Карнавал молекул. Химия необычная и забавная

Лен заинтересовался процессами, происходящими в нервной системе, связанными с транспортом ионов натрия и калия через клеточную мембрану. Он решил синтезировать химические вещества, которые могли бы воздействовать на процессы переноса ионов. Поиски привели к созданию криптандов (от греческого слова, означающего «скрытый», этот же корень слова использован в названии криптона). Криптанды представляют собой по существу объемные краун-эфиры, собранные из мостиков -СН₂-СН₂-О-СН₂-СН₂– с атомами азота в узловых точках. Они способны избирательно связывать ионы металлов, захватывая их во внутреннюю полость молекулы и удерживая за счет полярных взаимодействий (на рис. 6.11 слева показана шарострежневая модель, справа – структурная формула криптанда).

Объединив свои исследования с результатами, полученными другими авторами при изучении краун-эфиров, Лен сформулировал новое направление в химии, названное им супрамолекулярной химией. Если обычная химия изучает реакции, при которых происходит разрыв и образование валентных связей, то супрамолекулярная химия рассматривает невалентные взаимодействия – водородные связи, полярные взаимодействия, гидрофобные силы и др., т. е. структуры, образованные без химических связей. В 1987 г. исследования Лена были отмечены Нобелевской премией (совместно с Д. Крамом и Ч. Педерсеном).

Современная супрамолекулярная химия – это обширная область, которая решает множество различных прикладных задач: разделение и очистку органических веществ, создание лекарственных препаратов нового поколения и др.

Не каждому ученому выпадает честь создать новое научное направление, в последующем развитии которого принимают участие сотни химиков разных стран. Тем не менее Лен сумел «отойти в сторону» от возникшего мощного потока исследований и найти новую научную магистраль.

Пожмем друг другу руки

Поскольку далее мы будем использовать термин «комбинаторика», знакомый из школьных уроков математики, попробуем решить простую задачу из этой области. Встретилась группа друзей, и каждый обменялся рукопожатием со всеми присутствующими. Сколько всего было рукопожатий? Естественно, ответ зависит от того, сколько в группе было человек. Комбинаторика предлагает широко известную общую формулу для количества сочетаний: C_n^k = n!/k!(n – k)! где n – количество участников, а k – размер объединенной группы (в нашем случае рукопожатие объединяет людей в группу из двух элементов, т. е. k = 2). На примере этой задачи легко убедиться, что не всегда следует проводить вычисления по формуле. Если в группе два человека, то вы без всяких вычислений скажете, что рукопожатие было только одно. Точно так же вы сразу мысленно найдете правильный ответ для трех человек – три рукопожатия. А если четыре человека? Почему-то многие сразу говорят, что четыре рукопожатия, большинство так сразу и отвечает (проверьте это на своих знакомых), но это неправильный ответ. Самое интересное, что для получения правильного ответа не требуется проводить расчеты по формуле. Для четырех человек задачу легко решить в уме, представив себе квадрат, у которого надо пересчитать все стороны и диагонали. Как только вы мысленно представите себе такой квадрат, сразу найдете правильный ответ – шесть рукопожатий. В случае пяти человек мысленно найти ответ непросто, зато можно легко нарисовать пятиугольник, провести и пересчитать в нем все диагонали и прибавить число сторон, ответ будет очевиден – десять рукопожатий, вновь обошлись без вычислений (рис. 6.12).

При переходе к шести участникам все же проще, пожалуй, воспользоваться формулой. Итак, в каждом конкретном случае можно выбирать оптимальный путь, быстро приводящий к успеху.

Еще одна новая химия

Цель многих биохимических опытов – из множества возможных веществ найти самое эффективное. Например, требуется определить, какое соединение из большой группы намеченных для исследования окажется самым результативным для связывания некоего фермента – биологического катализатора (рис. 6.13). Традиционная методика выглядит следующим образом: изучаемый фермент помещают в блок из 10–12 пипеток и добавляют в дозированном количестве к десяткам или сотням изучаемых реагентов – предполагаемых блокаторов, чаще их называют ингибиторами. Эти реагенты, как правило, представляют собой группу близких по строению соединений.

В середине 1990-х гг. Жан-Мари Лен предложил необычный подход к подобным исследованиям: вместо 100 экспериментов при поиске соединений, блокирующих фермент, можно обойтись всего 20 опытами и получить надежный результат, т. е. выяснить, какое соединение из намеченных 100 блокирует фермент наиболее эффективно. Для этого надо использовать не сами ингибиторы, а взять их «предшественников» – реагенты, из которых их синтезируют. Основное требование состоит в том, что «предшественники» должны обратимо реагировать между собой в процессе синтеза ингибитора.