Палладий: место «Сшивки» изменить нельзя Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ХРОНОГРАФ

ПАЛЛАДИЙ:

МЕСТО «СШИВКИ» ИЗМЕНИТЬ НЕЛЬЗЯ

Церемония вручения премий, учрежденных Альфредом Нобелем, и Нобелевской премии мира проходит каждый год в день смерти А. Нобеля в Стокгольме (Швеция) и Осло (Норвегия). 10 декабря 1901 г. состоялась первая церемония вручения Нобелевских премий.

Сам же Нобелевский комитет был создан в 1900 г.

Природа является наиболее талантливым химиком — в естественных источниках обнаруживаются вещества, обладающие фантастическим спектром уникальных активностей, многие из которых человечество не отказалось бы поставить себе на службу. Однако природные соединения и устроены намного сложнее, чем может создать современный органический синтез. Нобелевскую премию по химии в 2010 г. дали за разработку методик палладиевого катализа, позволяющих очень точно (с минимумом побочных продуктов) «сшивать» атомы углерода, что необходимо для конструкции веществ, приближающихся по своему строению и свойствам к природным молекулам.

Нобелевская премия по химии - высшая награда за научные достижения в этой области науки. Первый лауреат этой премии - Якоб Хендрик Вант-Гофф, голландский химик, получивший ее «в знак признания огромной важно-

Нобелевскую премию по химии в 2010 г. дали за разработку методик палладиевого катализа, позволяющих очень точно (с минимумом побочных продуктов) «сшивать» атомы углерода, что необходимо для конструкции веществ, приближающихся по своему строению и свойствам к природным молекулам

сти открытия законов химической динамики и осмотического давления в растворах». Премия по химии с самого начала присуждалась в различных областях этой науки, от теоретической химии до биохимии. Тем не менее, по количественным показателям лидирует органическая химия.

Всего же с 1901 г. химикам было вручено 100 Нобелевских премий: 62 раза премию вручали одному лауреату, в 22 случаях ее разделили между двумя учеными, в 16 случаях - между тремя. Таким образом, более чем за столетие высокой чести удостоились 153 человека (английский биохимик Фредерик Сенгер был награжден дважды: в 1958-м и 1980 г.). К настоящему моменту самым молодым нобелевским лауреатом в области химии является француз Фредерик Жолио-Кюри, который был награжден вместе со своей женой Ирен Жолио-Кюри в 1935 г., когда ему было всего 35 лет. Самым старым лауреатом остается Джон Фен, удостоившийся награды в возрасте 85 лет. Кстати, из 153 человек, получивших нобелевскую премию по химии, лишь три женщины -

58 ГАЗОХИМИЯ

■ НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.GAZOHIMIYA.RU

ХРОНОГРАФ п

Палладий — благородный металл из платиновой группы — был выделен из платиновой руды в 1803 г.

Что интересно, он назван не непосредственно в честь Афины Паллады, а получил имя астероида Паллада, открытого незадолго до получения первых образцов металла (в 1802 г.), а этот-то астероид как раз и был назван в честь Афины. Рыночная цена палладия —

500-600 долларов за тройскую унцию

Ирен Жолио-Кюри, ее мать Мария Склодовская-Кюри (премия 1911 г.) и британская исследовательница Дороти Кроуфут Ходжкин (премия 1964 г.) являются тремя женщинами - нобелевскими лауреатами в области химии. Кроме того, Мария Склодовская-Кюри получила премию за достижения в области физики в 1903 г.

В истории этой награды есть годы, когда Нобелевский комитет Королевской шведской академии наук не назвал по разным причинам ни одного лауреата. Так, премия не вручалась в 1916, 1917, 1919, 1924, 1933 г, а также с 1940 по 1942 г. включительно.

Палладий — благородный металл из платиновой группы — был выделен из платиновой руды в 1803 году. Что интересно, он назван не непосредственно в честь Афины Паллады, а получил имя астероида Паллада, открытого незадолго до получения первых образцов металла (в 1802 г.), а этот-то астероид как раз и был назван в честь Афины. Рыночная цена палладия — 500-600 долларов за тройскую унцию.

Человечество находится в зависимости от тех химических веществ, которые оно производит, — это и лекарства, и пластмасса, и резина и многое другое. Потребность в новых молекулах постоянно растет, причем новые поколения искусственных молекул /; отличаются более сложным и изящным строением, чем предыдущие. Но по этому параметру «рукотворным» соединениям далеко до природы, в которой встречаются молекулы очень сложной конфигурации, синтезировать которые не под силу современной химии. Если сравнить элементный состав природной «органики» и промышленных веществ, то окажется, что первые состоят практически полностью из углерода, водорода, кислорода и азота, в то время как вторые содержат большие количества галогенов, серы, фосфора. Но зато природные соединения отличаются впечатляющей сложностью углеродного «каркаса» с наличием множества несимметричных (хиральных) атомов, контролировать химические реакции с участием которых человек в большинстве случаев пока не научился.

В то же время природные молекулы высокой сложности часто обладают впечатляющим набором биологических качеств — например, могут предотвращать развитие рака. Так, в конце 1980-х г. с глубины 33 метров, со дна Карибского моря была выловлена губка Discodermia disso-luta, защищающаяся от своих врагов единственно тем,

/

К

\

что вырабатывает сложные органические токсины небелковой природы. Исследователи установили, что многие из веществ, производимых этой губкой, обладают антимикробным, противовирусным и противовоспалительным свойствами. Одно из первых идентифицированных соединений — дискодермолид — замедляло развитие раковых клеток in vitro и в настоящее время проходит испытание как агент для химиотерапии.

Исследования показали, что дискодермолид действует аналогично одному из самых распространенных лекарств, назначаемых при разных формах рака, — паклитакселу, — подавляя синтез микротрубочек и не позволяя раковым клеткам делиться. Однако того микроскопического количества вещества, которое можно с помощью водолазов достать из глубины Карибского моря (дискодермолид разлагается под действием света, так что на отмели его не добудешь), не хватит даже на подробные исследования, не то что на препараты от рака.

История с дискодермолидом на том бы и закончилась, если бы не достижения, отмеченные в этом году Нобелевской премией по химии, — полный синтез этого вещества все-таки удалось завершить с использованием палладиевого катализа, который разработали американец Ричард Хек (Richard Heck) и японцы Эйити Нагиси (Ei-ichi Nagishi) и Акира Судзуки (Akira Suzuki).

Чтобы осуществить синтез сложной органической молекулы, надо уметь с невиданной точностью «сшивать» различные фрагменты между собой по четко определенным углеродным атомам — поскольку органическая химия есть по определению химия соединений углерода, то и «остов» большинства органических молекул углеродный. «Классический» способ заставить атом углерода, уже занимающий свое место в органической молекуле, прореагировать с чем-то — это использование специальных

веществ (например, реактива Гриньяра),

- «активи-

ГАЗОХИМИЯ 59

Я ХРОНОГРАФ

зирующих» углерод (высвобождающих его валентности). Однако проблема этих методов в том, что углерод начинает реагировать буквально со всем подряд, образуя массу побочных продуктов, снижая выход требуемого вещества и делая задачу разделения химической смеси практически нереальной.

Основная черта палладиевого катализа, которая поставила этот метод на почетное место в органическом синтезе, — это способность проводить реакции по «сшивке» углеродных атомов с высочайшей избирательностью и в довольно мягких условиях. Это чрезвычайно важно для многостадийного синтеза (такого как синтез дискодермолида), который практически невозможен в случае большого количества побочных продуктов. Химизм палладиевого катализа основан на том, что два атома углерода располагаются по соседству с одним и тем же атомом палладия и, «активировавшись», соединяются именно друг с другом, а не с какими-то другими атомами. Палладий при этой реакции, как и положено катализатору, не расходуется.

Ричард Хек, работавший в американской химической фирме в штате Делавэр, начал работы по палладиевому катализу в 1960-х, когда по миру прошла информация, что немецкий химический концерн Wacker Chemie AG начал использовать палладий для промышленного получения ацетальдегида из этилена. В 1968 г. Хек опубликовал ряд работ, в одной из которых он рассказывал про присоединение к ароматическому кольцу молекулы этилена при участии палладиевого катализатора с получением стирола — исходного сырья для распространенного пластика полистирола. Позже усовершенствованная реакция получила название реакции Хека; в наше время это один из основных способов образования одинарных связей между атомами углерода.

Навеянная промышленностью, эта реакция сама сейчас широко используется в химическом производстве — например, противовоспалительного лекарства напроксе-на или препарата против астмы монтелукаста.

Эйити Нагиси в 1977 г. работал в том же направлении, усовершенствовав реактив Гриньяра путем замены иона магния на цинк и также применяя палладий. При использовании цинка степень активации углерода ниже по сравнению с «классическим» для реакции Гриньяра магнием, но зато цинк позволяет координировать углерод на всё том же атоме палладия, что определяет высокую избирательность реакции Нагиси. Двумя годами позже Судзуки проводил опыты

ф

7 *

с использованием в качестве «активирующего» атома бора, который является самым мягким и наименее токсичным элементом среди остальных упомянутых, а это очень важно при промышленном синтезе. Реакция Судзуки, в частности, используется в промышленном производстве (тысячи тонн) фунгицидов — веществ, защищающих урожай от уничтожения грибами.

В настоящее время реакции Хека,

Нагиси и Судзуки широко применяются в органическом синтезе — например, с их помощью синтезировано одно из наиболее сложных органических веществ — палиток-син, встречающийся в яде шестилучевых кораллов зоо-нтарий и выделенный впервые в 1971 г. на Гавайях. Палитоксин обладает кардиотоксическим действием (вызывает остановку сердца) и традиционно использовался аборигенами для изготовления отравленного оружия.

Реакции с использованием палладиевого катализа уже позволили осуществить сложнейшие органические синтезы, реконструировав различные природные вещества. Однако палладиевый катализатор используют не только для синтеза, но и для модификации природных молекул. В качестве примера можно привести ванкомицин — антибиотик, впервые выделенный в 1950 г. из образца почвы джунглей Борнео. В наши дни он используется для борьбы с микроорганизмами, выработавшими резистентность к «обычным» антибиотикам (таким как пенициллин), — мети-циллин-устойчивым золотистым стафилококком (MRSA) и энтерококками. Ученые с помощью палладиевого катализа стараются создать производные этого антибиотика, чтобы победить резистентность и дать человечеству надежный инструмент для борьбы с инфекциями как в больницах, так и в полевых условиях.

60 ГАЗОХИМИЯ