биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Раздвинувший границы химии

[8 февраля, 2015 г.]

Жан-Мари Лен — один из немногих нобелиатов, которых можно считать основателями целой отрасли науки. Он не только синтезировал большое количество новых веществ (в том числе — целый класс криптандов, со всех сторон «обхватывающих» ионы, с которыми образуют комплексы), но и задумался о принципах управления межмолекулярными связями, которыми оперирует вся современная биохимия. Лен удостоен Нобелевской премии по химии в 1987 году. Формулировка Нобелевского комитета: «за создание и использование молекул со структурно-специфическими взаимодействиями высокой селективности».

Лупеол

Рисунок 1. Лупеол — один из тритерпенов.

Герой нашей статьи почти так же близок автору, как и «евангелист органической химии» Вудворд [1]. Но если Вудворд определил, какой именно химией я хотел заниматься, Жан-Мари Лен предопределил область внутри (а точнее, вовне) органики, которой я занимался, пока был внутри науки. Вещества и принципы, которые он создавал, были всегда красивы и, я бы даже сказал, элегантны. Впрочем, почему «были»? Лен продолжает активно работать.

Наш нынешний лауреат родился через 30 дней после начала Второй мировой войны в Эльзасе, в пока еще свободной Франции. Отец его был булочником и городским органистом (бывает так). Судя по всему, семья Лена сравнительно спокойно пережила немецкую оккупацию, и в 1950 году юный Жан-Мари пошел в среднюю школу. У нас с вами был шанс слушать сейчас концерты выдающегося музыканта Лена или читать книги музыковеда Лена: главной страстью его была музыка. И гимназию ему подобрали классическую — языки (английский, немецкий, греческий, латынь), литература, философия.

Вудворд и формула хлорофилла

Рисунок 2. Вудворд и формула хлорофилла. Роберт Бернс Вудворд — лауреат Нобелевской премии по химии 1965 г.

Шемякин М.М.

Рисунок 3. Шемякин М.М. Академик АН СССР, разработчик теорий окислительно-гидролитических превращений органических веществ и процессов аминокислотного обмена, автор выдающихся работ по изучению и синтезу антибиотиков. Вместе с сотрудниками впервые осуществил полный синтез тетрациклина [2].

Но естественным наукам повезло — Лен познакомился с химией и увлекся ею больше музыки. Впрочем, бакалавром философии он все же стал в свои восемнадцать. Но через несколько месяцев получил бакалаврскую степень и по химии и поступил в Страсбургский университет. Юноша так увлекся органикой, что начал ставить эксперименты дома (не пытайтесь это повторить, домашняя неорганика — еще куда ни шло!). На третьем году обучения Лен начинает работу над диссертацией, изучая тритерпены (рис. 1). На всякий случай напомним, что терпены — вещества природного происхождения общей формулы (C5H8)n, в основе которых лежит молекула метилбутадиена; к ним относится, например, камфора, а также ароматические вещества многих эфирных масел.

Получив степень PhD в 1963 г., Лен на год отправляется работать к герою одной из наших предыдущих публикаций, Роберту Бернсу Вудворду (рис. 2), и участвует в одном из величайших органических синтезов за всю историю человечества — синтезе витамина B12. Как мы помним, в структуре витамина есть комплекс корринового ядра и катиона кобальта типа «гость–хозяин».

Возможно, это тоже определило дальнейшую научную карьеру Лена. Он заинтересовался процессом ионного транспорта через клеточную мембрану и задумался о том, как синтезировать искусственные «контейнеры» для переноса ионов.

Кстати, рассказывая о своей научной области, Лен очень часто упоминает одного из первопроходцев, советского химика Михаила Шемякина (рис. 3), имя которого (наряду с именем академика Овчинникова) теперь носит Институт биоорганической химии РАН (ИБХ РАН).

Валиномицин

Рисунок 4. Ионофор валиномицин. а — Структура молекулы; б — Комплекс валиномицина с ионом калия (в камне и металле, перед входом в ИБХ РАН).

Чарльз Педерсен

Рисунок 5. Чарльз Педерсен. Лауреат Нобелевской премии 1987 г. (совместно с Ж.-М. Леном и Д. Крамом).

Именно исследования структуры антибиотика валиномицина (рис. 4а), проведенные Шемякиным в 1960-х годах, показали, как он связывается с ионом калия, образуя природный комплекс типа «гость–хозяин» (рис. 4б). Валиномицин связывается с калием в 1000 раз активнее, чем с натрием, а его комплекс свободно проходит сквозь мембрану бактерий, нарушая в них калиево-натриевый баланс. На этом и основывается антибактериальное действие вещества.

Еще одно открытие, которое было сделано в тех же 60-х годах, — это случайный, но ключевой синтез краун-эфиров Чарльзом Педерсеном (рис. 5), за что Педерсен вместе с Леном был удостоен Нобелевской премии. Что такое краун-эфир? Crown — это корона. Краун-эфиры представляют собой большие циклы (самые распространенные крауны — 18-членные, с шестью атомами кислорода, соединенными этиленовыми мостиками) (рис. 6а).

Краун-эфиры

Рисунок 6. Краун-эфиры. а — Структурное разнообразие; б — Комплекс двух молекул краун-эфиров с одним ионом калия (слева) и одного большого макроцикла краун-эфира с двумя ионами натрия (справа).

Ввиду того, что такие циклы имеют уже не плоскую структуру, они напоминают собой корону, которая как бы надевается на ион калия или натрия (рис. 6б). При этом полость цикла «подходит» иону по размеру, а связь осуществляется за счет перетягивающих на себя избыточную электронную плотность атомов кислорода. В итоге получается атом калия или натрия, «упакованный» в органическую оболочку, что заметно повышает растворимость этих ионов в органических растворителях. К примеру, очень мощный окислитель перманганат калия (KMnO4) почти нерастворим в органике, что делает сложным его использование в органических реакциях. А в присутствии краун-эфиров он прекрасно растворяется в бензоле, и «пурпурный бензол» стал почти стандартным реагентом.

Дональд Крам

Рисунок 7. Дональд Крам. Лауреат Нобелевской премии 1987 г. (совместно с Ж.-М. Леном и Ч. Педерсеном).

Криптанды

Рисунок 8. Криптанды. а — Структурное разнообразие; б — Комплекс криптанда с калием. Красные участки — атомы кислорода, синие — азота.

Что же сумел сделать наш герой? Заслуга Жан-Мари Лена в том, что он, во-первых, заметно расширил ассортимент краун-эфиров (это же сделал и третий нобелиат 1987 года, Дональд Крам (рис. 7)), во-вторых, создал новый класс соединений — криптанды, от греческого слова «криптос» («скрытый»), однокоренного с названием элемента криптона. Криптанды — это уже сложные органические молекулы с полостью, образованной двумя циклами . Вместо «короны» мы теперь имеем «пещеру», в которую можно «прятать» другие ионы или даже молекулы (рис. 8). Впоследствии Дональд Крам создал еще более жесткий вариант — карцеранды, которые представляют собой «одиночную камеру» на одну молекулу, из которой она никак не может вырваться.

В-третьих, Лен фактически создал новую науку — супрамолекулярную химию.

Лен стал и автором самого термина «супрамолекулярная химия», применив его еще до получения Нобелевской премии. В 1978 году он писал: «Супрамолекулярная химия — это химия за пределами молекулы, описывающая сложные образования, которые являются результатом ассоциации двух (или более) химических частиц, связанных вместе межмолекулярными силами». Впрочем, сам он в своей монографии называет супрамолекулярную химию «социологией в химии» [3].

Вот как пишет Лен о своей науке: «Вначале был Большой взрыв и воцарилась физика. Затем, вместе с более умеренными температурами, на смену ей пришла химия; из элементарных частиц образовались атомы; атомы соединялись во всё более сложные молекулы, которые в свою очередь образовали еще более сложные ассоциаты и мембраны, определившие примитивные клетки, из которых возникла жизнь. [...] Молекулярная химия утвердилась в своей власти над ковалентной связью. Настало время овладеть в равной мере нековалентными межмолекулярными силами. За пределами молекулярной химии, основанной на манипулировании молекулярными связями, простирается область супрамолекулярной химии, которая призвана подчинить себе межмолекулярные связи» [3].

Интересующиеся могут послушать рассказ о супрамолекулярной химии самого Лена.

Результатом стала поделенная на троих Нобелевская премия 1987 года — через много лет после пионерских работ Лена, Крама и Педерсена. На нобелевском банкете выступать с благодарственным словом от имени всех трех лауреатов премии по химии было доверено именно Лену, который не преминул съязвить: «Несмотря на то, что эта приятная задача была поручена самому молодому из лауреатов, я бы не забывал, что в моем возрасте Моцарт уже 13 лет как умер» [4]. (Педерсену на тот момент было 83 года, Краму — 68, Лену — 48).

Пленарная лекция Лена в Москве

Рисунок 9. Пленарная лекция Лена на Менделеевском конгрессе в Москве, 2007 г. Фото автора.

Отметим в скобках, что с нашей страной Лена связывают достаточно тесные связи — не только память о трудах Шемякина. Я сам лично видел его дважды — в 2007 году на Менделеевском конгрессе (эти съезды, к сожалению, не продолжились) и в 2013 году на конгрессе FEBS в Санкт-Петербурге. Он стал первым лауреатом Нобелевской премии, которого я фотографировал (рис. 9). А сейчас Жан-Мари входит в число членов Консультативного научного совета фонда Сколково, являясь одним из трех нобелиатов в нем (два других — это Жорес Алферов и Роджер Корнберг).

В своем интервью Нобелевскому комитету [5] на вопрос, как премия изменила его жизнь, Лен дал очень интересный ответ. По его словам, премия дала больше возможностей (и обязала!) говорить о науке и о химии в частности — ведь слово нобелиата слышно громче. И Лен активно пользуется этим правом — говорить о науке. «Мне важно сказать, что наука — это тоже важная часть человеческой культуры, подобно искусству», — говорит Лен.

Мне кажется, в этом (и не только в этом) создатель супрамолекулярной химии оказался достойным продолжателем дела своего учителя Роберта Вудворда, более всего ценившего в химии красоту.

Наград у Лена не счесть — Нобелевская премия, австрийский почетный знак «За науку и искусство», командорство ордена Почетного легиона, медаль Дэви Лондонского королевского общества... Но интересно, что Лен по-прежнему активно работает в науке и является очень плодовитым автором — суммарно его группа опубликовала более 900 (!) статей в реферируемых научных журналах. Как говорил сам Лен в том же интервью Нобелевскому комитету [5], часто премия — это повод сменить область научной деятельности. От себя добавим, что иногда премия — это повод уйти на покой, как это было, скажем, с Хиггсом. Но, судя по всему, оба повода — это не про человека, которого зовут Жан-Мари Лен.

Первоначально статья была опубликована в блоге автора на сайте Политехнического музея [6].

Литература

  1. биомолекула: «Роберт Вудворд: евангелист органической химии»;
  2. ibch.ru: «Шемякин Михаил Михайлович»;
  3. Лен Ж.-М. «Супрамолекулярная химия. Концепции и перспективы». Новосибирск: Наука, 1998. — 334 с.;
  4. Supramolecular chemistry — scope and perspectives. Molecules — supermolecules — molecular devices. Нобелевская лекция Ж.-М. Лена (1987);
  5. Интервью с Ж.-М. Леном. (2001). Сайт Нобелевского комитета;
  6. Паевский А. «Раздвинувший границы химии». Сайт политехнического музея.

Автор: Паевский Алексей.

Число просмотров: 346.

Creative Commons License — условия использования и распространения материалов сайта.
Вернуться в раздел «Личность»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.