Карнавал молекул. Химия необычная и забавная

В 1898 г. супруги Пьер и Мари Кюри открыли радий – химический элемент с исключительно мощным радиоактивным излучением. Уже через год они стали изучать действие радиоактивного излучения на живые ткани, а затем ввели в медицинскую практику облучение препаратами радия для борьбы с опухолевыми клетками. Радий также определил название нового метода лечения, появилась новая область медицины – радиотерапия.

Одновременное действие трех видов радиоактивного излучения (α-, β- и γ-лучи), испускаемого радием, разрушало не только опухолевые, но и здоровые клетки, поэтому использование радиевых препаратов в медицинских целях требовало исключительно аккуратной дозировки, которую находили опытным путем, иного подхода в то время не существовало. Все это напоминало, по словам современников, ремонт часового механизма с помощью слесарных инструментов.

Современные радиологические методы лечения онкологических заболеваний (называемых в быту облучением) также вызывают большое беспокойство и у больных, и у лечащих врачей, поскольку все прекрасно понимают, что радиация, поражая здоровые ткани, может в конечном итоге привести к лучевой болезни.

От грубых инструментов к утонченным

Научный подход к поиску новых способов лечения формировался постепенно. Основное направление помогли указать интенсивные исследования в ядерной физике. В 1934 г. американский физик Д. Ли обнаружил, что ядра некоторых элементов способны захватывать нейтроны, что сопровождалось испусканием γ-квантов (гамма-излучение). Дальнейшее изучение этого процесса с участием различных ядер и их последующих превращений привело в 1936 г. другого американского биофизика, Г. Лочера, к оригинальной идее лечения онкологических заболеваний. Вначале следует ввести в раковые клетки препарат, содержащий нерадиоактивный изотоп бора ¹⁰В, а затем обработать его потоком нейтронов невысокой энергии (так называемых тепловых). При этом атом бора, захватывая нейтрон, превращается в радиоактивный изотоп, который распадается с образованием абсолютно безвредного лития, выбрасывая при этом гамма-квант и альфа-частицу (ядро гелия, содержащее два протона и два нейтрона) (рис. 8.10).

Из показанной схемы видно, что суммарное количество частиц (протонов и нейтронов) остается неизменным, правила написания ядерных реакций те же, что и в обычных химических уравнениях. Верхний числовой индекс у символа химического элемента – массовое число, т. е. сумма протонов и нейтронов в ядре.

Энергия выделяющихся гамма-квантов невелика, и они не оказывают ни лечебного, ни разрушающего действия, основной «лечебный инструмент» – именно a-частицы. Это настоящие «боевые» снаряды, обладающие одним достоинством: у них крайне низкая длина пробега, соизмеримая с размером клетки. В результате α-частица, возникшая за счет ядерной реакции в опухолевой клетке, не выйдет за ее пределы, поскольку обязательно с чем-нибудь столкнется, и потому не затронет здоровые ткани.

Другая сторона вопроса не менее важна. Для того чтобы возникли α-частицы, необходимо облучить организм нейтронами, но не затронут ли они также здоровые клетки? В данном случае использование атомов бора как потенциальных «захватчиков» нейтронов неслучайно. Дело в том, что способность атомов бора захватывать нейтроны на 4–7 порядков превышает аналогичные свойства атомов, входящих в состав тканей живых организмов, – C, H, O, N (именно поэтому соединения бора применяют в ядерных реакторах в качестве поглотителей нейтронов). Таким образом, нейтронное излучение не будет оказывать на организм разрушающего действия. Практически все поступающие нейтроны будут захвачены бором. Осталось решить важную часть задачи – ввести в раковые клетки борсодержащее соединение.

Как можно больше бора

Из общих соображений понятно, что препараты, вводимые в ткани живого организма, должны быть нетоксичны и водорастворимы. Поэтому исследователи в начале 1950-х гг. сосредоточили свое внимание на борной кислоте и ее производных. Клинические испытания показали, что такие препараты неэффективны: они не позволяли получить достаточно высокую концентрацию атомов бора в тканях и, кроме того, не обладали избирательной способностью накапливаться преимущественно в опухолевых клетках.

Возникла задача получить соединения, лишенные указанных недостатков. Поиск молекул с большим числом атомов бора в молекуле естественно привел к каркасным гидридам бора, среди которых наиболее известен карборан, ставший эмблемой химии бора в конце ХХ в. На рисунке 8.11 показана его структурная формула и условное обозначение в виде каркаса из шариков и палочек.

На первый взгляд кажется, что атомы бора и углерода шестивалентны – шесть валентных связей у каждого атома. На самом деле обычные валентные связи лишь у группировок В – Н и С – Н, а остальные представляют собой связи особого типа. Способ соединения элементов в каркас здесь необычный. Появление карборана открыло в химии новую главу, описывающую соединения, построенные с помощью нетрадиционных трехцентровых связей.