Синтез химических веществ

Управление химическими процессами. Современная наука о химических процессах включает фундаментальные знания многих отраслей естествознания и прежде всего физики, химии, биологии и др. Стремление ученых — создать лаборатории живого организма для воспроизведения химических процессов в биологических системах свидетельствует о необходимости применения взаимосвязанных знаний разных естественно-научных отраслей.

Наш соотечественник, лауреат Нобелевской премии по химии 1956 г., выдающийся химик Н.Н. Семенов (1896—1986), создавший общую теорию цепных реакций и основавший химическую физику, считал себя физиком. Он полагал, что химический процесс нельзя рассматривать без восхождения от таких простых объектов, как электрон, нуклон, атом и молекула, к живой биологической системе, ибо любая клетка любого организма представляет собой, по существу, сложный химический реактор. В этой связи химический процесс — это мост между физическим и биохимическим объектами.

Одно из важнейших направлений учения о свойствах вещества — создание методов управления химическими процессами. Успехи в развитии современной химии во многом определяются эффективностью управления химическими превращениями, повышению которой способствует внедрение новых экспериментальных методов с применением современных технических средств контроля и анализа сложных молекулярных структур. Химическое превращение начинается со смешивания реагентов и заканчивается образованием конечных продуктов. В большинстве случаев оно включает ряд промежуточных стадий, и для полного понимания механизма реакции нужны сведения о свойствах промежуточных веществ, образующихся на каждой стадии, протекающей, как правило, очень быстро. Если 20—30 лет назад технические средства эксперимента позволяли проследить за промежуточными молекулами со временем жизни около одной миллионной доли секунды, то современные лазерные источники излучения существенно расширили временной диапазон исследований от 10^-6 до 10^-15 с.

При взаимодействии двух химических соединений образование продуктов реакции определяется статистической вероятностью, зависящей от исходного энергетического состояния, возбуждения и взаимной ориентации молекул при столкновениях. Современная вакуумная техника открывает новые возможности для взаимодействия реагирующих соединений при столкновении молекул. В глубоком вакууме, где длина свободного 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 столкновении, приводящем к реакции. Это означает, что появилась реальная возможность 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 естествознания и в первую очередь физики. Методы аналитической химии широко применяются в разных отраслях химии, в медицине, сельском хозяйстве, геологии, экологии и т.п.

Для количественного анализа исследуемые сложные смеси и соединения делятся на компоненты. Для этого применяется универсальный метод — хроматография. Этот метод впервые предложил российский ученый М.С. Цвет (1872—1919). Его сущность заключается в том, что различные вещества в жидкой или газообразной фазе обладают разной прочностью связи с поверхностью, с которой они находятся в контакте. С помощью хроматографии можно разделить и зафиксировать чрезвычайно малое количество вещества в смеси — около 10^-12г. Кроме того, хроматография позволяет разделить многокомпонентные газообразные смеси, содержащие вещества разного изотопного состава

Для анализа и идентификации структуры сложных молекул, объединяющих большое количество атомов с различными взаимными связями, широко применяются основанные на физических принципах экспериментальные методы ядерного магнитного резонанса, оптической спектроскопии, масс-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, нейтронографии и т.п.

В управлении химическими процессами важную роль играют предварительные 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 расчеты долго оставались недостижимыми: уж слишком сложны уравнения квантовой механики для комплексных объектов — молекул и даже атомов с множеством движущихся электронов. Решение подобной задачи стало возможным при учете электронной плотности, а не движения отдельных электронов в молекуле или атоме. Такой подход позволяет рассчитывать свойство и структуру даже весьма сложных молекул, например белковых. За решение данной задачи квантовой химии австрийский физик Вальтер Кон и английский математик и физик Джон Попл (оба ученых работают в США) удостоены в 1998 г. Нобелевской премии по химии.

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, железо в ферредоксине, медь во фталоцианине), обмен электрическими импульсами между клетками (кальций, калий в нервных клетках), мышечное 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 кислорода 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 соединений с необычайно сложной структурой. Среди них ферроцен — вещество, содержащее атомы железа.

Химики-металлоорганики стремятся создать новые эффективные катализаторы для фиксации азота, т.е. для превращения молекулярного азота N₂ в аммиак NH₃ — исходный продукт для производства удобрений. Другая не менее важная задача — синтез соединений, способных избирательно взаимодействовать с теми молекулами, которые долгое время считались слишком инертными для химических превращений, но представляли и представляют практический интерес. Например, насыщенные углеводороды относительно инертны, не содержат двойных или тройных углеродных связей. Тем не менее удалось синтезировать соединения родия и иридия, содержащие фосфины, карбонилы, и другие соединения, способные расщеплять связи С—Н в метане и циклопропане. При сочетании такой важной реакции синтеза с другими видами превращений можно наладить массовое производство насыщенных углеводородов — важнейшего промышленного сырья. Этим способом можно осуществить прямое превращение метана в метанол (метиловый спирт) — ценное сырье 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 множество композитов с уникальными свойствами, среди которых можно назвать неметаллические проводники из чередующихся слоев, многослойную 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) существенно изменяют свойства вещества, в котором они равномерно распределены. Изучение взаимодействия компонентов в сложных композиционных системах позволяет синтезировать новые материалы с уникальными свойствами.

Один из способов эффективного управления химическими процессами заключается в повышении селективности (избирательности) вступающих в реакцию химических соединений. Для реализации такого способа необходимо определить реакционную способность соединений для всех видов химической связи и создать при их взаимодействии оптимальную ориентацию молекул с вполне определенными периодической пространственной конфигурацией и структурой.

Высокая эффективность управления химическими процессами достигается при фотохимическом синтезе, основанном на действии электромагнитного излучения, способствующего переходу молекул в возбужденное энергетическое состояние, при котором повышается активность многих химических превращений. При воздействии излучения даже некоторые 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 зависит 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 определенными свойствами и выполняющих те или иные функции, процесс управления химическим синтезом включает ряд операций: обнаружение воспроизводимого природного соединения, его химическое выделение, определение химического состава и структуры и, наконец, синтез искусственного вещества с заданными свойствами. Именно так синтезированы многие искусственные вещества: антибиотики, витамины и многие целебные 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 катализ, который широко применяется для синтеза огромного разнообразия органических и неорганических соединений.