Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин - Михаил Левицкий

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 -RxSi-O-RxSi-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 RxSi(OEt)4-x, в котором органическая группа соединена с атомом кремния.