Петр Образцов - Мир, созданный химиками. От философского камня до графена
Лучшим доказательством справедливости любой теории, хоть химической, хоть в области общественных явлений, является правильное предсказание. Справедливость структурной теории Бутлерова была доказана еще им самим, когда он предсказал существование четырех различных изомеров бутилового спирта (бутанола), различающихся по своим физическим и химическим свойствам. Ко времени создания теории был известен лишь один бутанол: (CH3)2CHCH2OH. А Бутлеров предсказал и написал формулы еще трех бутанолов: CH3CH2CH2CHOH, CH2CH(CH3)CHOH и (CH3)3COH. Вскоре эти изомеры были синтезированы, и теория блестяще подтвердилась.
Братья цис и транс
Со времен Бутлерова открыт целый ряд других видов изомерии, в частности самая утонченная цис-транс-изомерия. Представим себе молекулу этилена CH2=CH2. Теперь по одному атому водорода у каждого из углеродов заместим на какую-нибудь группу, хоть на тот же простейший метил CH3-. Получим CH3-CH=CH-CH3. Эти группы, как и оставшиеся атомы водорода, все лежат в одной плоскости, по оси которой расположена двойная связь. И у метильных групп появляется возможность расположиться либо по одну сторону от этой двойной связи, либо по разные стороны. Если бы связь была одинарная, то никакой разницы не было бы, вокруг этой связи группы CH3- могут «вращаться» — и мысленно, и на самом деле. Для двойной связи так не проходит, и мы получаем два изомера диметилэтилена. Если по разные стороны — это транс-изомер. Одна из групп как бы переехала (транспортировалась) на другую сторону от двойной связи. «Транс» по-латыни — это «через», «за». Если по одну сторону — это цис-изомер. Приставка «цис-» так и переводится с латыни — «по одну сторону». (Раньше ближневосточная страна Иордания называлась Трансиорданией, то есть «за рекой Иордан». Иорданией эта страна стала называться только после первой войны с Израилем, когда Трансиордания захватила кусок Палестины за рекой Иордан и старое название потеряло смысл. Эти территории, уже не принадлежащие Иордании, называются сейчас Западным берегом реки Иордан или Палестинской автономией, а иногда используется термин Цисиордания.)
Конечно, цис- и транс-изомеры обладают различными свойствами. Иногда эти различия очень велики. Например, природный каучук из млечного сока дерева гевеи представляет собой цис-полимер вещества изопрена CH2=C(CH3)-CH2=CH2, трансполимер в этом соке полностью отсутствует. И этот цис-полиизопрен является самым лучшим материалом для изготовления резины, идущей на автопокрышки. Разумеется, химики постарались синтезировать каучук, чтобы не зависеть от капризной гевеи, но очень долго не удавалось подобрать такие условия и катализаторы, чтобы получался только цис-изо-мер, обычно на выходе имели смесь двух изомеров. Сейчас стереорегулярный, то есть состоящий почти полностью из цис-изомера, каучук делать научились, но это все еще дорогое и трудное предприятие. Вот почему в Малайзии, Индонезии и Вьетнаме под плантации гевеи продолжают вырубать уникальные дождевые леса.
Еще одно отличие между цис- и транс-изомерами — это их различное поведение в человеческом организме. Еще совсем недавно самым страшным врагом рода человеческого считалось сливочное масло, «от которого холестерин». Это правда, в сливочном масле немало этого вещества, оно откладывается на стенках наших сосудов и может их закупорить, образовать тромб и так далее. Альтернативой считалось растительное масло, в котором холестерина нет, и маргарин, в котором холестерина тоже нет, да к тому же твердый маргарин удобен для готовки и намазывания на хлеб. Однако лет десять назад выяснилось, что маргарин-то пострашнее сливочного масла будет — в нем обнаружились трансжиры! Собственно, никто в этом и не сомневался, но на эти изомеры ранее внимания не обращали.
Жиры — это сложные эфиры глицерина и карбоновых кислот. А карбоновые кислоты могут быть либо только с одинарными связями углерод-углерод, либо и с двойными связями, причем такие жиры считаются полезнее. Однако лишь в том случае, если они представлены цис-изомерами. Жиры с транс-изомерами карбоновых кислот, которые для краткости так и называют трансжирами, оказались довольно вредными. Выяснилось, что любители маргарина более склонны к развитию стенокардии, инфаркта миокарда, аритмии и сердечной недостаточности. Теперь за границей требуют указывать на этикетках маргаринов, есть ли в них трансжиры, и если есть, то сколько.
Вот еще один пример различия свойств цис-и транс-изомеров, причем особенно важный для любителей анисовки — содержащих алкоголь напитков типа французского «Перно», греческого «Узо» и болгарской «Мастики». В этих анисовках содержится эфирное масло семени аниса, на 90 % состоящее из вещества анетола. У анетола есть и цис-, и транс-изомер, причем транс-анетол является широко распространенным ароматизатором и совершенно не ядовит, а цис-анетол очень токсичен. К счастью, цис-анетола в эфирном масле очень немного и при умеренном употреблении анисовки никакого отравления не происходит. Однако при длительном хранении напитка, особенно на свету, доля цис-анетола возрастает и этой анисовкой можно отравиться. Именно поэтому содержащие анетол напитки разливают в бутылки из темного, обычно зеленого или синего, стекла.
Звезда полынь
Впрочем, отравиться можно и вполне свежим «Перно». Кроме анетола, в «Перно» ранее содержался экстракт горькой полыни и напиток относился к группе абсентов (латинское название полыни — absinthium). Полынь — растение знаменитое. О нем даже в Священном Писании говорится: «Третий ангел вострубил, и упала с неба большая звезда, горящая подобно светильнику, и пала на третью часть рек и на источники вод. Имя сей звезде полынь, и третья часть вод сделалась полынью, и многие люди умерли от вод, потому что они стали горьки» (Откровение Иоанна Богослова).
Из эфирного масла экстракта полыни выделено вещество туйон, как считается вызывающее галлюцинации, что не доказано, и состояние измененной реальности, что уже совершенно точно известно. Лучшим свидетельством этого является известная картина Пикассо «Любительница абсента» с изображенной на ней дамочкой явно не в себе. Абсентом особенно увлекались во Франции в начале прошлого века, и существует даже предположение, что именно под воздействием абсента возникло «упадочное искусство» — декаданс. Сейчас туйон научились из абсента извлекать, и этот напиток снова входит в моду. Существует даже изящный способ употребления напитков с эфирными маслами, не только «Перно», но и других, содержащих прежде всего анисовое масло. В неразбавленном состоянии эти напитки совершенно прозрачны, поскольку нерастворимое в воде эфирное масло растворяется в спирте и его крепких растворах (в данном случае 40°). Но если разбавить «Узо» водой раза в три-четыре, концентрация спирта падает, и в таком слабом водно-спиртовом растворе анисовое масло раствориться уже не может. В результате высвобождаются мельчайшие капельки масла, равномерно распределенные в стакане разбавленного напитка. Эту молочно-белую эмульсию крепостью градусов десять и пьют, а сам эффект помутнения раствора вызывает большой интерес у окружающих.
Изомерия в зазеркалье
Кроме цис- и транс-, был обнаружен еще один элегантный вид изомерии — хиральность (от древнегреческого «хейрос» — рука). Обнаруженная еще в середине XIX века, эта изомерия тоже связана с пространственным расположением одних частей молекулы относительно других, но особым образом. Хиральность — это когда отражение предмета в зеркале не совпадает с ним самим. Правая рука в зеркале становится левой. Или другой пример:
Так беспомощно грудь холодела,
Но шаги мои были легки,
Я на правую руку надела
Перчатку с левой руки.
Левая и правая перчатки — классический пример хиральности, которая как раз и основана на том, что ничего у героини Анны Андреевны Ахматовой выйти не могло, эти перчатки в принципе не совмещаются. То есть кое-как натянуть-то можно, но правой руке будет очень неудобно. Не этим ли объясняется волнение героини, а вовсе не расставанием с любимым, как принято думать? Не перепутаны ли причина и следствие?
Почти все биологические молекулы хиральны, поэтому при синтезе, например, лекарств это приходится учитывать. Различные клетки человеческого организма могут взаимодействовать только с «правыми» или «левыми» молекулами лекарства, а молекула противоположной хиральности может оказаться даже ядовитой. Так произошло с известным лекарством талидомидом, которое в 1960-е годы прописывали беременным в качестве успокаивающего средства. Тератогенность (от греческого «тератос» — уродство) талидомида привела к появлению приблизительно 10 тысяч детей с врожденными уродствами — без ручек, или без ножек, или с исковерканными конечностями. Тератогенен лишь один из изомеров талидомида, но этого оказалось достаточно, чтобы множество людей стали несчастными.
