Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша

Так почему же йод оказывал нужное действие? В то время врачи еще не имели никакого понятия о следовых количествах микроэлементов в нашем организме – очень низких концентрациях различных элементов (например, меди, селена, марганца), необходимых для правильной работы ферментов и других молекулярных систем; анализ же питательных веществ в пище был невозможен, так как большая часть этих веществ не была идентифицирована. Тем не менее в середине XIX века парижский ботаник и врач Гаспар Адольф Шатен проанализировал содержание йода в образцах растений, почвы и воды, собранных во время отпусков, проведенных в разных частях Франции и Европы[164]. Оценив суточное потребление различных продуктов, он затем подсчитал, что средний парижанин поглощает 5–10 мкг йода в день (5–10 миллионных долей грамма), в то время как жители Лиона и Турина получают с пищей лишь 1–2 мкг, а крестьяне в альпийских долинах вынуждены обходиться менее чем 0,5 мкг[165].

Он смело выдвинул теорию о важности йода для того, чтобы избежать развития зоба и кретинизма, но без особого результата. Шатену пришлось ждать 1896 года: за пять лет до его смерти немецкий химик Ойген Бауман смог наконец доказать, что щитовидная железа, расположенная в нижней части шеи и резко увеличивающаяся в размерах у страдающих от зоба людей, содержит йод. Это открыло возможности для масштабного лечения и профилактики заболевания, особенно когда были раскрыты молекулярные формулы секретов щитовидной железы: два вещества, известные как Т₃ и Т₄ – трийодтиронин и тирозин, где к в целом органическим структурам присоединены три и четыре атома йода соответственно.

Это и в самом деле весьма странные молекулы, которые можно рассмотреть получше, если отойти от формального схематичного изображения, показанного на рисунке 27, и вместо этого попытаться представить себе размер молекулы и содержащихся в ней атомов. По мере того как мы добавляем протоны и нейтроны к атомным ядрам и продвигаемся от более легких элементов с низким зарядовым числом к более тяжелым, ядра, разумеется, увеличиваются в размере, но лишь в небольшой степени, так как большая часть пространства в атоме занята летающими электронами. С увеличением количества протонов растет и заряд ядра – соответственно, и сила, притягивающая к ядру электроны. Это означает, что атомы имеют склонность уменьшаться по мере увеличения зарядового числа. С другой стороны, должно расти и число электронов, и, когда эти отрицательно заряженные элементарные частицы приближаются к ядру, они начинают отталкивать друг друга, из-за чего атом кажется больше.

Рисунок 27. Гормоны щитовидной железы трийодтиронин и тироксин, известные также как Т₃ и Т₄ из-за количества атомов йода, прикрепленных к их органическому скелету. Изображенная жирной линией связь с группой NH₃⁺ означает, что эта связь выходит из плоскости и направлена в вашу сторону.

Которая из сил одержит верх? Это легко рассчитать, взглянув на Периодическую таблицу: если двигаться по периодам (строкам) слева направо, побеждает сила притяжения, и атомы становятся немного меньше; если двигаться по группам (столбцам) сверху вниз, побеждает сила отталкивания, поскольку после достижения конфигурации каждого из благородных газов (элементы в крайнем правом столбце) электроны добавляются на орбитали, или оболочки за пределами плотной внутренней электронной оболочки в атоме, соответствующей конфигурации благородного газа, и не особенно ощущают влияние дополнительного заряда ядра.

Химия не была бы химией, если бы не существовало исключений для этого правила; однако их мы рассмотрим в другой главе. Достаточно понять, что, спустившись по галогеновой лестнице от фтора (F) к хлору (Cl) и брому (Br), мы добираемся до атома йода, который совершенно не похож своими размерами на атом углерода. Взгляните на изображение, показанное на рисунке 28, и вы увидите, насколько сильно на нем преобладают атомы йода, которые на палочковой схеме совершенно идентичны остальным атомам.

Но дело не только в размере. Йодид-заместители (их так называют потому, что мы рассматриваем их как атомы, заменившие собой атом водорода в шестиугольном углеродном цикле С₆) на самом деле не обладают красивой округлой формой, а их электроны не движутся равномерно вокруг ядра; система больше напоминает фаршированные оливки, где связь углерод-йод вставлена прямо в красноватую начинку. Оливково-зеленая поверхность притянула избыточные электроны и имеет отрицательный заряд, а область начинки лишилась электронов, и там проглядывает положительно заряженное ядро, придавая этой части положительный заряд.