1.5. «Химия создает свой предмет...»

Еще в 1860 г. выдающийся химик XIX в. М. Бертло писал: «Химия создает свой предмет. Эта творческая способность, подобная искусству, коренным образом отличает химию от остальных естественных и гуманитарных наук» [33]. Попробуем разобраться, на чем основывалось подобное представление об исключительном положении химии в ряду других наук.

Действительно, во все времена естествознание занималось изучением Природы, поисками внутренней связи явлений и законов, управляющих этими явлениями. Природа для ученого всегда являлась изначальной данно­стью, которую надо было исследовать. Так, биолог изучает живую природу в том виде, в каком она сформировалась в условиях Земли. Астроном изучает уже существующие планеты, звезды, галактики и, наконец, всю Вселенную как целое. Объект исследования химика-органика — органические соедине­ния, их свойства, реакции и закономерности поведения. Однако в отличие от своих коллег-естественников химик должен был сначала создать свой объект исследования, причем создать в самом прямом и точном смысле слова, т.е. синтезировать вещества, которые в Природе (или по крайней мере на Земле) тогда не существовали. В этом смысле органическая химия действительно принципиально отличается от всех других естественных наук, и с самого своего начала она составляет систему, которая черпает в самой себе как объекты исследования, так и проблемы, требующие решения, и развивается по своим вутренним законам. Аналогию такой способности к саморазвитию можно найти разве что в математике.

Так обстояло дело во времена Бертло, и в значительной мере так оно обстоит и сейчас, хотя исключительность органической химии в смысле создания своего объекта исследования несколько поколебалась с появлением совсем новых областей науки, таких, как физика твердого тела, нелинейная оптика, генная инженерия и т.д., развитие которых в значительной мере основано на создании сложных искусственных объектов.

Тем не менее основная мысль Бертло остается справедливой и сегодня: органическая химия выступает в роли подлинного творца, постоянно созда­вая ту самую искусственную природу, которую сама же и исследует, развива­ет и находит ей области применения.

Более того, и это особенно интересно, свойства этой искусственной при­роды оказываются столь же разнообразными, неожиданными и неисчерпаемыми, как свойства «обычной» природы. Это и составляет принципиальное отличие синтетических органических соединений от других классов искусст­венных объектов. В самом деле механические, электрические или логические структуры, создаваемые человеком, могут быть беспрецедентно сложными, не имеющими прототипов в Природе. Но при всей их сложности никаких качественно новых свойств, которые не могли быть предположены на стадии Проекта, в них обнаружиться не может, поскольку они проектировались и создавались для совершенно определенных целей.

Например, если мы проектируем и строим самолет, то он может быть лишь хорошим или плохим самолетом, но ни при каких обстоятельствах не окажется вдруг магнитофоном или мясорубкой. Напротив, если мы синтезируем новое соединение, предназначенное служить лекарством, то, вообще говоря, нет никакой гарантии, что оно не окажется токсином, дефолиантом, фотосенсибилизатором или еще чем-то совершенно непредвиденным. Столь же неожиданными могут оказаться результаты синтетических исследований, не преследующих каких-либо прикладных целей.

Так, в середине 1880-х годов молодой русский химик Зелинский, работав­ший в лаборатории Майера в Германии, разрабатывал новую схему получения тетрагидротиофена (67) из 2-хлорэтанола (68) с помощью подкупающе простой последовательности реакций, показанной на схеме 1.20. Однако осуществление синтеза пришлось внезапно остановить на стадии получения ключевого полупродукта, а именно ,'-дихлордиэтилсульфида (69). Вместо того, чтобы попробовать осуществить последнюю стадию синтеза, внутримолекулярную циклизацию по реакции Вюрца (кстати, в настоящее время можно с уверенностью утверждать, что при обработке 69 металлом ничего, кроме элиминирования не могло произойти), Зелинскому пришлось прове­сти несколько недель в больнице из-за серьезнейших ожогов, вызванных контактом с таким простым и вполне невинно выглядевшим (на бумаге!) со­единением, которое позднее приобрело вполне заслуженную дурную славу под названием «иприт». Однако подобной «зловредной» физиологической активностью вовсе не исчерпываются свойства иприта, и его открытие при­несло

Схема 1.20

человечеству не только бедствия. Детальное исследование механизма его действия, вызванное суровой необходимостью в ходе первой мировой войны, привело к созданию нового и по тем временам наиболее эффектив­ного направления в лечении злокачественных опухолей, основанного на ис­пользовании иприта и его структурных аналогов в качестве химиотерапевтических средств.

Рассмотренный пример (а число таких примеров исчисляется сотнями!) наглядно показывает, что органические соединения, созданные руками че­ловека, в такой же мере могут служить источником совершенно неожидан­ных открытий, как и нерукотворные объекты исследований, поставляемых Природой.

Причины такого своеобразия органической химии лежат прежде всего в безграничности числа возможных органических соединений, а следователь­но, в безграничном многообразии их свойств (частным проявлением этого многообразия является сам факт существования жизни на Земле).

Общеизвестно, что уникальность углерода состоит в сочетании двух свойств: его четырехвалентности и способности образовывать прочные связи как с другими атомами углерода, так и с атомами многих других элементов. Именно поэтому число возможных органических соединений оказывается бесконечно большим, в строгом смысле этого слова.

Как формулируется понятие бесконечности в математике, скажем, в про­стейшем случае бесконечности натурального ряда чисел? К любому сколь угодно большому числу можно прибавить единицу и получить следующий член этого ряда, с которым можно проделать ту же операцию, и т. д. Анало­гично к любой сколь угодно сложной органической структуре можно присо­единить (по крайней мере, теоретически), например, метальную группу и получить новое соединение. С той только разницей, что такую операцию со сложной органической молекулой можно выполнить множеством различ­ных способов, а присоединять можно отнюдь не только метильную группу. Множественность вариантов усложнения проявляется на самых ранних этапах, начиная с молекул, содержащих всего несколько атомов, и число таких вариантов возрастает примерно пропорционально числу уже имеющжся в молекуле атомов углерода. В таком «ветвящемся дереве» множества структур коэффициент ветвления будет монотонно возрастать с ростом уже пройден­ных точек ветвления. Общее число членов такой системы должно расти по закону, близкому к факториалу (л!, где п — число атомов углерода в молеку­ле). Это означает, что даже в пределах не очень больших органических моле­кул число возможных структур становится поистине астрономическим.

Рассмотрим, например, соединения состава Qo (схема 1.21), относящие­ся к узкому классу — насыщенным алифатическим кислотам обшей форму­лы 70, в которых заместителями R¹ и R² в любом возможном положении мо­гут быть любые из десяти показанных на схеме групп.

Число подобных структур, возникающих просто при вариации природы и положения всего лишь одной из групп, R¹ или R², составит 10²⁹. Если варьи­ровать обе группы, то общее число возможных комбинаций составит 10²⁹- Ю²⁹, что примерно в 10⁷ раз превышает число всех атомов Земли. Всего углерода, имеющегося в нашей Галактике, не хватит на то, чтобы получить все соединения из этого набора даже в миллиграммовых количествах. Каж­дый из третичных атомов углерода в соединениях 70 является асимметриче­ским центром, и поэтому любое из них может быть представлено 2²⁹ стерео-изомерами, что увеличивает общее число структур типа 70 примерно до 5,4 ■ 10⁶⁶. Для их синтеза (по 1 мг каждого) не хватит уже всех нуклонов во всей наблюдаемой Вселенной. Так, от абстрактной математической беско­нечности мы приходим к вполне реальному, поистине неисчерпаемому мно­гообразию органических соединений.

Схема 1.21

Каковы же источники всего этого многообразия? Как бледная схема тео­ретически возможных виртуальных структур расцвечивается полнокровны­ми красками реально существующих веществ? Таких источников два: при­родный (ископаемое органическое сырье и современные живые организмы), и искусственный (органический синтез).

Органическая химия зародилась как химия соединений, выделяемых из живых организмов (чему она и обязана своим названием). Однако природ­ные соединения несмотря на огромное разнообразие их структур заполняют систему органических соединений очень прихотливым и — с чисто органохимической точки зрения — случайным образом, поскольку пути биосинте­за определяются прежде всего биологической целесообразностью, а вовсе не потребностями химической систематики.

Если взять любую рациональную классификацию органических соедине­ний, например, по функциональным группам, и заполнить ее только структу­рами природных соединений, то мы увидим очень странную картину: отдель­ные кластеры, густо усеянные разнообразными структурами, области, содер­жащие лишь отдельные точки, и, наконец, огромные пустые области. В такой системе, например, будут щедро представлены неразветвленные алифатиче­ские кислоты с четным числом атомов углерода, но будет мало разветвленных кислот или кислоте нечетным числом атомов углерода; будет множество очень причудливо устроенных циклических и полициклических систем, но почти не встретится их простейших представителей. Редкими и «случайными» структу­рами будут представлены такие важнейшие классы, как алкилгалогениды, тиолы и сульфиды, нитро- и диазосоединения. Удивительно, но будут отсутст­вовать даже такие тривиальные соединения, как формальдегид, хлороформ, диэтиловый эфир или тетрагидрофуран. Мы уже не говорим о том, что многае важнейшие классы органических соединений, такие, как, например, различ­ные типы металлоорганических соединений или борорганические производ­ные, вообще никак не представлены в списке природных веществ.

Совершенно ясно, что с таким материалом, каким разнообразным бы он ни был, органическую химию, как науку, создать было бы невозможно. Именно поэтому с первых же своих самостоятельных шагов химики-органи­ки с поразительной смелостью пошли по пути создания своего объекта ис­следования, синтезируя тысячи и тысячи неизвестных Природе веществ и изучая их свойства и взаимопревращения. Огромные усилия нескольких по­колений ученых были потрачены на то, чтобы создать прежде всего фунда­мент фактов для новой науки — органической химии — и определить про­блемы, которыми она должна заниматься. Без этого не могло бы состояться создание грандиозной области науки и промышленности и в конечном счете новой, искусственной природы. Эта созданная руками человека природа не только обеспечивает нас почти всем необходимым для повседневной жизни, но и становится на наших глазах все более значимым биогеохимическим фактором глобального масштаба^*.

Здесь, конечно, не место излагать историю органической химии, но сто­ит, хотя бы схематически, проследить те главные линии ее развития, в кото­рых определяющую роль играл и продолжает играть органический синтез.