Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин - читать онлайн книгу. Автор: Михаил Левицкий cтр.№ 38

Нобелевский доклад Левитта был своеобразен: ученый рассказывал не столько о своих работах, сколько об успехах ближайших коллег, иллюстрируя это фотографиями. Например, портрет ближайшего коллеги Арье Варшеля (третьего лауреата) появлялся на экране несколько раз. Подводя итоги своей работы, проделанной в основном на компьютерах, М. Левитт обратил внимание слушателей на успехи в производстве компьютеров, причем в своеобразной форме. Он сказал: "Если сравнить прогресс в развитии компьютеров (увеличение быстродействия процессоров, объема оперативной памяти, уменьшение размеров вычислительных устройств и снижение их цены) с производством автомобилей, то это похоже на то, как если бы новый Volvo стал стоить 3 доллара, иметь скорость 1 000 000 км/ч, вмещать 50 000 взрослых пассажиров и при этом умещался бы в обувной коробке"¹.

Основные жизненные принципы Левитта: быть оригинальным, быть настойчивым, быть страстным, быть добрым. На последнем слайде доклада он показал имена 44 студентов и аспирантов из 16 стран (в том числе и из России), помогавших ему в разное время в работе.

Арье Варшель родился в 1940 г. в кибуце Сде-Нахум, Израиль, в 1958–1962 гг. служил в израильской армии, а после обучения в Хайфском университете в 1966 г. получил степень бакалавра. В 1969 г. защитил диссертацию в Институте им. Вейцмана под руководством профессора Шнеера Лифсона, который был также научным руководителем второго лауреата М. Левитта. В период 1970–1972 гг. проходил стажировку в Гарвардском университете под руководством Мартина Карплуса (первого из лауреатов этой работы), после чего вернулся в Институт им. Вейцмана. В период 1974–1976 гг. работал в лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, в 1976 г. перешел на химический факультет Университета Южной Калифорнии, где в 1984 г. получил звание профессора.

Следуя стилю, предложенному двумя предыдущими лауреатами, Варшель в заключение доклада показал слайд с 78 (!) портретами, соединенными между собой, и с собственным портретом (в центре) по принципу пазла, что удачно символизирует совместную работу большого научного содружества.

Каждому заранее понятно, что лауреат делал свою работу не в одиночестве, но масштабный "ковер" из лиц зрелых и юных помощников производит впечатление.

К настоящему моменту в химической литературе описано свыше 20 млн синтезированных соединений, и более 80 % из них – это органические соединения. Почему химия так интенсивно изучает соединения одного элемента – углерода? Причин здесь несколько. Прежде всего атомы углерода (почти всегда с участием атомов водорода) в руках умелого химика-синтетика способны соединяться друг с другом практически в любом количестве и в разных вариантах. С помощью простых и кратных связей они образуют совершенно немыслимое число различных линейных, циклических, полициклических и каркасных структур.

Окружающая нас живая природа, создающая органические молекулы, предоставляет химикам для исследования столь гигантский набор веществ, что рядом с ним ассортимент соединений минерального мира выглядит весьма скромно. Существует ли элемент, который мог бы составить конкуренцию углероду или хотя бы слегка потеснить его в попытке оспорить такое безоговорочное лидерство? В поисках достойного соперника обратимся к элементу, наиболее близкому к углероду по химическим свойствам. Естественно, это кремний – стоящий под углеродом элемент 4-й группы периодической системы.

Сначала химики полагали, что из атомов кремния можно будет собрать молекулы различной конфигурации, по разнообразию не уступающие органическим соединениям. По аналогии с углеродом решено было окружить атомы кремния атомами водорода. Оказалось, что атомы кремния могут объединяться друг с другом, образуя цепочки и циклы. Однако химики смогли получить молекулы лишь небольшой длины. Фрагменты SiH₂ могут образовывать короткие цепочки, содержащие не более десяти атомов кремния, в то время как звенья СН₂ образуют цепи, содержащие сотни тысяч таких фрагментов (например, полиэтилен) (рис. 6.1).

Постепенно исследователям стало понятно, что химия кремния заметно отличается от химии углерода. Кремний не может воспроизвести все то, что с легкостью делает углерод, и слепое копирование процессов не привело к успеху. Ожидание структурного многообразия не подтвердилось, и выстроить химию, аналогичную органической, не удалось.

Чтобы сделать кремний более "управляемым" и применить к нему накопленный экспериментальный опыт в органической химии, исследователи решили окружить кремний органическими группами – то есть создать соединения с фрагментами C-Si. Так было положено начало химии кремнийорганических соединений. Английский ученый Ф. Киппинг (1863–1949), в течение десятилетий изучавший химию кремнийорганических соединений, пришел к выводу, что этот класс веществ особого интереса не представляет. Тем не менее работы Киппинга оказались небесполезными – они, по существу, заложили основы химии кремнийорганических соединений, развитие которой пошло особым путем.

Известно, что воспитание подрастающего поколения требует индивидуального подхода. Воспитатель должен выявить склонности и скрытые способности каждого воспитанника, чтобы помочь ученику с выбором области, в которой его деятельность будет наиболее успешной. Точно так же химику порой требуется интуитивно определить, в какой форме тот или иной элемент проявит свои лучшие свойства. В данном случае ответ подсказала сама природа. В определенном смысле кремний – несомненный лидер, это один из самых распространенных элементов, ведь силикаты составляют свыше 75 % массы земной коры. Если в царстве органических соединений неизменный напарник углерода – водород, то в мире минеральных веществ излюбленный спутник кремния – кислород.

Как только в состав кремнийорганических соединений ввели кислород, ситуация изменилась. Возникло новое, интенсивно развивающееся направление – химия органосилоксанов. Их основной структурный фрагмент – группировка, содержащая последовательность -R_xSi-O-R_xSi-O-, при этом у атома кремния должна находиться по крайней мере одна органическая группа (а если ее не будет, то соединение перейдет в разряд неорганических силикатов, у которых совсем иные свойства).

Развитие химии органосилоксанов (часто называемых силиконами) началось с работ академика К. А. Андрианова (1904–1978). Присоединение органической группы к атому кремния проводили по схеме, показанной на рис. 6.2: при хлорировании ферросилиция (железокремниевый сплав) образуется тетрахлорид кремния SiCl₄, который затем взаимодействует с этанолом и превращается в тетраалкоксисилан Si(OEt)₄. Реакция тетраалкоксисилана с реактивом Гриньяра RMgCl приводит к органоалкоксисилану R_xSi(OEt)_4-x, в котором органическая группа соединена с атомом кремния.