Валерий Чолаков
Нобеловите награди (42) (Учени и открития (1901–1982))

Химични синтези

Химичният анализ и синтез са често неразделно свързани. След като експериментаторът успее да раздели едно съединение на съставните му елементи, той си изгражда някаква хипотеза за тяхното подреждане, която се потвърждава най-добре чрез синтез. Именно такава е работата на Емил Фишер върху строежа и синтезирането на въглехидрати и пурини — вещества с изключително голямо значение за биологичната химия.

Своите изследвания върху захарите Фишер започна в 1884 г., след като бе натрупал голям опит в работата с по-прости съединения, в които се проявяват подобни свойства. Той синтезира голям брой монозахариди, между които глюкозата и фруктозата. Обобщавайки данните си, Фишер предложи проста номенклатура, която бързо бе приета от химиците. Успоредно с тези работи той провеждаше и опити върху една група съединения, обединявани с името пурини. Тя включва вещества като добре известния кофеин, теобромина от какаото, гуанин, аденин, хипоксантин и др. Фишер показа тяхната голяма близост и успя да синтезира самия пурин — изходното съединение с пръстеновидна форма, от което се получават различните представители на групата. Той отиде и по-нататък, разработвайки методи за синтез на пурините и тяхното взаимно превръщане.

Освен че бяха важни за химията на органичните съединения, тези изследвания впоследствие бяха основата, върху която се изградиха представите за строежа на въглехидратите и нуклеиновите киселини. В тази група влизат гигантски биомолекули като целулозата, гликогена, ДНК и много др. Работите на Фишер върху захарите го насочиха към изследване на ферментацията и ензимите, а оттам и към белтъчините. Той бе сред тези, които смятаха, че между ензима и обекта на неговото въздействие трябва да има сходство в конфигурацията.

В 1889 г. Емил Фишер започна своите работи върху белтъчните вещества, като създаде метод за разделяне и анализ на аминокиселините, които ги изграждат. В 1902 г. той откри по какъв начин аминокиселините се свързват помежду си, образувайки гигантските биополимери. Това са най-големите му открития, благодарение на които той е широко известен и днес. И преди тях обаче той бе достатъчно популярен сред колегите си, за да получи Нобелова награда. Тя бе дадена на Фишер през 1902 г. за изследванията върху захарите и пурините.

По времето, когато се даваха тези награди, имаше и много по-известни учени, които обаче не отговаряха на условията, предвидени в устава на Нобеловата фондация. Все пак в някои случаи експертите от Нобеловите комитети успяваха да намерят компромис. Така стана и с един от най-бележитите представители на синтетичната химия от втората половина на 19 век — Адолф фон Байер. Три години след своя ученик Емил Фишер той също стана Нобелов лауреат.

Днес Байер е най-известен със своя знаменит синтез на индигото. Започвайки през 1865 г., в течение на повече от едно десетилетие той изследва структурата на това природно багрило и опита различни начини, за да го получи. Пътят към промишлената технология бе по-дълъг и едва към 1890 г. започна производството на евтино индиго, а към края на века плантациите, в които се отглеждаше растението Индигофера, бяха вече нерентабилни. Немският учен проведе обширни изследвания и върху други багрила, като фенолфталеина например. Байер се стремеше да създаде теория, която да обясни зависимостта между строежа и цвета на съединенията. Той работеше и с пироловите и пиридинови пръстенни съединения и започна изследвания върху пурините, продължени от неговия ученик Фишер.

Опитите на Байер с т.нар. ароматни съединения, които се характеризират не с аромат, а с определена структура, производна на бензола, го доведоха през 90-те години на миналия век до откриването на хидроароматните съединения. Тези вещества са наситени с водород и в тях липсват двойните връзки, които са много характерни за бензола и подобните на него. Към хидроароматните съединения се отнасят такива важни природни вещества като терпените и камфорите.

Адолф фон Байер, един от универсалните химици в края на миналия век, е работил в много области, но получи през 1905 г. Нобеловата награда по химия именно за изследванията си върху органичните багрила и хидроароматните съединения. Неговите работи бяха голям успех за науката.

Основният метод на синтетичната химия е намирането на подходящи реакции, при които в молекулите да могат да се вкарват определени атоми или радикали. Една реакция от такъв тип бе открита от Виктор Гриняр от Лионския университет. Изследванията на този учен бяха свързани с органометалните съединения. Както показва името, в тях металният атом е прикрепен към органична молекула. Работейки с различни съединения, Гриняр откри вещества с особени свойства, които бяха много подходящи за методите на синтез.

Реактивите на Гриняр, открити в началото на века, се прилагат почти във всяка област на синтетичната химия. Това са съединения, в които органична молекула е свързана с магнезий, а магнезиевият атом с някакъв халогенен елемент като хлор, бром, йод и т.н. С гринярдовите реактиви се получават различни алкохоли, органометални съединения и още много най-разнообразни вещества. И до днес този метод на синтез е един от най-популярните и най-прилаганите в органичната химия. За своето голямо откритие Виктор Гриняр стана един от Нобеловите лауреати за 1912 г. Заедно с него бе награден и Пол Сабатие, също известен с успехите си в синтетичната химия, получени главно с помощта на катализата.

Сабатие, както и Гриняр, стана академик, но преди това също беше провинциален професор. Дълги години той преподаваше в Тулузкия университет. На това учебно заведение той отдаде почти половин век. Неговите най-известни работи са свързани с прилагането на каталитични методи. Заедно със своя дългогодишен сътрудник Жан Батист Сандеран той разработи т.нар. хетерогенни катализатори — силно раздробени метали, които ускоряват химичните реакции. В голям брой експерименти бяха изследвани каталитичните свойства на никел, кобалт, платина, желязо, мед и още редица метали, техни окиси и сплави. Главното въздействие на тези катализатори бе свързано с добавянето или отделянето на водород от органичните молекули.

Присъединяването на водород, което се нарича хидрогенизация, е широко използван похват в химическата технология. При високи температури и налягания по този начин се образува амоняк от атмосферния азот или течни въглеводороди от въглища. Каталитичната хидрогенизация, чието начало бе положено от Пол Сабатие, дава възможност, в по-меки условия, от течни растителни масла да се получават твърди. Пример за подобна трансформация е производството на маргарина.

Въвеждането на прахообразните катализатори в органичния синтез бе голяма крачка напред. За обширните си изследвания в тази област Пол Сабатие получи през 1912 г. Нобеловата награда по химия заедно с Виктор Гриняр. Работите на двамата учени се оказаха особено важни за приложната химия и химическата технология.

През 20-те години професор Ото Дилс, от университета в Кил, заедно със своя сътрудник Курт Алдер, предложи нов метод за химичен синтез, който намери такова широко приложение, както реактивите на Гриняр. Реакцията се базира на свойствата на т.нар. диенови съединения, които имат две двойни връзки.

В 1928 г. Дилс и Алдер откриха и обясниха един вид реакция на диенови съединения с молекули с обикновени единични връзки. Подобни реакции са били наблюдавани и преди това, без да получат обаче нужните обяснения. Двамата изследователи бързо видяха в новооткритото взаимодействие възможност за създаване на нов синтетичен метод. Действително с помощта на диеновия синтез бяха получени голям брой съединения, чието синтезиране преди това бе много трудно или дори невъзможно.

Реакцията на Дилс-Алдер широко се използва за синтез на циклични съединения с пръстеновиден строеж. Така се получават молекули, които са изходна суровина за голям брой важни вещества, аналози на природните съединения. Наред с това тази реакция е и ценен аналитичен метод за изследването на строежа на сложни молекули.

Ото Дилс, ученик на Емил Фишер, стана Нобелов лауреат по химия през 1950 г. Заедно с него бе награден сътрудникът му Курт Алдер, който е автор на многочислени изследвания в същата област. Реакцията, която носи тяхното име, днес широко се използва в синтетичната химия.

Синтезирането на сложни природни съединения е част от разгадаването на тяхната структура. Особени успехи в тази област постигна професорът от Харвардския университет Робърт Бърнс Удуърд. Някои специалисти сравняват неговата работа с делото на Марслен Бертло и Емил Фишер.

Този учен реализира блестяща серия от забележителни синтези на вещества като хинин, стрихнин, холестерол, кортизон, различни аминокиселини и други подобни. Към тях могат да се добавят изследванията върху структурата на антибиотиците. Последвалите синтези дадоха възможност да се получат различни техни модификации. Синтезирането на нови антибиотици е много важно, тъй като по този начин лекарите изпреварват микроорганизмите, които се приспособяват към лекарствата. Наред с експерименталната дейност проф. Удуърд има и теоретични разработки върху различните видове химични реакции и прегрупировката на атомите при тях. Навлизайки в биологията, той създаде теория за биологичния произход на алкалоидите и се насочи към синтезата на белтъчни вещества.

За своята забележителна работа, която е на всичко отгоре и огромна по обем, Робърт Бърнс Удуърд стана Нобелов лауреат по химия за 1965 г.

Синтетичната химия е своеобразно творчество. Италианският историк на науката Микеле Джуа го нарича „покоряване на веществото“. В този дял на химията най-ясно се вижда как вървят учените пипнешком напред, водени от своята интуиция. Правилата и принципите на синтеза идват едва след като се открият някои успешни реакции. Работата в тази област продължава и това е плодотворно поле за дейност за много изследователи. Сред последните достижения в тази област са изследванията на Хърбърт Чарлз Браун и Георг Витиг. Тези двама учени разработиха нови методи за синтез на сложни органични съединения, съдържащи елементите бор и фосфор.

Хърбърт Браун, възпитаник на Чикагския университет, първоначално се беше насочил към неорганичната химия. Като млад изследовател той получи подарък една книга за съединенията на бора. Това силно го заинтригува и до голяма степен определи по-нататъшния му път. Още тогава, в началото на 40-те години, той откри реактиви, които намериха широко приложение в органичната химия.

В 1956 г. Браун откри реакция, която даваше възможност да се присъединява бор към органични молекули с двойна връзка. Получените производни могат да влизат в различни реакции, при което на мястото на бора се въвеждат функционални групи. Това бе поредният метод за получаване на нови комбинации от атоми и радикали, което даде възможност да се синтезират голям брой органични съединения, природни и лекарствени вещества. Бяха открити и съединения, въобще неизвестни по-рано.

Както всички големи учени, Браун се отличава със своята продуктивност. Той е автор на 700 статии и 4 книги. При него са получили подготовката си над 200 бъдещи научни работници. За големите си успехи в химията на борните органични съединения през 1979 г. той стана един от лауреатите на Нобеловата награда по химия.

Другият лауреат е Георг Витиг от Хайделбергския университет. Колегите му го причисляват към създателите на съвременния органичен синтез, в който особено широко се използват т.нар. елементоорганични съединения. В обикновените органични молекули главно място заема въглеродът, като наред с него се срещат водород, кислород и азот. Към тези молекули могат да се добавят обаче и атоми на метали или други елементи. Работата на Витиг е свързана предимно с фосфорорганичните съединения.

Витиг съсредоточи вниманието си върху една реакция, изследвана още от Щаудингер в 1919 г. При нея се осъществява взаимодействие на полярни фосфорорганични съединения — т.нар. илиди, с различни органични молекули. За илидите е характерно, че въглеродът, свързан с фосфора или друг подобен елемент, придобива отрицателен заряд. В случая с фосфопроизводните това води до такива свойства, които дават възможност за необичайна реакция.

Дълги години някой не обръщаше внимание на тази реакция и нейните възможности оставаха неразкрити. Тя бе въведена широко в химията през 1953 г. именно от Витиг. Използването на фосфоилидите днес е един от основните методи в органичния синтез. Самият метод носи названието „реакция на Витиг“. Това е мощен способ за получаване на извънредно голям брой най-разнообразни съединения. С тази реакция могат да се синтезират както линейни структури, подобни на витамин A, така и сложни пръстеновидни съединения.

Лабораторното откритие на Витиг бе широко въведено в практиката благодарение на работата на голям брой химици и технолози. Самият изследовател се занимава с други изследвания от подобен род, чиято полза днес не изглежда очевидна, но утре може да се окаже твърде голяма. Откритието на Георг Витиг го направи един от Нобеловите лауреати по химия за 1979 г. Награждаването му, заедно с Хърбърт Браун, е поредното признание за синтетичната химия, която е една от науките, оказващи най-пряко въздействие върху ежедневния живот на човека.