5.7. Превращение органических и неорганических соединений

Органические соединения. К настоящему времени выделено много новых природных соединений: алкалоидов и терпенов из растений, антибиотиков из микроорганизмов и грибов, пептидов и полинуклеотидов из организмов животных и человека. Основная задача физической органической химии – установление связи между физическими, прежде всего спектральными, химическими свойствами органических соединений и их молекулярной структурой. Не менее важная задача заключается в выяснении строения промежуточных продуктов и установлении влияния растворителя, катализатора, температуры и т.п. на механизм реакции.

Синтез новых органических веществ позволяет получить полезные и ценные материалы, отсутствующие в природе. Например, ежегодно в мире синтезируют тысячи килограммов аскорбиновой кислоты (витамина С). Несколько десятилетий назад стратегия синтеза основывалась на последовательном осуществлении уже известных химических реакций. С пониманием глубинных процессов механизма реакций появилась возможность реализации новых способов синтеза. В качестве примера можно назвать твердофазный синтез пептидов, который проводится на нерастворимом полимерном носителе с ковалентной связью. Пептиды образуются при последовательном добавлении аминокислоты. Такой способ применяется для получения важных гормонов и пептидов-биорегуляторов.

Современные достижения в органическом синтезе особенно наглядны в производстве лекарственных препаратов. Например, синтезированные простагландины из семейства жирных кислот, содержащие 20 углеродных атомов и пятичленный цикл, обладают свойствами гормонов и оказывают мощное и разнообразное воздействие на организм, начиная от регулирования кровотока и кончая стимуляцией родовой деятельности. В организме простагландины синтезируются из исходного вещества – полинеопредельных жирных кислот, содержащихся в пище млекопитающих. Те же кислоты служат исходным продуктом в синтезе другого семейства соединений – лейкотриенов – перспективного лекарственного препарата для лечения многих заболеваний, в том числе и астмы. Ближайшие задачи органического синтеза связаны с получением безвредных антибиотиков, лекарственных средств против гипертонии, язвенных болезней и т.п.

Неорганические соединения. В последние десятилетия подъем неорганической химии наблюдается на стыке смежных отраслей естествознания – химий металлоорганических и бионеорганических соединений, химии твердого тела, биогеохимии и др. Неорганические элементы и соединения, как показывают экспериментальные наблюдения последнего времени, играют важную роль в живых системах, которые нельзя считать чисто органическими. Они весьма чувствительны к ионам металлов почти всей периодической системы элементов Менделеева. Некоторые ионы принимают участие в таких жизненно важных процессах, как связывание и транспорт кислорода (железо в гемоглобине), поглощение и конверсия солнечной энергии (магний в хлорофилле, марганец в фотосистеме, железо в ферродоксине, медь во фталоцианине), обмен электрическими импульсами между клетками (кальций, калий в нервных клетках), мышечное сокращение (кальций), ферментативный катализ (кобальт в витамине В₁₂) и др.

Важнейший предмет изучения быстроразвивающейся неорганической химии биосистем – строение ближайшего и дальнего окружения атомов металлов и его изменение под воздействием кислотных агентов, давления кислорода и других факторов.

Быстро развивается еще одна отрасль – химия элементоорганических соединений. Для исследования сложнейших структур и связей таких соединений применяются новейшие методы спектроскопии и рентгеноструктурного анализа, позволившие открыть большое семейство соединений со сложной структурой. Пример подобных соединений – синтезированный ферроцен – вещество, атомы железа которого расположены между двумя плоскими циклопентадиенильными кольцами.

Химики-металлоорганики стремятся создать новые катализаторы для фиксации азота, т.е. для превращения молекулярного азота N₂ в аммиак NH₃ – исходный продукт для производства удобрений. Одно из важных достижений химиков-органиков – синтез соединений, способных избирательно действовать с теми молекулами, которые долгое время считались слишком инертными для химических превращений, но представляли и представляют практический интерес. Например, насыщенные углеводороды относительно инертны, не содержат двойных или тройных углерод-углеродных связей. Недавно синтезированы соединения родия и иридия, содержащие фосфины и другие соединения, которые способны расщеплять связи С – Н в метане и циклопропане. При сочетании такой важной реакции синтеза с другими видами превращений можно наладить массовое производство насыщенных углеводородов – ценнейшего промышленного сырья. Таким способом можно осуществить, прямое превращение метана в метанол – метиловый спирт – важнейшее сырье для производства многих химических веществ.

По мере роста числа необычных металлоорганических соединений размывается граница между органической и неорганической химией. Часто многие синтезированные соединения находят применение в органическом синтезе. Так, борогидриды – соединения бора и водорода в органическом синтезе выполняют роль селективных восстановителей. Другой пример – соединения кремния способны деформировать длинную молекулу реагента и синтезировать кортизон – эффективное лекарственное средство против артрита. Новые методы синтеза с применением соединений кремния позволили синтезировать несколько аналогов кортизона. Один из них – преднизолон – более эффективен, чем кортизон, и с меньшими побочными действиями, участием металлоорганических соединений осуществляются важные промежуточные стадии многих органических реакций. Данные соединения богаты электронами, поэтому в природе они играют роль посредника во многих процессах переноса электронов.