Элемент углерод находится ровно посередине второго периода Таблицы Менделеева, образует неорганические и органические соединения и способен реагировать со множеством других веществ и элементов. Но главное свойство углерода — это возможность связывания самих атомов углерода друг с другом, то есть образование углеродных цепочек. Именно это свойство сделало углерод «элементом жизни» — из таких цепочек построены и наследственные молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и РНК (рибонуклеиновой кислоты), и белки, из которых состоят наши мышцы, и все ферменты и углеводы, которые входят в состав множества наших органов, и жиры, из которых сделаны мембраны наших клеток (а также, увы, и наши животы). На углеродные цепочки нанизаны атомы и других элементов — азота, водорода, кислорода. Эти цепочки являются основным структурным элементом клеток растений, которыми мы питаемся, а также древесины, из которой мы изготавливаем стулья и обеденные столы, а также шкафы и кресла. То же самое относится, как это ни жутковато звучит, к клеткам съедобных и несъедобных животных, которые тоже состоят в основном из веществ с цепочками углерода.

Сажа и бриллианты

Но все это — об органических соединениях элемента углерод. А сам по себе элемент углерод образует неорганические модификации, иначе называемые аллотропическими. Еще не так давно признавали только три аллотропические модификации — алмаз, графит и аморфный углерод. Но в 60-е годы прошлого века был получен (кстати, советскими учеными) так называемый карбин, представляющий собой чистые цепочки из атомов углерода, без дополнительных атомов других элементов. Соединены атомы в карбине двойными или тройными плюс одинарными связями — так, чтобы каждый из атомов был четырехвалентным. Углерод практически во всех своих соединениях имеет валентность, равную четырем.

Алмаз построен совершенно по-другому. Каждый из атомов углерода находится в центре тетраэдра, в вершинах которого расположены четыре ближайших атома. Связь углерод-углерод очень прочная, именно поэтому алмаз обладает самой высокой из всех минералов твердостью и самым низким коэффициентом сжатия. Алмаз действительно почти невозможно сжать, но его легко разбить, алмаз довольно хрупок. Да, самое главное — не с точки зрения химии, конечно: специальным образом обработанный алмаз называется бриллиантом и очень ценится девушками. Любовь проходит, а бриллианты остаются.

Графит, тот самый, что в карандаше, в отличие от алмаза, легко истирается и превращается на бумаге в буквы — к примеру, в рукописи великих романов или письма с фронта. Говорят, что специалисты американского космического агентства НАСА якобы потратили несколько миллионов долларов на разработку ручки для письма в космической невесомости. Оканчивается история ударной фразой: «А русские космонавты пользовались карандашом». Свойство графита истираться и оставлять следы на бумаге связано с тем, что графит представляет собой стопку слоев из шестигранников, в вершинах которых находятся атомы углерода. Сами слои между собой связаны слабо, и графит легко расслаивается — это и есть следы на бумаге. Графит можно сравнить с тортом «Наполеон», где коржи не очень прочно склеены кремом.

Но графит, как и алмаз, состоит только из атомов углерода. Поэтому всегда было заманчивым как-то превратить графит в алмаз, что и было сделано. При огромном давлении и определенной температуре сейчас алмазы получают из графита тоннами. Правда, бриллианты из таких алмазов выходят не очень красивые, зато поверхности всяких буровых инструментов и обычных сверл, утыканные этими недорогими искусственными алмазами, работают просто великолепно.

А аморфный углерод — это просто мельчайшие частички графита, своей отдельной структуры у него нет. Строго говоря, аморфный углерод даже и не стоило выделять в отдельную аллотропическую модификацию. Из этого углерода состоит бурый и каменный уголь, сажа, а также активированный уголь — его приходится принимать некоторым гражданам после неумеренного употребления того самого напитка, авторство которого приписывают Дмитрию Ивановичу Менделееву.

Мячи и плоскости

В 1985 году химики сделали потрясающее открытие: была обнаружена принципиально новая модификация углерода — фуллерен. Исследователи изучали пары графита, испаренного лазерным лучом, и нашли в них молекулы, состоящие из 60 и 70 атомов углерода. После многочисленных экспериментов было установлено, что С₆₀ представляет собой трехмерное тело икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников — точно как сшитый из разных кусков кожи футбольный мяч. В более крупном С₇₀ в середину «мяча» врезан пояс из 10 атомов углерода — такая молекула напоминает удлиненный мяч для регби. Эти молекулы первооткрыватели назвали бакминстерфуллеренами в честь архитектора Бакминстера Фуллера, который строил здания именно из подобных структурных элементов — шести- и пятиугольников. Вскоре, впрочем, название сократили до фуллеренов. Через 11 лет после открытия ученые получили Нобелевскую премию по химии, и все эти годы обнаружились все новые и новые фуллерены.

Рекордным является фуллерен с 400 атомами углерода, таких конструкций даже Фуллер не делал.

Как мы уже говорили, простейший фуллерен С₆₀ в точности похож на футбольный мяч, а следующий С₇₀ — уже на мяч для регби. Если продолжить эту операцию и вставлять все новые углеродные пояса в фуллереновый «мяч», то мы в какой-то момент получим трубку. Оканчиваться трубки будут как бы половинками фуллерена. Можно и иначе описать мысленную операцию получения этих нанотрубок, или тубулен: представьте себе, что мы ухватились за два противоположных края фуллерена и начали его растягивать. Если откуда-то будут постоянно поступать атомы углерода, то мы создадим такую трубу, цилиндр с округлыми краями.

Не мысленно, а на практике нанотрубки были получены в 1990-е годы то ли японцем Иидзимой, то ли еще кем-то одновременно с ним. А то и раньше. Но самое главное, что теперь их научились получать килограммами, и это еще одна аллотропическая модификация нашего многоликого углерода. Из нанотрубок делают сверхпрочные нити, используемые для композиционных материалов, в электронике, в медицине. В качестве экзотического, но еще нереализованного варианта использования нанотрубок размышляют о космическом лифте. Это вот что такое: от Земли к космической станции протянут сверхпрочный трос, по которому будет ездить лифт с грузом или людьми. Все это гораздо дешевле использования ракет, и нанотрубки по своей теоретической прочности отлично подходят для плетения такого троса. Но пока, правда, длинных нанотрубок никто не получал.

И наконец, в 2004 году выпускники подмосковного Физико-технического института Андрей (Андре) Гейм и Константин Новосёлов получили последнюю на данный момент аллотропическую модификацию углерода — одномерные пленки под названием «графен». Этот графен не что иное, как один корж из того самого торта «Наполеон», один слой в графите. Есть такое выражение: в мире нет ничего более плоского, чем графен. За открытие этого поразительного по своим свойствам вещества Гейм и Новосёлов получили в 2010 году Нобелевскую премию. Графен прочнее стали в 200 раз, обладает необычными электрическими свойствами и в перспективе сможет заменить дорогой кремний при производстве электронных компонентов. Из графена уже научились делать прозрачные ленты, и революция в электронике не за горами.

Графен был теоретически предсказан еще в 1950-е годы, но получить его никак не удавалось. Удивительно, но Гейм и Новосёлов сделали это, используя обыкновенную клейкую ленту скотч. Они приклеивали скотч к куску графита, отдирали прилипшие кусочки и исследовали их под микроскопом. В массе кусочков попадались и двухслойные, и однослойные пленки, которые наши соотечественники и исследовали.

В этой книге рассказывается не просто об интересных химических веществах и реакциях, но и об открывших эти вещества ученых. Поэтому, рассказывая про Гейма, Новосёлова и графен, нельзя не вспомнить их коллегу физика Сергея Дубоноса. Он работал в группе Гейма, защитил кандидатскую диссертацию, но главное — лучше всех и даже первым сумел отшелушить графен от графита. А потом бросил физику и уехал в Заокский район Тульской области, начал выращивать коз и ныне совершенно счастлив. Лучший друг Гейм звал его в Стокгольм на церемонию вручения премии, но Сергей Дубонос хотел поехать с детьми — им это было бы интересно, а ему не очень. Но столько билетов на церемонию не было, вот он и остался у себя на ферме. И собирается выучиться на краснодеревщика.

А Гейм и Новосёлов уехали за границу, работают в одном из крупных научных центров Великобритании. Ну что ж, это нормально, ученый и должен жить там, где ему предоставляются наилучшие условия для работы. И это далеко не первый случай. Кстати, касающийся именно Великобритании. Речь идет о великом русском химике Владимире Николаевиче Ипатьеве и «битве за Англию». Об этом — в главе 11, а сейчас расскажем о химике, который первым сообразил, как именно образуются цепочки углерода, как устроены органические вещества и почему вещества с одним и тем же количеством атомов, и не только углерода, проявляют разные, часто даже абсолютно разные свойства.

Структура Бутлерова

Александр Михайлович Бутлеров родился в 1828 году, учился в Казанском университете, после отъезда Карла Клауса в город Дерпт (о Карле Карловиче — в главе 14) возглавил преподавательский корпус химии в Казанском университете и в 1861 году впервые огласил на Съезде немецких естествоиспытателей и врачей свою теорию строения органических соединений. Сейчас ее положения показались бы очевидными, однако, как ни странно, до Бутлерова ученых как-то мало занимал хорошо известный сегодня факт, что химические и физические свойства любого индивидуального вещества зависят не только от его состава, то есть количества тех или иных атомов, но и от того, в каком порядке «собрана» молекула вещества из этих атомов, — то есть от строения молекулы. А как же иначе, спросите вы? А вот так: до Бутлерова вещество (точнее, молекулу вещества) считали этаким мешком, в который насыпали столько-то атомов углерода, столько-то азота, столько-то кислорода и так далее. Мешок потрясли и получили вещество.

Хотя само явление изомерии было обнаружено еще Юстасом Либихом в 1823 году, но не в случае органических веществ, а при изучении серебряных солей гремучей и изоциановой кислот. Либих сумел выяснить, что гремучее серебро Ag-O-N=C (или фульминат серебра) и изоцианат серебра Ag-N=C=O имеют одинаковый состав и совершенно различные свойства. Правда, написать формулы таким образом он не мог, в те времена еще не существовало методов установления химического строения, да не было и самих формул с использованием «черточек», обозначающих химические связи. Просто Либих получил гремучее серебро и изоцианат серебра в результате реакций с использованием различных соединений, но выделил два продукта одинакового, как теперь говорят, брутто-состава. Через несколько лет после Либиха сам великий Берцелиус ввел понятие изомерии (от греческого слова, означающего «равнодольные»).

И только Бутлеров сумел разобраться в этом вопросе и объяснил явление изомерии, пояснить которое проще всего на примере углеводорода бутана.

Углеводороды, соединения только атомов углерода и водорода, имеют главную и побочную цепь связанных между собой атомов углерода начиная от простейшего метана СН₄. Затем следует этан С₂Н₆, за ним пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀ и так далее, вплоть до углеводородов с числом атомов углерода 100 и более. Да, кстати, здесь речь идет о предельных углеводородах, в которых все связи углерод-углерод одинарные. Так вот, формулу пропана можно записать только так: СН₃-СН₂-СН₃, у пропана изомеров нет. А вот у бутана C₄H₁₀ уже два изомера: СН₃-СН₂-СН₂-СН₃ (линейный изомер) и СН₃-СН₂(СН₃) — СН₃. Скобка означает, что метильная группа СН3, как ветка у дерева, направлена в сторону от главной цепи — это разветвленный изомер. То есть изомеры имеют одинаковый состав, но разное строение и соответственно разные химические и физические свойства. Например, тот же линейный изомер бутана (нормальный, н-бутан) имеет температуру плавления -138 °C, а его изомер изо-бутан плавится при -160 °C.

Лучшим доказательством справедливости любой теории, хоть химической, хоть в области общественных явлений, является правильное предсказание. Справедливость структурной теории Бутлерова была доказана еще им самим, когда он предсказал существование четырех различных изомеров бутилового спирта (бутанола), различающихся по своим физическим и химическим свойствам. Ко времени создания теории был известен лишь один бутанол: (CH₃)₂CHCH₂OH. А Бутлеров предсказал и написал формулы еще трех бутанолов: CH₃CH₂CH₂CHOH, CH₂CH(CH₃)CHOH и (CH₃)₃COH. Вскоре эти изомеры были синтезированы, и теория блестяще подтвердилась.

Братья цис и транс

Со времен Бутлерова открыт целый ряд других видов изомерии, в частности самая утонченная цис-транс-изомерия. Представим себе молекулу этилена CH₂=CH₂. Теперь по одному атому водорода у каждого из углеродов заместим на какую-нибудь группу, хоть на тот же простейший метил CH₃-. Получим CH₃-CH=CH-CH₃. Эти группы, как и оставшиеся атомы водорода, все лежат в одной плоскости, по оси которой расположена двойная связь. И у метильных групп появляется возможность расположиться либо по одну сторону от этой двойной связи, либо по разные стороны. Если бы связь была одинарная, то никакой разницы не было бы, вокруг этой связи группы CH₃- могут «вращаться» — и мысленно, и на самом деле. Для двойной связи так не проходит, и мы получаем два изомера диметилэтилена. Если по разные стороны — это транс-изомер. Одна из групп как бы переехала (транспортировалась) на другую сторону от двойной связи. «Транс» по-латыни — это «через», «за». Если по одну сторону — это цис-изомер. Приставка «цис-» так и переводится с латыни — «по одну сторону». (Раньше ближневосточная страна Иордания называлась Трансиорданией, то есть «за рекой Иордан». Иорданией эта страна стала называться только после первой войны с Израилем, когда Трансиордания захватила кусок Палестины за рекой Иордан и старое название потеряло смысл. Эти территории, уже не принадлежащие Иордании, называются сейчас Западным берегом реки Иордан или Палестинской автономией, а иногда используется термин Цисиордания.)

Конечно, цис- и транс-изомеры обладают различными свойствами. Иногда эти различия очень велики. Например, природный каучук из млечного сока дерева гевеи представляет собой цис-полимер вещества изопрена CH₂=C(CH₃)-CH₂=CH₂, трансполимер в этом соке полностью отсутствует. И этот цис-полиизопрен является самым лучшим материалом для изготовления резины, идущей на автопокрышки. Разумеется, химики постарались синтезировать каучук, чтобы не зависеть от капризной гевеи, но очень долго не удавалось подобрать такие условия и катализаторы, чтобы получался только цис-изо-мер, обычно на выходе имели смесь двух изомеров. Сейчас стереорегулярный, то есть состоящий почти полностью из цис-изомера, каучук делать научились, но это все еще дорогое и трудное предприятие. Вот почему в Малайзии, Индонезии и Вьетнаме под плантации гевеи продолжают вырубать уникальные дождевые леса.

Еще одно отличие между цис- и транс-изомерами — это их различное поведение в человеческом организме. Еще совсем недавно самым страшным врагом рода человеческого считалось сливочное масло, «от которого холестерин». Это правда, в сливочном масле немало этого вещества, оно откладывается на стенках наших сосудов и может их закупорить, образовать тромб и так далее. Альтернативой считалось растительное масло, в котором холестерина нет, и маргарин, в котором холестерина тоже нет, да к тому же твердый маргарин удобен для готовки и намазывания на хлеб. Однако лет десять назад выяснилось, что маргарин-то пострашнее сливочного масла будет — в нем обнаружились трансжиры! Собственно, никто в этом и не сомневался, но на эти изомеры ранее внимания не обращали.

Жиры — это сложные эфиры глицерина и карбоновых кислот. А карбоновые кислоты могут быть либо только с одинарными связями углерод-углерод, либо и с двойными связями, причем такие жиры считаются полезнее. Однако лишь в том случае, если они представлены цис-изомерами. Жиры с транс-изомерами карбоновых кислот, которые для краткости так и называют трансжирами, оказались довольно вредными. Выяснилось, что любители маргарина более склонны к развитию стенокардии, инфаркта миокарда, аритмии и сердечной недостаточности. Теперь за границей требуют указывать на этикетках маргаринов, есть ли в них трансжиры, и если есть, то сколько.

Вот еще один пример различия свойств цис-и транс-изомеров, причем особенно важный для любителей анисовки — содержащих алкоголь напитков типа французского «Перно», греческого «Узо» и болгарской «Мастики». В этих анисовках содержится эфирное масло семени аниса, на 90 % состоящее из вещества анетола. У анетола есть и цис-, и транс-изомер, причем транс-анетол является широко распространенным ароматизатором и совершенно не ядовит, а цис-анетол очень токсичен. К счастью, цис-анетола в эфирном масле очень немного и при умеренном употреблении анисовки никакого отравления не происходит. Однако при длительном хранении напитка, особенно на свету, доля цис-анетола возрастает и этой анисовкой можно отравиться. Именно поэтому содержащие анетол напитки разливают в бутылки из темного, обычно зеленого или синего, стекла.

Звезда полынь

Впрочем, отравиться можно и вполне свежим «Перно». Кроме анетола, в «Перно» ранее содержался экстракт горькой полыни и напиток относился к группе абсентов (латинское название полыни — absinthium). Полынь — растение знаменитое. О нем даже в Священном Писании говорится: «Третий ангел вострубил, и упала с неба большая звезда, горящая подобно светильнику, и пала на третью часть рек и на источники вод. Имя сей звезде полынь, и третья часть вод сделалась полынью, и многие люди умерли от вод, потому что они стали горьки» (Откровение Иоанна Богослова).

Из эфирного масла экстракта полыни выделено вещество туйон, как считается вызывающее галлюцинации, что не доказано, и состояние измененной реальности, что уже совершенно точно известно. Лучшим свидетельством этого является известная картина Пикассо «Любительница абсента» с изображенной на ней дамочкой явно не в себе. Абсентом особенно увлекались во Франции в начале прошлого века, и существует даже предположение, что именно под воздействием абсента возникло «упадочное искусство» — декаданс. Сейчас туйон научились из абсента извлекать, и этот напиток снова входит в моду. Существует даже изящный способ употребления напитков с эфирными маслами, не только «Перно», но и других, содержащих прежде всего анисовое масло. В неразбавленном состоянии эти напитки совершенно прозрачны, поскольку нерастворимое в воде эфирное масло растворяется в спирте и его крепких растворах (в данном случае 40°). Но если разбавить «Узо» водой раза в три-четыре, концентрация спирта падает, и в таком слабом водно-спиртовом растворе анисовое масло раствориться уже не может. В результате высвобождаются мельчайшие капельки масла, равномерно распределенные в стакане разбавленного напитка. Эту молочно-белую эмульсию крепостью градусов десять и пьют, а сам эффект помутнения раствора вызывает большой интерес у окружающих.

Изомерия в зазеркалье

Кроме цис- и транс-, был обнаружен еще один элегантный вид изомерии — хиральность (от древнегреческого «хейрос» — рука). Обнаруженная еще в середине XIX века, эта изомерия тоже связана с пространственным расположением одних частей молекулы относительно других, но особым образом. Хиральность — это когда отражение предмета в зеркале не совпадает с ним самим. Правая рука в зеркале становится левой. Или другой пример:

Левая и правая перчатки — классический пример хиральности, которая как раз и основана на том, что ничего у героини Анны Андреевны Ахматовой выйти не могло, эти перчатки в принципе не совмещаются. То есть кое-как натянуть-то можно, но правой руке будет очень неудобно. Не этим ли объясняется волнение героини, а вовсе не расставанием с любимым, как принято думать? Не перепутаны ли причина и следствие?

Почти все биологические молекулы хиральны, поэтому при синтезе, например, лекарств это приходится учитывать. Различные клетки человеческого организма могут взаимодействовать только с «правыми» или «левыми» молекулами лекарства, а молекула противоположной хиральности может оказаться даже ядовитой. Так произошло с известным лекарством талидомидом, которое в 1960-е годы прописывали беременным в качестве успокаивающего средства. Тератогенность (от греческого «тератос» — уродство) талидомида привела к появлению приблизительно 10 тысяч детей с врожденными уродствами — без ручек, или без ножек, или с исковерканными конечностями. Тератогенен лишь один из изомеров талидомида, но этого оказалось достаточно, чтобы множество людей стали несчастными.

Критические различия в свойствах веществ одинакового химического состава и лишь с небольшими различиями в строении молекул являются одним из удивительных свидетельств могущества Природы, а обнаружение этих различий — могущества химической науки. Знание свойств изомеров позволяет целенаправленно получать более интересные с какой-либо точки зрения продукты. Например, октановое число углеводородов с разветвленной углеродной цепочкой обычно выше, чем у линейных углеводородов, и в нефтехимической промышленности проводят изомеризацию получаемых из нефти алканов (углеводородов только с одинарными связями) в изоалканы. Открытый Карозерсом (см. главу 15) капрон можно получить только из капролактама, который синтезируют из его изомера циклогексаноноксима.

Обычный белый сахар, или сахароза C₁₂H₂₂O₁₁, представляет собой соединенные химической связью два изомерных моносахарида — глюкозу и фруктозу, и при пищеварении на эти два вещества сахар сначала и распадается. Глюкоза C₆H₁₂O₆ является источником энергии для функционирования организма человека и при этом опасна для больных диабетом, у которых заторможена или вообще отсутствует активность фермента инсулина. В то же время ее изомер фруктоза с той же брутто-формулой C₆H₁₂O₆, обусловливающая сладость множества ягод и фруктов, диабетикам ничем не угрожает, для ее переработки инсулин не требуется. Кроме того, фруктоза почти в два раза слаще сахара, и соответственно для подслащивания чая или компота ее требуется значительно меньше. Для многих, к сожалению, очень многих жителей нашей страны особенно важно еще одно свойство фруктозы: она ускоряет перерабатывание алкоголя и превращение вреднейшего уксусного альдегида в безвредную уксусную кислоту CH₃COOH. Уксусный альдегид CH₃COH — вещество, образующееся при распаде этилового спирта C₂H₅OH и вызывающее тяжелое состояние похмелья.

Препараты с фруктозой против этого синдрома уже производятся, а про другие вещества, используемые вместо сахара, рассказано в следующей главе. А заодно и про вещества «наоборот» — горькие и жгучие.