Химический синтез

Сколько продуктов, применяемых вами дома ежедневно, содержат синтетические, то есть произведенные человеком, вещества? Вероятно, в отношении лекарств и многочисленных добавок в еде, которой вы питаетесь, вам все ясно, зато мысль об эластичном белье, которое на вас, или о набивке вашего дивана вам в голову пришла не сразу.

Подумайте о том, что на вас сейчас надето. Догадываетесь ли вы, из чего сделана ваша рубашка или нижнее белье? Посмотрите на ярлыки: что такое вискоза? Откуда берется эластан? Загляните на полочки в ванной. Что входит в состав зубной пасты? Шампуня? Что за пропиленгликоль такой? А уж если полезете в кухонные шкафы, откроете ящики с медикаментами и изучите состав, указанный на пачке жвачки, — еще больше удивитесь.

«Я просто человек в эластане, который умеет очень быстро поворачивать налево» Оливье Жан (р. 1984), золотой олимпийский чемпион по бегу на коньках

Невероятно, сколько всяких веществ, из которых сделаны одежда, еда, моющие средства и лекарства, химики получили всего-то в прошлом веке. Эти синтетические соединения родились в лабораториях, а ныне производятся в промышленных количествах.

Натуральное или синтетическое

Вискоза стала первым синтетическим волокном в истории химии. Из вискозного волокна получается мягкая ткань, подобная хлопчатобумажной и легко впитывающая красители — а также пот. Первые методы производства вискозы были разработаны в конце XIX века. Вискоза, в общем, не очень отличается от естественной волокнистой составляющей, получаемой из растений, — целлюлозы, однако вискозу на полянке не вырастишь. Целлюлозу извлекают из перемолотой в кашу древесины химической и физической обработкой, и в результате получается желтый порошок ксантата целлюлозы. Далее ксантат разрушают кислотой, получаются волокна, подобные хлопковым, и это — практически чистая целлюлоза. Часто готовые ткани содержат смесь хлопка и вискозы.

Любой процесс, связанный с химическими реакциями для получения тех или иных полезных продуктов, можно считать химическим синтезом. Природные продукты типа целлюлозы тоже получаются посредством химических реакций, происходящих в данном случае в живых растениях, однако химики считают такие вещества продуктами биосинтеза.

Некоторые вещества, которые химики производят синтетически, — на самом деле копии природных веществ. В таких случаях искусственное получение организуют, поскольку выходит, как правило, дешевле или масштабнее, а не потому что люди ловчее природы. В природе все налажено очень неплохо. Основа химического вещества в лекарстве от гриппа «Тамифлю», к примеру, — шикимовая кислота, она выделяется из семян звездчатого аниса, растения, из которого получают китайскую пряность. Но поскольку сырья этого растения в природе маловато, химики постоянно придумывают способы получения нужного вещества с нуля. Таких методов уже есть немало, но каждый приходится рассматривать в сравнении со стоимостью экстракции вещества из семян аниса.

Штаны-тянучки

Есть и такие синтетические продукты, которых с природой не связывает совсем ничего. Более того, их «неестественные» свойства — как раз то, чем они нам и полезны. Блистательный пример — эластан. Вы, вероятно, лучше знаете его по другим названиям — «лайкра» или «спандекс»: это тянущаяся ткань «по фигуре», которую так любят велосипедисты. Производитель одежды «Гэп», великий и ужасный, изготовляет одежду для йоги из смеси эластана и нейлона, а «Лидер Армор Студио Люкс» — из эластана и полиэстера. Нынче эти кучерявые названия не производят на нас особого впечатления, однако в 1960-х появление спандекса произвело на рынке одежды целую революцию.

Как и молекулы целлюлозы в хлопковом волокне, длинные цепочки молекул эластана — полимеры, содержащие многократно повторенные химические звенья. Чтобы получить полиуретановые звенья, нужно провести несколько химических реакций, а потом еще несколько, но других, — чтобы соединить их в цепочку. Видимо, поэтому ученым компании «Дюпон» на разработку удачных производственных процессов потребовалась пара десятков лет. В отличие от хлопкового волокна, у получившегося «волокна К» (так его поначалу окрестили) оказались новые поразительные и ценные свойства. Волокна эластана можно растягивать в шесть раз от начальной длины, а если затем отпустить, они возвращаются к исходному состоянию. Они выносливее и выдерживают большее напряжение, чем природная резина. «Дюпон» выработал улетный продукт, и дамское поддерживающее белье внезапно стало гораздо удобнее.

Химические костяки

Давайте еще раз вспомним о вашем гардеробе, о шкафчике в ванной и о кухонных буфетах. Подумайте, сколько еще покупаемых вами продуктов содержат материалы или составляющие, полученные в результате нескольких лет или десятилетий неустанного химического поиска. Число химических реакций, необходимых вашему домашнему хозяйству, не умещается в голове.

Многие продукты химического синтеза восходят в конечном счете к крекингу нефти как к надежному источнику необходимых реагентов. Если вам все еще интересно, что такое полипропиленгликоль, так это ингредиент в составе шампуней, который помогает вашим волосам впитывать влагу и благодаря этому сохранять мягкость, а делается он из пропиленоксида, который, в свою очередь, получается из крекингового пропилена — например, обработкой его, последовательно, хлором, а затем водой и гашеной известью . Пропиленоксид применяется и при производстве антифризов, а также вспененных материалов для набивки мебели и матрасов. Вы, может, не знали этих цифр, но ежегодная мировая потребность в пропиленоксиде — свыше шести миллионов тонн, и не потому, что он сам по себе такой полезный, а потому что из него путем химического синтеза можно сделать множество различных бытовых продуктов.

Вот так и многие другие вещества образуют химический костяк, на который нарастает плоть промышленных продуктов. Лекарства и красители, пластмассы и пестициды, мыла и растворители — за что ни возьмись, с большой вероятностью химия в этом уже поучаствовала.

Синтетическое топливо

Синтез Фишера-Тропша - процесс получения синтетического топлива путем нескольких химических реакций с участием водорода и оксида углерода. Два эти газа (вместе именуемые «синтез-газ») обычно получаются из каменного угля. Методом Фишера-Тропша можно производить, минуя нефть, жидкое топливо, которое мы привычно мыслим как продукт нефтепереработки. Компания САСОЛ в Южной Африке производит «синтез-топливо» уже не первое десятилетие.

Синтез-машины

Вообразим, что химикам не нужно городить целую систему химических реакций, чтобы получить желаемую молекулу. Представим, что им достаточно ввести описание нужной молекулы в некую машину и она сама придумает, как лучше всего эту молекулу получить, а дальше сразу берется ее создать. Это ж прямо революция в производстве лекарств и новых материалов! Так вот, для ДНК такие машины уже существуют. Машины для синтеза ДНК могут выдавать короткие отрезки ДНК с любой последовательностью нуклеиновых кислот. С какими-нибудь другими молекулами этот трюк, понятно, провернуть труднее, в том числе - из-за недостаточной вычислительной мощности современной электроники.

Синтез-машине потребуется молниеносно проложить путь создания вещества подбором среди имеющихся у нее в базе миллионов реакций и сравнить между собой миллиарды вариантов решения. Но, невзирая на скептицизм некоторых ученых, такие разработки уже ведутся. К примеру, группа британских исследователей из проекта Dial-A-Molecule («Вызов-молекулы») взялась за грандиозную задачу: сделать синтез любой молекулы «простым, как набор телефонного номера». Другой, американский, проект создал «химический Гугл», которому известны 86 000 правил химических процессов, и для нахождения лучшего маршрута синтеза он применяет алгоритмы.