиболее известный из стероидов) и кортизон(стероидный гормон), в 1956 г.— резерпин(первый из транквилизаторов) а в 1960 г.— хлорофилл. В 1962 г. Вудворд [88]синтезировал сложное соединение — производное хорошо известного антибиотика тетрациклина [89].
Американский химик (уроженец России) Фебус Аарон Теодор Левин (1869—1940) работал в другом направлении. Он изучал строение нуклеотидов— тех блоков, из которых построены гигантские молекулы нуклеиновых кислот. (В настоящее время установлено, что нуклеиновые кислоты управляют химическими процессами, протекающими в организме человека.) Правильность выводов Левина полностью подтвердили результаты работы шотландского химика Александра Робертуса Тодда (род. в 1907 г.), который в 40-х — начале 50-х годов нашего века синтезировал ряд нуклеотидов и родственных им соединений.
Некоторые из этих соединений, в частности алкалоиды, применяются в медицине и, следовательно, попадают под общую рубрику лекарственные средства. В самом начале XX в. было показано, что ряд синтезированных соединений может использоваться в медицине как лекарственные средства.
В 1909 г. немецкий бактериолог Пауль Эрлих (1854—1915) применил при лечении сифилиса синтетическое соединение сальварсан. Таким образом было положено начало исследованиям в области химиотерапии— лечения болезней с применением специальных химических препаратов.
В 1908 г. было синтезировано соединение, названное сульфаниламидом(аминобензолсульфамид), которое пополнило обширный ряд синтетических соединений, не нашедших применения. Однако в 1932 г. благодаря исследованиям немецкого химика Герхарда Домагка (1895—1964) было установлено, что сульфаниламид и некоторые родственные ему соединения можно использовать для лечения ряда инфекционных заболеваний. Правда, в этой области природные соединения оказались более эффективными, чем синтетические. Примером тому может служить пенициллин— первый антибиотик, который был случайно открыт в 1928 г. шотландским бактериологом Александром Флемингом (1881—1955). Флеминг оставил на несколько дней открытой культуру стафилококковых бактерий, а затем обнаружил, что она покрылась плесенью. Внимательно разглядывая плесень, Флеминг увидел, что вокруг каждого пятнышка плесени располагаются «чистые» области, где культура бактерий исчезла. Флеминг на уровне своего времени изучил этот факт и предположил, что в этих «чистых» областях присутствует соединение с сильным антибактериальным действием, однако выделить это соединение оказалось непростым делом.
В связи с острой необходимостью в лекарственных средствах, необходимых для борьбы с инфекционными заболеваниями, во время второй мировой войны интерес к такого рода соединениям значительно возрос, и этой проблемой начали заниматься более обстоятельно.
Группе ученых под руководством английского биохимика-патолога (уроженца Австралии) Хоуарда Уолтера Флори (1898—1968) и английского биохимика (уроженца Германии) Эрнста Бориса Чейна (род. в 1906 г.) удалось выделить пенициллин и определить его строение. К 1945 г. была разработана технология получения пенициллина с использованием культуры плесени, которая позволяла получать полтонны продукта в месяц.
В 1958 г. химики научились «снимать» с готового пенициллина бензильную группу и присоединять взамен нее другие органические группы. Некоторые из этих полусинтетических веществ, не имеющих аналогов среди природных соединений, обладали более высокой антибактериальной активностью, чем сам пенициллин. Между 40-ми и 50-ми годами из различных видов микроорганизмов были выделены и другие антибиотики, в частности стрептомицин.
В ходе синтеза сложных органических соединений необходимо время от времени проводить анализ с целью идентификации продуктов, образующихся на разных стадиях процесса. Количество вещества, которое можно было бы отобрать для анализа, как правило, весьма невелико, и поэтому анализ в лучшем случае давал неточные результаты, а в худшем и вовсе был невозможен.
Австрийский химик Фриц Прегль (1869—1930) удачно модифицировал оборудование, используемое при анализе, уменьшив его размеры. Он создал особо точные весы, сконструировал образцы тонкой стеклянной посуды, а к 1913 г. разработал методику микроанализа. С этого времени анализ малых проб стал точным.
Классическими методами анализа обычно называют определение объема вещества, расходуемого при реакции ( объемный анализ, иначе титриметрический анализ), или массы вещества, полученного в результате реакции ( весовой анализ, иначе гравиметрический анализ). В XX в. были разработаны новые, физические, методы анализа, а именно измерение поглощения света, изменения электрической проводимости и другие более тонкие и более сложные методы [90].
Белки
Почти все органические соединения, перечисленные в предыдущем разделе, состоят из молекул, количество атомов в которых чаще всего не превышает пятидесяти; эти атомы с трудом распадаются в условиях умеренной химической обработки. Однако существуют органические соединения с поистине гигантскими молекулами, построенными из тысяч и даже миллионов атомов. Эти молекулы состоят из сравнительно небольших «строительных блоков»
[91]. Такие гигантские молекулы легко разложить на образующие их блоки, которые можно исследовать. Так, например, поступил Левин, изучая нуклеотиды (см. предыдущий раздел). Предпринимались также попытки изучать эти гигантские молекулы как таковые, не разрушая их предварительно. Первые шаги в этом направлении предпринял шотландский химик Томас Грэхем (1805—1869). Заинтересовавшись
диффузией— движением частиц среды, приводящим к переносу вещества и выравниванию концентраций, он начал изучать диффузию газов через мельчайшие поры или тонкие трубки. В 1829 г. ему удалось показать, что скорость диффузии газа обратно пропорциональна корню квадратному из его плотности (
закон Грэхема).
Далее Грэхем перешел к изучению диффузии растворенных веществ. Он обнаружил, что растворы веществ, подобных соли, сахару или сульфату меди, проходят через разделяющую перегородку из пергаментной бумаги (имеющей, как он предполагал, микроскопические поры). В то же время растворы таких соединений, как гуммиарабик, животный клей и желатина, пройти через разделяющую перегородку не могут — очевидно, молекулы соединений последней группы для этого слишком велики.
Соединения, способные проходить через поры пергамента (и, как выяснилось, легко кристаллизующиеся), Грэхем назвал кристаллоидами. Соединения другой группы, не способные, подобно животному клею (по-гречески ?????). проходить через поры пергамента, он назвал коллоидами. Наука о гигантских молекулах стала впоследствии важным разделом коллоидной химии, которой, таким образом, Грэхем положил начало [92].
Предположим, что с одной стороны разделяющей перегородки находится чистая вода, а с другой — коллоидный раствор. Молекулы воды могут свободно проникать через перегородку в оба отсека. В первый момент в отсек с коллоидным раствором будет попадать большее число молекул воды, чем покидать его, поскольку выравнивание концентраций по обе стороны перегородки — самопроизвольный энергетически выгодный процесс. Суммарный поток молекул воды в отсек с коллоидным раствором будет продолжаться до тех пор, пока возникающая разность давлений жидкости с обеих сторон перегородки не достигнет определенной величины. Величина этого давления, приводящего к вынужденному равновесию, называется осмотическим давлением раствора.
В 1877 г. немецкий ботаник Вильгельм Пфеффер (1845—1920) показал, как можно измерить осмотическое давление и как, исходя из полученных результатов, можно определить молекулярную массу больших молекул, образующих коллоидные растворы. Это был первый удачный метод оценки размера таких молекул.
В 1923 г. шведский химик Теодор Сведберг (1884—1971) сконструировал центрифугуи разработал седиментационный метод определения молекулярной массы макромолекул, главным образом белков.
Ассистент Сведберга Арне Вильгельм Каурин Тиселиус (1902—1971), также швед, в 1923 г. разработал более совершенный метод разделения гигантских молекул, основанный на характере распределения электрического заряда по поверхности молекулы. Этот способ — электрофорез— оказался особенно важным при разделении и очистке белков.
С помощью физических методов химики могли получить представление об общей структуре гигантских молекул, однако они стремились установить детальное строение этих соединений. Особый интерес вызывали у них белки.
В то время как гигантские молекулы таких веществ, как крахмал или клетчатка древесины, построены из одного многократно повторяемого блока, молекула белка строится из двадцати различных, но тесно связанных блоков — различных аминокислот (см. гл. 6). Именно по этой причине молекулы белков так разнообразны, но это же создает большие трудности при попытке их характеризовать.
Эмиль Фишер, который ранее установил детальное строение молекул сахаров (см. гл. 7), в начале нашего века обратил внимание на молекулу белка [93]. Он показал, что аминогруппа одной аминокислоты связана с остатком молекулы другой кислоты пептидной связью. В 1907 г. Фишер получил соединение, объединяющее восемнадцать аминокислот, и показал, что оно обладает рядом свойств, характерных для белков.
Однако определить порядок аминокислот в полипептидной цепимолекулы природного белка удалось лишь полстолетия спустя, после того как был разработан еще один метод анализа.
Открыл этот метод русский ботаник Михаил Семенович Цвет (1872—1919). Исследуя пигменты растений, Цвет пропустил раствор смеси очень мало различающихся по цвету пигментов через трубку, заполненную адсорбентом — порошкообразным карбонатом кальция, и промыл затем адсорбент чистым растворителем. Отдельные компоненты смеси при этом разделились и образовали цветные полосы. Цвет опубликовал статью с описанием открытого им метода разделения, который он назвал хроматографией(«цветописью») [94].
Статья русского ученого осталась незамеченной, но в 20-е годы Вильштеттер (см. разд. «Лекарственные средства») и его ученик, немецкий химик (австриец по происхождению) Рихард Кун (1900—1967), вновь открыли этот способ разделения. В 1944 г. английские химики Арчер Джон Портер Мартин (род. в 1910 г.) и Ричард Лоуренс Миллингтон Синг (род. в 1914 г.) предложили новый вариант этого метода: они заменили трубку с адсорбентом на фильтровальную бумагу. Анализируемая смесь распределялась по фильтровальной бумаге, и компоненты смеси при этом разделялись. Этот способ был назван бумажной хроматографией.
В конце 40-х — начале 50-х годов нашего века химикам удалось обстоятельно проанализировать с помощью метода бумажной хроматографии смеси аминокислот, полученные при расщеплении ряда белков. В результате удалось установить общее число остатков каждой аминокислоты, содержащихся в молекуле белка, однако порядок расположения аминокислот в полипептидной цепи при этом определить, естественно, было нельзя. Английский химик Фредерик Сенгер (род. в 1918 г.) изучал инсулин — белковый гормон, состоящий примерно из пятидесяти аминокислот, распределенных между двумя взаимосвязанными полипептидными цепями. Сенгер расщепил молекулу на несколько более коротких цепей и проанализировал каждую из них методом бумажной хроматографии. Восемь лет продолжалась кропотливая работа по «складыванию мозаики», но к 1953 г. был установлен точный порядок расположения аминокислот в молекуле инсулина. Позднее таким же способом было установлено детальное строение даже больших молекул белка [95].
Следующий шаг состоял в том, чтобы подкрепить этот труд реальным синтезом заданной молекулы белка. В 1954 г. американец Винсент Дю-Виньо (1901—1978) положил начало такому синтезу. Он получил окситоцин— пептид, состоящий всего лишь из восьми аминокислотных остатков. Однако с более сложными молекулами дело пошло быстрее, и вскоре были синтезированы цепи, содержащие несколько десятков аминокислот. К 1963 г. в лабораторных условиях были получены полипептидные цепи инсулина.
Однако, зная только порядок расположения аминокислот, нельзя еще представить себе совершенно отчетливо все уровни организации белковой молекулы. Даже при осторожном нагревании белки нередко необратимо утрачивают свойства, присущие им в природном состоянии, иными словами, происходит денатурациябелков. Причем обычно денатурация не сопровождается расщеплением полипептидной цепи; чтобы расщепить цепь, нужны более жесткие условия. Следовательно, цепи образуют какую-то определенную структуру под действием слабых «вторичных связей». В образовании таких вторичных связей обычно участвует атом водорода, находящийся между атомами азота и кислорода. Такая водородная связьв двадцать раз слабее обычной валентной связи.
В начале 50-х годов американский химик Лайнус Полинг (род. в 1901 г.) предположил, что полипептидная цепь свернута в спираль (подобна «винтовой лестнице») и удерживается в этом положении водородными связями. Эта идея оказалась особенно плодотворной применительно к относительно простым фибриллярным белкам, из которых состоят покровные и соединительные ткани.
Более того, спирали образуют даже более сложные по структуре глобулярные белки. Английские химики Макс Фердинанд Перутц (уроженец Австрии) (род. в 1914 г.) и Джон Коудери Кендрю (род. в 1917 г.) обнаружили это при детальном исследовании строения гемоглобина и миоглобина (белков крови и мышц соответственно, способных обратимо присоединять кислород). В своей работе они использовали новый метод анализа — метод дифракции рентгеновских лучей: пучок рентгеновских лучей, проходящий через кристаллы, рассеивается атомами, образующими кристаллы. Рассеивание в заданном направлении и при заданном угле наиболее эффективно в том случае, когда атомы располагаются последовательно. Определяя величину отклонения, можно выявить расположение атомов внутри молекулы. Исследовать таким образом большие молекулы сложной структуры, подобные белковой молекуле,— задача весьма трудоемкая, и тем не менее к 1960 г. таким образом удалось уточнить последние детали строения молекулы миоглобина (состоящей из двенадцати тысяч атомов).
Полинг считал, что предложенную им спиральную модель молекулы можно распространить и на нуклеиновые кислоты. В начале 50-х годов английский физик Морис Хью Фредерик Уилкинс (род. в 1916 г.) изучал нуклеиновые кислоты методом дифракции рентгеновских лучей, и результаты его работы можно было использовать для проверки справедливости предположения Полинга. Английский физик Фрэнсис Гарри Комптон Крик (род. в 1916 г.) и американский химик Джеймс Дьюи Уотсон (род. в 1928 г.) установили, что удовлетворительно объяснить результаты дифракционных исследований можно, лишь несколько усложнив модель молекулы. Каждая молекула нуклеиновой кислоты должна представлять собой двойную спираль, образованную навитыми вокруг общей оси цепями. Эта модель Уотсона — Крика, предложенная ими впервые в 1953 г., сыграла важную роль в развитии генетики [96] [97].
Далее Грэхем перешел к изучению диффузии растворенных веществ. Он обнаружил, что растворы веществ, подобных соли, сахару или сульфату меди, проходят через разделяющую перегородку из пергаментной бумаги (имеющей, как он предполагал, микроскопические поры). В то же время растворы таких соединений, как гуммиарабик, животный клей и желатина, пройти через разделяющую перегородку не могут — очевидно, молекулы соединений последней группы для этого слишком велики.
Соединения, способные проходить через поры пергамента (и, как выяснилось, легко кристаллизующиеся), Грэхем назвал кристаллоидами. Соединения другой группы, не способные, подобно животному клею (по-гречески ?????). проходить через поры пергамента, он назвал коллоидами. Наука о гигантских молекулах стала впоследствии важным разделом коллоидной химии, которой, таким образом, Грэхем положил начало [92].
Предположим, что с одной стороны разделяющей перегородки находится чистая вода, а с другой — коллоидный раствор. Молекулы воды могут свободно проникать через перегородку в оба отсека. В первый момент в отсек с коллоидным раствором будет попадать большее число молекул воды, чем покидать его, поскольку выравнивание концентраций по обе стороны перегородки — самопроизвольный энергетически выгодный процесс. Суммарный поток молекул воды в отсек с коллоидным раствором будет продолжаться до тех пор, пока возникающая разность давлений жидкости с обеих сторон перегородки не достигнет определенной величины. Величина этого давления, приводящего к вынужденному равновесию, называется осмотическим давлением раствора.
В 1877 г. немецкий ботаник Вильгельм Пфеффер (1845—1920) показал, как можно измерить осмотическое давление и как, исходя из полученных результатов, можно определить молекулярную массу больших молекул, образующих коллоидные растворы. Это был первый удачный метод оценки размера таких молекул.
В 1923 г. шведский химик Теодор Сведберг (1884—1971) сконструировал центрифугуи разработал седиментационный метод определения молекулярной массы макромолекул, главным образом белков.
Ассистент Сведберга Арне Вильгельм Каурин Тиселиус (1902—1971), также швед, в 1923 г. разработал более совершенный метод разделения гигантских молекул, основанный на характере распределения электрического заряда по поверхности молекулы. Этот способ — электрофорез— оказался особенно важным при разделении и очистке белков.
С помощью физических методов химики могли получить представление об общей структуре гигантских молекул, однако они стремились установить детальное строение этих соединений. Особый интерес вызывали у них белки.
В то время как гигантские молекулы таких веществ, как крахмал или клетчатка древесины, построены из одного многократно повторяемого блока, молекула белка строится из двадцати различных, но тесно связанных блоков — различных аминокислот (см. гл. 6). Именно по этой причине молекулы белков так разнообразны, но это же создает большие трудности при попытке их характеризовать.
Эмиль Фишер, который ранее установил детальное строение молекул сахаров (см. гл. 7), в начале нашего века обратил внимание на молекулу белка [93]. Он показал, что аминогруппа одной аминокислоты связана с остатком молекулы другой кислоты пептидной связью. В 1907 г. Фишер получил соединение, объединяющее восемнадцать аминокислот, и показал, что оно обладает рядом свойств, характерных для белков.
Однако определить порядок аминокислот в полипептидной цепимолекулы природного белка удалось лишь полстолетия спустя, после того как был разработан еще один метод анализа.
Открыл этот метод русский ботаник Михаил Семенович Цвет (1872—1919). Исследуя пигменты растений, Цвет пропустил раствор смеси очень мало различающихся по цвету пигментов через трубку, заполненную адсорбентом — порошкообразным карбонатом кальция, и промыл затем адсорбент чистым растворителем. Отдельные компоненты смеси при этом разделились и образовали цветные полосы. Цвет опубликовал статью с описанием открытого им метода разделения, который он назвал хроматографией(«цветописью») [94].
Статья русского ученого осталась незамеченной, но в 20-е годы Вильштеттер (см. разд. «Лекарственные средства») и его ученик, немецкий химик (австриец по происхождению) Рихард Кун (1900—1967), вновь открыли этот способ разделения. В 1944 г. английские химики Арчер Джон Портер Мартин (род. в 1910 г.) и Ричард Лоуренс Миллингтон Синг (род. в 1914 г.) предложили новый вариант этого метода: они заменили трубку с адсорбентом на фильтровальную бумагу. Анализируемая смесь распределялась по фильтровальной бумаге, и компоненты смеси при этом разделялись. Этот способ был назван бумажной хроматографией.
В конце 40-х — начале 50-х годов нашего века химикам удалось обстоятельно проанализировать с помощью метода бумажной хроматографии смеси аминокислот, полученные при расщеплении ряда белков. В результате удалось установить общее число остатков каждой аминокислоты, содержащихся в молекуле белка, однако порядок расположения аминокислот в полипептидной цепи при этом определить, естественно, было нельзя. Английский химик Фредерик Сенгер (род. в 1918 г.) изучал инсулин — белковый гормон, состоящий примерно из пятидесяти аминокислот, распределенных между двумя взаимосвязанными полипептидными цепями. Сенгер расщепил молекулу на несколько более коротких цепей и проанализировал каждую из них методом бумажной хроматографии. Восемь лет продолжалась кропотливая работа по «складыванию мозаики», но к 1953 г. был установлен точный порядок расположения аминокислот в молекуле инсулина. Позднее таким же способом было установлено детальное строение даже больших молекул белка [95].
Следующий шаг состоял в том, чтобы подкрепить этот труд реальным синтезом заданной молекулы белка. В 1954 г. американец Винсент Дю-Виньо (1901—1978) положил начало такому синтезу. Он получил окситоцин— пептид, состоящий всего лишь из восьми аминокислотных остатков. Однако с более сложными молекулами дело пошло быстрее, и вскоре были синтезированы цепи, содержащие несколько десятков аминокислот. К 1963 г. в лабораторных условиях были получены полипептидные цепи инсулина.
Однако, зная только порядок расположения аминокислот, нельзя еще представить себе совершенно отчетливо все уровни организации белковой молекулы. Даже при осторожном нагревании белки нередко необратимо утрачивают свойства, присущие им в природном состоянии, иными словами, происходит денатурациябелков. Причем обычно денатурация не сопровождается расщеплением полипептидной цепи; чтобы расщепить цепь, нужны более жесткие условия. Следовательно, цепи образуют какую-то определенную структуру под действием слабых «вторичных связей». В образовании таких вторичных связей обычно участвует атом водорода, находящийся между атомами азота и кислорода. Такая водородная связьв двадцать раз слабее обычной валентной связи.
В начале 50-х годов американский химик Лайнус Полинг (род. в 1901 г.) предположил, что полипептидная цепь свернута в спираль (подобна «винтовой лестнице») и удерживается в этом положении водородными связями. Эта идея оказалась особенно плодотворной применительно к относительно простым фибриллярным белкам, из которых состоят покровные и соединительные ткани.
Более того, спирали образуют даже более сложные по структуре глобулярные белки. Английские химики Макс Фердинанд Перутц (уроженец Австрии) (род. в 1914 г.) и Джон Коудери Кендрю (род. в 1917 г.) обнаружили это при детальном исследовании строения гемоглобина и миоглобина (белков крови и мышц соответственно, способных обратимо присоединять кислород). В своей работе они использовали новый метод анализа — метод дифракции рентгеновских лучей: пучок рентгеновских лучей, проходящий через кристаллы, рассеивается атомами, образующими кристаллы. Рассеивание в заданном направлении и при заданном угле наиболее эффективно в том случае, когда атомы располагаются последовательно. Определяя величину отклонения, можно выявить расположение атомов внутри молекулы. Исследовать таким образом большие молекулы сложной структуры, подобные белковой молекуле,— задача весьма трудоемкая, и тем не менее к 1960 г. таким образом удалось уточнить последние детали строения молекулы миоглобина (состоящей из двенадцати тысяч атомов).
Полинг считал, что предложенную им спиральную модель молекулы можно распространить и на нуклеиновые кислоты. В начале 50-х годов английский физик Морис Хью Фредерик Уилкинс (род. в 1916 г.) изучал нуклеиновые кислоты методом дифракции рентгеновских лучей, и результаты его работы можно было использовать для проверки справедливости предположения Полинга. Английский физик Фрэнсис Гарри Комптон Крик (род. в 1916 г.) и американский химик Джеймс Дьюи Уотсон (род. в 1928 г.) установили, что удовлетворительно объяснить результаты дифракционных исследований можно, лишь несколько усложнив модель молекулы. Каждая молекула нуклеиновой кислоты должна представлять собой двойную спираль, образованную навитыми вокруг общей оси цепями. Эта модель Уотсона — Крика, предложенная ими впервые в 1953 г., сыграла важную роль в развитии генетики [96] [97].
Взрывчатые вещества
Не избежали молекулы-гиганты и преобразующей руки химика. Произошло это вначале случайно. В 1845 г. швейцарский химик Христиан Фридрих Шенбайн (1799—1868), уже прославивший себя открытием
озона(аллотропной модификации кислорода), проводил опыты в своей домашней лаборатории. Разлив смесь азотной и серной кислот, он вытер эту смесь хлопчатобумажным фартуком и повесил его сушиться над печкой. Как только фартук высох, раздался несильный взрыв и фартука не стало. Сам того не зная, Шенбайн превратил целлюлозу фартука в
нитроцеллюлозу
[98]. Нитрогруппы (перешедшие из азотной кислоты) послужили внутренним источником кислорода, и при нагревании целлюлоза сразу же полностью окислилась.