Уровень структурной химии

Структурная химия — это уровень развития химических знаний, на котором доминирует понятие «структура», т. е. структура молекулы, макромолекулы, монокристалла.

«Структура — это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула»¹.

С возникновением структурной химии у химической науки появились неизвестные ранее возможности целенаправленного качественного влияния на преобразование вещества. Еще в 1857 г. немецкий химик Ф. А. Кекуле (1829—1896) показал, что углерод четырехвалентен, и это дает возможность присоединить к нему до четырех элементов одновалентного водорода. Азот может присоединить до трех одновалентных элементов, кислород — до двух. Схема Кекуле натолкнула исследователей на понимание механизма получения новых химических соединений. Русский химик А. М. Бутлеров (1828—1886) заметил, что в таких соединениях большую роль играет энергия, с которой вещества связываются между собой. В настоящее время под структурой молекулы понимается и пространственная, и энергетическая упорядоченность.

В 1860—1880-е гг. появился термин «органический синтез». Из каменноугольной смолы и аммиака были получены новые красители — фуксин, анилиновая соль, ализарин, а позднее — взрывчатые вещества и лекарственные препараты (аспирин и др.). Структурная химия дала повод для оптимистических заявлений, что химики могут все.

Однако дальнейшее развитие химической науки и основанного на ее достижениях производства показало более точно возможности и пределы структурной химии. На уровне структурной химии не представлялось возможным получение этилена, ацетилена, бензола и других непредельных углеводородов из парафиновых. Многие реакции органического синтеза на основе структурной химии давали очень низкие выходы необходимого продукта и большие отходы в виде побочных продуктов. Вследствие этого их нельзя было использовать в промышленном масштабе.

Кроме того, в производстве на основе органического синтеза использовалось дорогостоящее сельскохозяйственное сырье — зерно, жиры, молочные продукты. А сам технологический процесс был многоэтапным и трудноуправляемым.

В последнее время ученые открыли новую группу металлоорганических соединений с двойной структурой, получивших название «сэндвичевых соединений». Это не что иное, как молекула, представляющая собой две пластины из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом металла или атомы двух металлов. Пока эти соединения практического применения не нашли, но сам факт их существования заставил химиков пересмотреть прежние взгляды на валентность и химические связи. Их рассматривают как доказательство наличия электронно-ядерного взаимодействия молекул.

Структурная химия неорганических соединений ищет пути получения кристаллов для производства высокопрочных материалов с заданными свойствами, обладающих термостойкостью, сопротивлением агрессивной среде и другими качествами, предъявляемыми современным уровнем развития науки и техники. Решение этих вопросов наталкивается на различные препятствия. Выращивание, например, некоторых кристаллов требует исключения условий гравитации, поэтому такие кристаллы выращивают в космосе на орбитальных станциях.

В XXI в. ученые химики получили 10 Нобелевских премий за научные открытия. Некоторые из них дали жизнь новым научным направлениям. В 2002 г. Нобелевскую премию поделили Джои Фенн и Койчи Танака «За разработку методов идентификации и структурного анализа биологических макромолекул и, в частности, за разработку методов масс-спектрометрического анализа биологических макромолекул» и Курт Вюгрих «За разработку применения ЯМР-спектроскопии для определения трехмерной структуры биологических макромолекул в растворе». На основании работ этой тройки химиков появилась возможность делать трехмерное изображение белковых молекул, а это, в свою очередь, позволило понять, как работает в клетке тот или иной белок. Открытия этих ученых дали жизнь новому научному направлению — протеомике (науке исследования белков, их функций, их взаимодействия и роли в поддержании жизни), — которая сегодня быстро приобретает громадное значение и становится даже более важной, чем популярная геномика.

В 2003 г. Питер Эгр из Медицинской школы Университета Джона Хопкинса и Родерик Маккиннон из Медицинского института Говарда Хыоза получили Нобелевскую премию «за открытие каналов в клеточных мембранах» (рис. 8.2, 8.3). Это открытие дало первоначальный толчок громадному спектру биохимических, физиологических и генетических исследований. Водные каналы в мембранах, как выяснилось, предназначены только для воды, и ионы солей не пропускают. Следовало поэтому искать ионные каналы. Спустя 10 лет Родерик Маккиннон (Roderick MacKinnon) поразил научное сообщество уникальным экспериментом, в ходе которого смог определить пространственную структуру калиевого канала для ионов, который может открываться и закрываться различными клеточными сигналами.

Рис. 8.2. Механизмы прохождения веществ через клеточную мембрану

Рис. 83. Водный канал в мембране клетки

Другие открытия позволят внедрять новые методы лечения, начать производство современных лекарств, дадут возможность «исправления» неблагоприятной наследственности, совершенствовать промышленные процессы. С открытием новых катализаторов появилась возможность получать совершенно новые вещества, которые до этого были просто немыслимы.