4. Эволюционная химия

Природный катализатор – хлорофилл – комплексное металлоорганическое соединение в живой ткани зеленого листа. Поэтому можно считать, что процесс фотосинтеза происходит при фотобиокатализаторе, и эти реакции изучаются в целях получения еще одного источника энергии. За идеями строения эффективных биокатализаторов химики часто обращаются к живой природе. Поэтому будущее катализа – на стыке химии и биологии. Большинство биохимических процессов – каталитические. Расчет энергии активации проводится в квантовой химии.

Биокатализаторы были открыты в начале XXв. Благодаря работам французских химиков П. Сабатье и Ж. Б. Сандерана в промышленности при гидрировании органических веществ вместо благородных металлов стали использовать никель, медь, кобальт, железо. Русский химик-органик В. Н. Ипатьев исследовал каталитическое действие оксидов металлов при высоких давлениях и температурах и установил, что при использовании смеси катализаторов их действие усиливается. Каталитический способ синтеза аммиака из атмосферного азота и водорода под давлением открыл немецкий химик Ф. Габер. Затем химики-технологи К. Бош и А. Митташ предложили промышленный способ синтеза аммиака с использованием смеси катализаторов – железа, едкого калия и глинозема – при повышенных температурах и высоком давлении.

Подбор катализаторов долгое время шел эмпирическим путем, да и сами механизмы химических реакций, особенно быстрых, не поддавались объяснениям. Наиболее быстро происходят реакции фотохимического типа, когда фотоны, разрушая равновесие, вызывают новые реакции и создают новые условия равновесия, что устанавливали по вторичному рассеянию молекул. В 20-е гг. ХХ в. такие реакции начал исследовать английский физико-химик Р. Дж. Норриш, но успех пришел к нему только после 1945 г., когда он привлек к работе молодого сотрудника Дж. Портера, специалиста по электронике и радиолокации. Они использовали сверхкороткие световые импульсы мощностью 600 МВт, излучаемые за 10^–6с. Впоследствии ученые уменьшили временной интервал до 10^–9с и стали использовать лазеры, имеющие мощность в тысячи раз большую. (Подробнее об эволюционной химии см. в параграфе «Связь физических, химических и биологических форм движения материи».)

Квантовая химия позволила рассмотреть на микроуровне протекание реакций, отдельные молекулы и их электронные структуры. Термодинамический подход, описывающий систему в целом, позволяет глубже понять тенденции течения реакций. В 1952 г. японский физико-химик Кэнити Фукуи продолжил работу над методом молекулярных орбиталей и пришел к оценке важности переходного состояния, или активированного комплекса, подчеркнув особую роль внешних электронов в течении реакций, в том числе и каталитических. Расчеты на ЭВМ подтвердили его соображения, идеи Фукуи используются и сейчас. Американский физико-химик Роалд Хофман, доведя метод Фукуи до расчетного, разработал правила сохранения орбитальной симметрии молекул при химических реакциях.

Управлять ходом химической реакции можно и за счет привлечения внешнего источника энергии – световой или тепловой. С ее помощью удается расшатать атомы в исходной молекуле и побудить их к участию в нужной реакции. Этим занимается область химии, получившая название химии экстремальных состояний. Использованием для этой цели более жесткого электромагнитного излучения (для молекул с крепкими внутримолекулярными связями) занимаетсярадиационная химия.