Вселенная наполнена миллиардами химических соединений, каждое из которых является крошечной крупинкой новых потенциальных возможностей. А мы обнаружили лишь 1% из них. Ученые считают, что еще не открытые химические соединения могут помочь победить парниковые газы или совершить прорыв в медицине, подобно пенициллину.
Но давайте сразу оговоримся: дело не в том, что химики не любопытны. С тех пор как в 1869 г. Дмитрий Менделеев изобрел периодическую таблицу элементов, которая, по сути, представляет собой химический конструктор (наподобие Lego), ученые открывали химические вещества, которые помогли обустроить современный мир. Для получения последней горстки элементов нам понадобился ядерный синтез (обстрел атомами друг друга со скоростью света). Элемент 117, теннессин, был именно так синтезирован в 2010 году.
Но чтобы понять весь масштаб химической Вселенной, необходимо разбираться не только в элементах, но и в химических соединениях. Некоторые из них возникают в природе – вода, например, состоит из водорода и кислорода. Другие, например нейлон, были открыты в ходе лабораторных экспериментов и производятся на заводах.
Содержание
Элементы состоят из одного типа атомов, а атомы – из еще более мелких частиц, включая электроны и протоны. Все химические соединения состоят из двух или более атомов. Хотя возможно, что еще остались неоткрытые элементы, но это маловероятно. Итак, сколько же химических соединений можно получить из 118 различных видов элементов, известных нам на сегодняшний день?
Большие числа
Начнем с создания всех двухатомных соединений. Их очень много: N2 (азот) и O2 (кислород) вместе составляют 99% нашего воздуха. Чтобы создать одно такое соединение, химику, вероятно, потребуется около года, а теоретически существует 6 903 двухатомных соединения. Таким образом, чтобы создать все возможные двухатомные соединения, потребуется целый год работы целого небольшого городка химиков.
Трехатомных соединений, таких как H₂0 (вода) и C0₂ (углекислый газ), насчитывается около 1,6 миллиона, что соответствует населению крупного города. Когда мы дойдем до четырех- и пятиатомных соединений, нам потребуется, чтобы каждый житель Земли производил по три соединения в год. А чтобы создать все эти химические соединения, нам придется несколько раз переработать все материалы во Вселенной.
Но это, конечно, упрощение. Такие вещи, как структура соединения и его стабильность, могут сделать его еще более сложным и трудным для получения.
Самое большое химическое соединение, созданное на сегодняшний день, было получено в 2009 году и содержит почти 3 млн. атомов. Мы пока не знаем, что оно делает, но подобные соединения используются для защиты лекарств от рака в организме, пока они не попадут в нужное место.
Но подождите, у химии есть правила!
Неужели не все эти соединения возможны?
Действительно, правила есть, но они довольно гибкие, что создает дополнительные возможности для химических соединений.
Даже одиночные “благородные газы” (в том числе неон, аргон, ксенон и гелий), которые, как правило, ни с чем не связываются, иногда образуют соединения. Гидрид аргона, ArH+, не существует в природе на Земле, но был обнаружен в космосе. Ученые смогли создать в лабораториях синтетические версии, воспроизводящие условия глубокого космоса. Таким образом, если включить в расчеты экстремальные условия, то количество возможных соединений увеличивается.
Обычно углерод любит соединяться с одним-четырьмя другими атомами, но очень редко, в течение коротких периодов времени, возможно соединение с пятью атомами.
Некоторые химики всю свою карьеру пытаются получить соединения, которые, согласно правилам химии, не должны существовать. Иногда им это удается.
Другой вопрос, с которым приходится сталкиваться ученым: может ли нужное им соединение существовать только в космосе или в экстремальных условиях – вспомните огромные тепло и давление в гидротермальных источниках, которые похожи на гейзеры, только на дне океана.
Как ученые ищут новые соединения
Часто ответ на этот вопрос заключается в поиске соединений, родственных уже известным. Для этого существует два основных способа. Один из них – взять известное соединение и немного изменить его – добавить, удалить или поменять местами несколько атомов. Другой – взять известную химическую реакцию и использовать новые исходные вещества. В этом случае метод создания соединения остается тем же, но продукты могут быть совершенно другими. Оба эти метода являются способами поиска известных неизвестных.
Но как искать действительно новые химические соединения, то есть неизвестные?
Один из способов, с помощью которого химики узнают о новых соединениях, – это наблюдение за миром природы. Пенициллин был найден в 1928 г., когда Александр Флеминг заметил, что плесень в его чашках Петри препятствует росту бактерий.
Более десяти лет спустя, в 1939 г., Говард Флори разработал способ выращивания пенициллина в необходимых количествах, по-прежнему используя плесень. Но еще больше времени, вплоть до 1945 г., потребовалось Дороти Кроуфут-Ходжкин, чтобы определить химическую структуру пенициллина.
Это важно, поскольку часть структуры пенициллина содержит атомы, расположенные в виде квадрата, что является необычным химическим расположением, о котором мало кто из химиков догадывался, и которое трудно изготовить. Понимание структуры пенициллина означает, что мы знаем, как он выглядит, и можем искать его химических родственников. Если у вас аллергия на пенициллин и вам понадобился альтернативный антибиотик, то вы должны поблагодарить Кроуфут-Ходжкин.
Сегодня определить структуру новых соединений гораздо проще. Рентгеновский метод, изобретенный Кроуфут-Ходжкин на пути к определению структуры пенициллина, до сих пор используется во всем мире для изучения соединений. А метод магнитно-резонансной томографии, который используется в больницах для диагностики заболеваний, может быть применен и к химическим соединениям для определения их структуры.
Но даже если химик придумает совершенно новую структуру, не похожую ни на одно известное на Земле соединение, его все равно придется создать, а это самое сложное. То, что химическое соединение может существовать, еще не говорит о том, как оно устроено и какие условия необходимы для его получения.
Многие полезные соединения, например пенициллин, проще и дешевле “вырастить” и извлечь из плесени, растений или насекомых. Таким образом, ученые, ищущие новые химические технологии, по-прежнему часто ищут вдохновение в мельчайших уголках окружающего нас мира.
Читайте также: Является ли человек органическим или неорганическим?