Искусство с заданными свойствами. За что дали Нобелевскую премию по химии 2010 года

Нобелевскую премию по химии 2010 года получили Эй-ичи Негиши и Акира Судзуки (русскоязычное произношение Suzuki) из Японии и американец Ричард Хек. Их наградили «За разработку новых, более эффективных путей соединения атомов углерода друг с другом с целью построения сложных молекул, которые улучшают нашу повседневную жизнь». Лауреаты премии разработали методики палладиевого катализа, позволяющего очень точно «сшивать» атомы углерода при конструировании синтетических молекул – аналогов природных веществ, обладающих фантастическим спектром нужных человеку свойств.

Итак, природные соединения состоят из углерода, водорода, кислорода и азота. В синтезируемых человеком соединениях присутствуют дополнительные галогены, сера, фосфор. Но природные соединения сами по себе сложнее: их углеродный каркас содержит множество хиральных (несимметричных) атомов, и контролировать химические реакции с их участием человечество пока не умеет. Поскольку органические молекулы – это построенная из атомов углерода основа жизни на Земле, а углерод в свободном состоянии относительно нейтрален, человечество пошло по пути увеличения реагентоспособности этого элемента. Первым в цепочке открытий стоит имя В. Гриньяра (Нобелевская премия 1912 года). Ученый встроил атом магния между атомами углерода и галогена, в результате чего углерод активировался и открылся для взаимодействия с другими атомами углерода. Вслед за ним за разработку методов синтеза, приводящих к созданию связей между атомами углерода, удостоились Нобелевских премий в 1950 году О.Дильс и К.Альдер, в 1979 году – Г.Браун и Г.Виттиг, в 2005 году – И.Шовен, Р.Груббс и Р.Шрок. Были синтезированы довольно простые молекулы. Нобелевские лауреаты 2010 года, работая совершенно независимо друг от друга, открыли и изучили реакции кросс-сочетания, лежащие в основе получения самых разных химических соединений – от лекарств до пластика. Это реакции образования химической связи между двумя атомами углерода различных органических молекул. В таких случаях требуется дополнительная активация атомов углерода в молекулах, поэтому во всех трех реакциях, носящих теперь имя Хека, Негиши и Судзуки, атомы углерода взаимодействуют между собой посредством атома палладия. Палладий служит посредником, активирующим и сближающим атомы в пространстве для того, чтобы между ними произошло химическое взаимодействие. Так образуются длинные цепочки углеродных атомов и соединения крупных органических молекул друг с другом.О химизме кросс-реакций надо знать следующее: постоянным реагентом в них является электрофильный (с дефицитом электронной плотности) участник, он представлен молекулой углеводорода, где концевой атом Н замещен на атом галогена. Второй реагент – это молекула алкена (углеводород с двойной связью) либо металлоорганическое соединение. В начале реакции образуется промежуточное соединение атома палладия с электрофилом, а потом комплекс реагирует с вторым реагентом (нуклеофильный участник с избытком электронной плотности). Если второй реагент – алкен, речь идет о реакции Хека (см. рис. 1). Вспомните, что у атома углерода на внешней электронной оболочке находится 4 электрона, а максимум заполнения – 8. Именно количество электронов на внешней оболочке определяет поведение элемента в химических реакциях. В синтезах используется не атомарный углерод, а молекула, содержащая углерод и другие элементы, соединенные химическими связями, внешняя электронная оболочка атома углерода максимально насыщена электронами, потому он стабилен и инертен. А вот в реакции Хека с использованием алкенов атом углерода рядом с двойной связью менее инертен, чем обычно. Ричард Хек написал ряд работ по методике «сшивания» молекул простых олефинов (алкенов) с бензольным кольцом, и одним из широко используемых в промышленности продуктов такой реакции является полистирол.Если вторым реагентом является цинкорганическое соединение, то это реакция Негиши (см. рис. 2), такая реакция повышает сродство атома углерода к атому палладия. Наконец, в реакции Судзуки используется металлоорганическое соединение с бором, что снижает токсичность веществ в реакционной смеси, а это весьма важно в крупнотоннажном производстве.Совсем непросто проводить реакцию образования углерод-углеродных связей между атомами в определенном положении. Трудно заставить молекулы реагировать, добиться связывания атомов только в определенных точках (селективно). А это необходимо, так как именно селективное протекание реакции приведет к одному целевому продукту, а не к смеси. Каталитические реакции позволяют решить эту проблему. Следует отметить, что, например, в США и Европе каталитические технологии составляют до 40% ВВП, так как применяются в нефтехимии, переработке нефтепродуктов, химии… Однако катализаторы, разработанные лауреатами, относятся к особому направлению химической науки – тонкой органической химии. По сравнению с обычной органической она позволяет получать вещества с очень высоким выходом. Оказывается, синтез вещества, как правило, проходит в несколько стадий. При эффективности каждой 90% общая эффективность составит лишь 0,9n, а если применять палладиевый катализатор, синтез сводится к одностадийному процессу с выходом 90%. Такая технология позволяет массово создавать нужные соединения проще, дешевле и селективнее. В общем-то, простые методы создания углерод-углеродных связей оказались чрезвычайно востребованы прежде всего в фармацевтике и электронике. На этом пути впечатляющим достижением явился синтез палитоксина – яда кардиотоксического действия гавайского происхождения, применяющегося аборигенами для изготовления отравленного оружия. Он впервые был выделен в 1971 году из яда кораллов (формула С129О54N3H223) и является одним из самых сложных веществ органического происхождения в мире. Это реакция Судзуки. Химические соединения, над синтезом которых работали лауреаты, встречаются в небольших количествах в морских губках. По мнению биологов, они могут быть эффективны в борьбе с раком. На сегодня осуществлен синтез дазонамида А из филиппинской асцидии (лечит рак кишечника), драгмацидина F из итальянской губки (лечит ВИЧ и герпес), дискодермолида из карибской губки (1993 год, ингибитор роста раковых клеток). Именно благодаря технологиям, основанным на кросс-реакциях, удалось в достаточном количестве синтезировать в лабораториях эти так необходимые человечеству вещества. С помощью реакции Негиши создан ряд лекарственных препаратов, среди них напроксен, сингуляр, тексол, стероидные гормоны, стрихнин, химические модификации ванкомицина. На долю кросс-реакций в медицинской химии приходится приблизительно пятая часть общего числа реакций. Реакция Судзуки задействована в производстве противогрибковых фунгицидов для сельского хозяйства. Элементы органических светодиодов (ОLED) в электронной промышленности производятся с помощью реакций Негиши и Судзуки.Так было открыто новое направление для различных отраслей промышленности – получение органических соединений с заданными свойствами. Нобелевская премия все чаще вручается за прикладные работы, и такой подход имеет свои плюсы – нужные человечеству технологии принесут пользу в ближайшем будущем, а не в далекой перспективе как фундаментальные открытия. «Органическая химия стала настоящим искусством. Благодаря этому искусству человечество получает новые лекарства, все более точные электронные приборы, новые материалы», – прокомментировал Нобелевский комитет премию по химии 2010 года.В 1979 году именем Судзуки названа органическая реакция соединения арил-винилбороновых кислот с арил- или винил-галлидами, она широко используется в препаративной органической химии для получения полиолефинов, стиролов, а также замещенных бифенилов. В 1977 году открыта реакция Негиши, позволяющая получить несимметричные арилы с высокими выходами. Реакция Хека – химическая реакция сочетания ненасыщенных галогенидов с алкенами в присутствии сильных оснований (1972 год). Во всех перечисленных реакциях применяются палладиевые катализаторы.По материалам англоязычного сайта Нобелевского комитета http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2010​Светлана ХОРОНЕНКОВА, кандидат химических наук