5.8. Синтез веществ

Селективный органический синтез. Важнейшая задача химика-синтетика – добиться селективности в органическом синтезе, т.е. научиться осуществлять строго определенное структурное изменение в молекуле, превращая ее в конечный продукт заданного строения. Для решения такой довольно трудной задачи нужно изучить реакционную способность реагентов для каждого типа связи – хемоселективность, создать при взаимодействии реагентов их правильную ориентацию – региоселективность и заданную периодическую пространственную конфигурацию – стереоселективность. Например, синтез адамантана С₁₀Н₁₄ дает представление о том, как можно контролировать все данные факторы. С₁₀Н₁₄ – уникальная молекула, представляющая собой фрагмент структуры алмаза, содержащей 10 углеродных атомов. Впервые адамантан удалось получить путем трудоемкого многостадийного синтеза с выходом только 2,4%. Благодаря последним экспериментальным исследованиям адамантан синтезируется в одну стадию и с выходом 75%. Выяснилось, что адамантадин–адамантан, в молекулу которого введена всего лишь одна аминогруппа, обладает антивирусным свойством, и его можно применять как средство против гриппа и против болезни Паркинсона.

Широкое распространение получила реакция циклоприсоединения с образованием пятичленных циклов, применяющихся для синтеза самых разных соединений – от новых электропроводящих материалов до лекарственных препаратов, например, антибиотиков и противоопухолевых средств. Так, замыкание цикла на радиевом катализаторе является ключевой стадией в синтезе тиенамицина, в котором пятичленный цикл содержит атом азота. Конечный продукт оказался эффективным, подобным пенициллину, средством против инфекционных болезней.

Фотохимический синтез. Фотохимический синтез основан на действии излучения. После поглощения энергии молекула переходит в возбужденное энергетическое состояние. Химические свойства молекулы существенно зависят от свойств поглощенного света, при котором константа диссоциации кислот изменяется на 5–10%, окислительные и восстановительные процессы кардинально изменяются и даже химически инертные вещества могут стать реакционноспособными.

В результате фотохимического синтеза получены многие биологически активные соединения, например, алкалоид атизин, несколько антибиотиков, провитамин D₃ и др. Активность фотохимического синтеза в значительной степени зависит от длины волны возбуждающего света и температуры. Так, при уменьшении длины волны всего лишь на 1% – с 302,5 до 300,0 нм – выход провитамина D₃ увеличивается вдвое, а при снижении температуры синтеза – вчетверо.

Биосинтез. Среди природных веществ есть регуляторы роста растений и насекомых, органические соединения, используемые насекомыми в качестве средств коммуникации, пестициды, антибиотики, витамины и многие целебные вещества. Природное соединение сначала необходимо обнаружить, затем выделить его химическим путем, потом определить его структуру и свойства и, наконец, произвести заданный синтез.

Часто химики стремятся получить только одну нужную форму из двух, являющихся зеркальным отражением друг друга. Каждый атом углерода, с которым связаны различные группы атомов, порождает пару симметричных зеркальных структур и называется хиральным атомом или хиральным центром. Характерный пример выделения только одной зеркальной формы – синтез антибиотиков. В природе встречается около 50 соединений подобного типа, среди них самое известное – монензин, продуцируемый штаммом бактерий. Антибиотики такого типа (монензин, лазалоцид, салиномицин) широко применяются для борьбы с инфекционными заболеваниями в бройлерном производстве. В США ежегодно продают примерно на 50 млн долларов монензина. Монензин содержит 26 атомов углерода, 17 хиральных центров – это означает возможность существования 2¹⁷ различных стереоизомеров. Поэтому для осуществления синтеза монензина необходимы высокостереоселективные реакции. Производство монензина и его структурных аналогов – крупное достижение современного биосинтеза.

При исследовании строения биополимеров – гигантских молекул белков (нуклеиновых кислот, синтезируемых живыми организмами), возникают те же проблемы, что и при изучении природных соединений с меньшей молекулярной массой. Белки выполняют различные биологические функции: участие в пищеварении, транспорт кислорода в крови, сокращение мышечных волокон, защита от вирусов и бактерий с помощью антител и т.п. Сложная пространственная форма белков во многом определяет их биологические функции. Так, молекула коллагена – белка, придающего прочность коже и костям, имеет форму стержня. Антитела представляют собой молекулы с выемками У-образной формы, которые заполняются молекулами чужеродных веществ и служат для запуска реакций, обеспечивающих их эффективное обезвреживание.

Белки – высокодинамические системы, которые при осуществлении биологических функций способны менять форму. Например, свет вызывает изменение формы родопсина – белка сетчатки глаза, что и является первичной стадией зрительного восприятия. Такое изменение происходит в течение менее одной миллиардной доли секунды. Подобные процессы в молекулах белков обнаруживаются с помощью импульсных лазеров.

Для белков характерны повторяющиеся структурные фрагменты и общность механизмов действия. Даже простейшие клетки содержат более 5000 различных видов белков. Последние имеют общие структурные особенности. Например, наблюдается сходство между ферментом тромбином, вызывающем свертывание крови, и пищеварительным ферментом – химотрипсином. Многие белки разных организмов похожи друг на друга. Так, гемоглобин мыши мало отличается от гемоглобина человека. В сложных организмах ферменты работают так же, как и в простых.