Занимательная химия для детей и взрослых - Илья Леенсон

Пенитрем

Из синтезированных соединений наиболее токсичен 2,3,7,8-тетрахлордибензодиоксин (LD50 = 22 мкг/кг), который обычно называют просто диоксином. Это «самый токсичный из всех рукотворных веществ, признанный в мире абсолютным ядом», как написали о нем в связи с трагедией в итальянском городе Севезо, когда в результате аварии в воздух попало 2 кг этого вещества. Молекула диоксина удивительно точно «вписывается» в рецепторы живых организмов – со всеми вытекающими отсюда последствиями, вплоть до появления злокачественных опухолей. Одно из основных отличий диоксина от природных токсинов – высокая химическая устойчивость: диоксин не разрушается микроорганизмами, практически не гидролизуется. В почве он может находиться в неизменном виде десятки лет, в воздухе – многие месяцы. Впервые на диоксин обратили внимание, когда оказалось, что примененный американской армией во Вьетнаме дефолиант (средство для удаления зеленых листьев с растений) Agent Orange представляет смертельную угрозу для людей, так как содержит в виде примеси 0,0003 % диоксина.

Одно из самых ядовитых средств защиты растений – фосфорорганический инсектицид паратион, он же тиофос (LD50 = 3,6 мг/кг). Это соединение, в отличие от диоксина, довольно быстро разлагается в результате гидролиза фосфорноэфирной группы. Тем не менее применение этого когда-то распространенного пестицида в нашей стране запрещено.

Тиофос

Вероятно, самый известный яд – синильная кислота и ее калиевая соль (цианистый калий). Для этих соединений LD50 = = 10 мг/кг. Синильная кислота при попадании в организм связывается с ферментом цитохромоксидазой и блокирует клеточное дыхание. Это соединение может быть причиной отравлений при горении полимеров, содержащих азот: HCN образуется при термическом разложении найлона и полиуретанов. Опасно и употребление в пищу в больших количествах ядер абрикосовых косточек: в них цианид находится в связанном состоянии в виде гликозида амигдалина, смертельная доза которого составляет 1 г. Это количество амигдалина содержится примерно в 100 г абрикосовых ядер. В организме амигдалин гидролизуется с выделение HCN. Еще менее ядовит белый мышьяк, для которого LD50 = 15 мг/кг.

В заключение – интересное наблюдение. Если сравнить токсичность различных соединений (в единицах моль/кг) от их молекулярной массы, то окажется, что в логарифмических координатах существует прямолинейная зависимость: чем больше масса молекулы, тем токсичнее соединение.

Изучение химии, видимо, развивает многие скрытые в человеке способности. Как еще объяснить тот факт, что немало химиков стали музыкантами, писателями, политическими деятелями? Самый известный пример – химик и музыкант А. П. Бородин. Менее известно, что американский писатель А. Азимов (он опубликовал рекордное число книг – более 400!) был профессором биохимии. Профессиональным химиком, автором 110 патентов был и первый президент Израиля Хаим Вейцман. Химическое образование получила и Маргарет Тэтчер. Так что, как остроумно заметил академик Ю. А. Золотов, «широко простирают химики руки свои в дела человеческие».

В этой заметке речь пойдет только о достижениях химиков в своей родной вотчине. «Артистизм и элегантность» – так была названа статья, посвященная гению органического синтеза Роберту Вудворду (1917–1979). Проведенные Вудвордом в 40–70-х гг. классические синтезы природных соединений – хинина, стрихнина, резерпина и особенно витамина В12 – стали образцом искусства органического синтеза. А каковы новые достижения химиков-синтетиков? Некоторые из них были представлены в заметке «Диковинки в мире молекул». Но это далеко не все, на что способны химики.

Известно, что четыре разных заместителя у атома углерода (такой атом называется асимметрическим) придают молекуле асимметрию – хиральность. Самая маленькая хиральная молекула – метан, в котором три атома водорода замещены на разные атомы галогена. Еще в 1893 г. бельгийский химик Фредерик Свартс, один из пионеров в изучении фторорганических соединений (его именем названа одна из органических реакций), синтезировал бромхлорфторметан. Однако полученное соединение было оптически неактивным, так как представляло собой рацемическую смесь правых и левых молекул CHBrClF. Эту смесь сумели разделить методом газовой хроматографии только в 1996 г.

Самая легкая хиральная молекула, дейтеротритиевое производное этана CH3CHDT, была синтезирована в 1997 г. группой из восьми американских химиков. Сделано это было не из праздного любопытства и тем более не в погоне за рекордом (в по следнем случае следовало бы синтезировать производное метана, например CHDTLi): это экзотическое вещество было нужно для изучения механизма и стереохимии ферментативного окисления этана до этилового спирта.

Хиральность молекулы может быть связана не только с присутствием в молекуле асимметрического атома углерода, но и с ее жесткостью, когда две симметричные формы не могут переходить друг в друга. Самая простая из таких молекул с осевой хиральностью – дважды дейтерированный аллен DHC=C=CHD, который был получен в 1997 г. и может иметь цис – или транс -форму (они отличаются взаимным расположением в плоскости атомов водорода и дейтерия у одного из атомов углерода). Максимальное же число хиральных центров (64) содержится в синтезированном в 1994 г. коралловом яде палитоксине, о котором говорилось в рассказе о ядах. Достойно упоминания, что теоретически такая структура может существовать в виде 1,8 · 1019 (!) стереоизомеров, и только один из них (который и был синтезирован) соответствует природному токсину.

Не следует думать, что каждый подобный синтез требует проведения многостадийных реакций (Вудворд, например, упоминал о 100-стадийном синтезе). Так, группа американских химиков, возглавляемая И. Патерсоном, синтезировала в 1992 г. молекулу с четырьмя новыми хиральными центрами всего в две стадии: сначала на кетон С2Н5СН(СН3)СОС2Н5 подействовали 2-метилпропеналем, а затем прогидрировали продукт реакции. Таким образом, на каждый новый хиральный центр потребовалось всего полстадии. Эти синтезы – свидетельство замечательных успехов в стереохимическом контроле химических реакций, которых достигла современная органическая химия.

И все же «природные химики» – ферменты пока остаются вне досягаемости. Так, уже упомянутый полный синтез витамина В12, проведенный Р. Вудвордом в США и А. Эшенмозером в Швейцарии, потребовал 10 лет работы почти 130 химиков. В 1994 г. под «наблюдением» А. И. Скотта и его сотрудников значительную часть этой работы выполнили всего за 15 часов 12 ферментов: их загрузили в колбу вместе с очень простым веществом – 5-аминолевулиновой кислотой H2NCH2COCH2CH2COOH. Этот синтез является также рекордным по количеству разных веществ, участвовавших в реакции. Если же исключить из рассмотрения ферментативные процессы, то самую многокомпонентную реакцию провели в 1993 г. немецкие химики А. Дёмлинг и И. Уги. Смешав в одной колбе семь(!) реагентов: изомасляный альдегид (CH3)2CHCHO, бромизомасляный альдегид (CH3)2CBrCHO, трет -бутилизонитрил (CH3)3C–NC, метанол CH3OH, гидросульфид натрия NaSH, аммиак NH3 и диоксид углерода CO2, они получили с выходом 43 % производное 1,3-тиазолидина.