2.3. Управление химическими процессами

Управление химическими процессами составляет одну из основных научных проблем в этой области знаний. Дело в том, что большинство химических реакций развивается стихийно, и поэтому они трудноуправляемы. В частности, некоторые из них протекают неоднозначным образом, реализуя тот или иной вариант развития процесса и создавая при этом множество побочных продуктов. Другие, например реакции горения и взрыва, невозможно или очень трудно остановить. Наконец, определенные в принципе возможные реакции пока не удается осуществить.

Для многих химических реакций характерна обратимость, т. е. они могут протекать в обратном направлении с образованием исходных продуктов.

В зависимости от природы реагентов и условий протекания равновесие между прямой и обратной реакциями может смещаться в одну или другую сторону. Реакции, у которых равновесие смещено в прямом направлении, т. е. в сторону образования целевых продуктов, не нуждаются в специальном управлении. Однако известно значительное количество реакций, у которых равновесие смещено в обратном направлении. Для получения целевых продуктов такими реакциями необходимо управлять. Во многих случаях требуемый результат достигается применением термодинамических методов, т. е. проведением реакций при повышенных температуре, давлении и концентрации реагирующих веществ.

Термодинамические методы в основном позволяют управлять направленностью химических реакций, однако важно также иметь возможность регулировать скорость протекания реакций. Управление скоростью химических реакций составляет предмет химической кинетики, изучающей зависимость протекания химических процессов от всей совокупности факторов, связанных с реализацией этих процессов. Речь идет о таких факторах, как природа реагентов и их чистота, присутствие катализаторов, растворителей и других добавок, материала и конструкции химического реактора и ряд других.

В частности, существенную роль при протекании химических реакций играют растворители: в одних случаях они запускают реакцию, которая без них просто не начинается, в других – ускоряют ее, т. е. выполняют функцию катализаторов, в третьих – замедляют ход реакции, т. е. являются ингибиторами.

Явление катализа послужило основой для возникновения целой отрасли химии, оно широко используется в химическом производстве, обеспечивая его высокую эффективность. Такое современное направление практической химии, как тонкий органический синтез, немыслимо без применения катализаторов. Речь, таким образом, идет о роли катализа в создании новых материалов, в том числе не встречающихся в природе. Но самую важную роль отвела катализу природа в проявлении феномена возникновения и эволюции живой материи, которые в принципе невозможны без участия особого рода катализаторов – ферментов.

2.4. Явление биокатализа и развитие эволюционной химии

Основоположник органической химии шведский химик Йенс Якоб Берцелиус первым обратил внимание на исключительную роль биокатализа в химических процессах, протекающих в живой материи. В современной химии активно развивается самое, пожалуй, перспективное направление – эволюционная химия, изучающая процессы самопроизвольного синтеза новых соединений, являющихся более высокоорганизованными, чем исходные продукты. По сути, речь идет об овладении каталитическим опытом природы в целях его использования в химическом производстве.

Изучение химических процессов жизнедеятельности берет свое начало с исследования процессов брожения. Эти исследования составляют предмет ферментологии. Ее основоположником является французский ученый Луи Пастер. Заслуга Л. Пастера состоит в развитии биологической концепции биокатализа – в отличие от химической концепции, которой придерживались представители традиционной химической науки. Прямые наблюдения деятельности молочнокислых бактерий позволили Л. Пастеру выявить способность этих микроорганизмов пополнять запасы необходимой им энергии в процессе брожения. Результатом исследований Л. Пастера стал вывод об исключительной специфике материальной организации ферментов, определяющей принципиальное отличие живой материи от неживой. Это отличие проявляется не только на уровне такой структурной единицы, как клетка, но и на молекулярном уровне. Именно на молекулярном уровне лежат существенные различия механизмов действия катализаторов и ферментов, образования полимеров и биополимеров, структуру которых определяет, как теперь известно, генетический код. Общий же вывод состоит в том, что определенные химические процессы, характерные для живых систем, не происходят в неживой материи.

Возникновение и развитие эволюционной химии связано в первую очередь с исследованиями в области моделирования биокатализаторов. В процессе этих исследований удалось путем искусственного отбора соответствующих структур смоделировать многие биокатализаторы – ферменты. Однако полученные модели отличаются от своих живых оригиналов тем, что они в ходе реакции достаточно быстро разрушаются. Речь идет о ре акциях, используемых в технической биохимии, т. е. в отраслях промышленности, связанных с производством пищевых продуктов. Сегодня благодаря успехам микробиологии стало возможным получение ферментов существенно более дешевых, чем ферменты животного и растительного происхождения.

Главной же задачей познавательного плана для эволюционной химии, безусловно, является овладение каталитическим механизмом живой природы, познание процессов образования ферментов, клеток и, наконец, живого организма.