[290]; долгое время их можно было получить только из биологических источников. Каждый раз, когда химики пытались добиться этого в лаборатории, в круглой лабораторной колбе появлялись молекулы и левого, и правого вращения; этим фактом ловко воспользовались в качестве сюжетного хода Дороти Сэйерс и Роберт Юстас в романе «Следственные документы», опубликованном в 1930 году[291].
Однако с 30-х годов мы проделали большую работу, и сегодня химики регулярно получают в лаборатории любой из зеркальных вариантов (или энантиомеров, как мы предпочитаем их называть) большого числа молекул. Это по-прежнему сложная и дорогостоящая задача, особенно для массового производства, поэтому многие из моих друзей, занимающихся органической химией, посвящают свою исследовательскую карьеру тому, чтобы найти новые улучшенные методы ее решения.
К счастью для больных болезнью Паркинсона, проблему с L-допой еще в богатом на важные события 1968 году решил Уильям Ноулз, химик-технолог в американской химической компании Monsanto. Уже тогда было ясно, что эта молекула будет пользоваться большим спросом, гораздо более высоким, чем тот, который в состоянии удовлетворить природные источники, и в 1974 году началось ее промышленное производство. Это произошло через 14 лет после того, как Арвид Карлссон из Университета Гётеборга впервые предложил L-допу в качестве лекарства от болезни Паркинсона.
Я не стану вдаваться в детали работы этих двух джентльменов – она в достаточной мере описана в других источниках, в частности на сайте Фонда Нобеля, так как оба они стали лауреатами Нобелевской премии за исследования L-допы: Карлссон получил премию в 2000 году за достижения в области физиологии или медицины, а Ноулз в 2001 году был награжден премией по химии. Однако важнейшей частью промышленного способа производства L-допы является катализ с использованием ценного металла родия, а поскольку катализ – центральная концепция современной химии, этот процесс заслуживает дальнейшего рассмотрения.
К настоящему моменту у вас есть хотя бы туманное представление о катализаторах – веществах, которые заставляют химическую реакцию идти гораздо быстрее, не расходуясь при этом в процессе; однако вы, возможно, не осознаете фундаментальной важности, которую это понятие будет иметь для нас в будущем. Если химическая реакция протекает недостаточно быстро, то что нам делать в отсутствие подходящего катализатора? Мы задаем ей взбучку, чаще всего при помощи тепла, и если делать это круглосуточно, то затраты на энергию будут очень высоки. Другая проблема – то, что мы называем выходом реакции и побочными продуктами. Хороший катализатор превращает большее количество реагентов в полезный продукт и производит меньше отходов. Не менее важно и то, что в этом случае будет меньше проблем с отделением полезных веществ от нежелательных молекул, так как в большинстве промышленных химических процессов эта задача требует существенных энергозатрат.
Ноулз и его сотрудники создали родийсодержащую молекулу, в которой одну сторону маленького иона металла прикрывает органическая молекула, использующая для связи с родием фосфор[292]. Эта органическая молекула уже обладает вышеупомянутой хиральностью, и, несмотря на то что реакция протекает на атоме родия, эта хиральность определяет, какая из двух возможных молекул допы образуется. После реакции с участием газообразного водорода и исходного вещества от атома родия отделяется одна молекула L-допы, что позволяет всей структуре из родия и прикрепленной к нему фосфорной органической молекулы вернуться в исходное состояние, а весь процесс может начинаться заново.
Рисунок 49. Вверху: Упрощенная реакционная схема, показывающая превращение ахирального исходного реагента в энантиомерно (оптически) чистый продукт. Эта реакция протекает в несколько стадий, но хиральность создается родиевым катализатором. Внизу: схематическое изображение родиевого катализатора в действии. Жирными линиями показаны те атомы, которые станут молекулой L-допы[293].
У катализатора есть лишь одно важное ограничение: это не философский камень, и поэтому катализ не может нарушать законы термодинамики. Невозможно найти катализатор, который превратит воду и углекислый газ в топливо, потому что, выражаясь языком термодинамики, это реакция с возрастающей энергией. Те реакции, которые мы можем осуществлять на практике, – убывающие с точки зрения свободной энергии Гиббса (с которой мы встречались, когда обсуждали наполеоновские пуговицы), что, заметим, отличается от утверждения о том, что во всех самопроизвольных реакциях выделяется тепло.
Термодинамика, особенно химическая, – весьма увлекательный предмет, но многие студенты считают ее трудной. Мне кажется, отчасти проблема заключается в том, что сначала термодинамика утверждает очевидное, но при этом с большим количеством математических подробностей, и это вгоняет всех в сон; а когда студенты просыпаются, лектор уже добрался до частных производных и символов S, G и μ, и студентам очень трудно наверстать упущенное. Это как если бы кому-то объясняли правила крикета и человек заснул на словах о том, что отбивающий бьет по мячу, а проснулся уже в разгаре игры.
Для меня термодинамика – это здравый смысл сквозь призму математики. Вы вдруг видите вещи гораздо более отчетливо, изучаете прежде скрытые взаимосвязи и приходите к выводам, которых раньше не замечали. Например, начав с известного количества молекул А и В – скажем, углекислого газа и воды, – вы можете подсчитать, сколько C и D – например, октана (углеводородной молекулы в составе бензина) и кислорода – вы можете получить при любой заданной температуре: оказывается, нисколько, потому что энергия Гиббса возрастает в этой реакции при любых условиях. Не повезло: таким простым путем решить проблему глобального потепления не выйдет.
Так что катализаторы не могут изменять закономерности термодинамики, но для химических реакций они играют ту же роль, что масштабные инженерные проекты для Альп: больше не нужно пересекать горные перевалы, чтобы добраться до Средиземного моря, ведь вы можете доехать туда по Симплонскому тоннелю. Катализаторы обеспечивают удобный и кратчайший нисходящий путь в обход того, что химики называют кинетическими барьерами или энергиями активации (см. рисунок 50). Эти препятствия очень похожи на наши собственные активационные барьеры: приятно лежать на диване, но еще приятнее заснуть в кровати, хотя для того, чтобы до нее добраться, требуется определенное усилие.
Рисунок 50. Расчет энергии Гиббса говорит нам, идет ли дорога к пляжу вниз, но не говорит, как туда добраться. Лучшим решением станет путешествие по тоннелю катализа.
Катализ не ограничивается промышленными процессами и тем, что происходит в каталитическом конвертере выхлопных газов в автомобиле. Он протекает с каждым вдохом, который вы делаете. Органические молекулы, такие как углеводы и жиры, предоставляют необходимую нашему телу энергию. Когда они усваиваются, энергия конвертируется в удобную форму, управляющую биохимическими процессами в организме, а углекислый газ и вода выделяются в качестве отходов. Углекислый газ образуется в форме ионов гидрокарбоната (НСО3—), а им нужно присоединить ион Н+ и распасться на воду и газообразный СО2 прежде, чем мы сможем выдохнуть углекислый газ из легких. Вы можете наблюдать эту реакцию, если добавите лимонный сок (будучи кислотным, он предоставит ионы Н+) в газированную воду; и, хотя кажется, будто реакция случается мгновенно – поскольку мы немедленно видим пузырьки СО2, – в биохимическом смысле она слишком медленная, чтобы наше дыхание могло нормально функционировать. В нашем теле есть цинксодержащий фермент под названием карбоангидраза, который катализирует эту реакцию и является одним из самых эффективных среди всех известных нам ферментов.
В общих чертах фермент – это белок, который работает в качестве катализатора, а в мозге есть еще один фермент, который берет молекулы L-допы и превращает их в активный нейромедиатор дофамин, и именно таким образом страдающие от болезни Паркинсона получают некоторое облегчение.
Хотя получение дофамина из L-допы – это реакция с убывающей энергией Гиббса, производство молекул L-допы в организме, возможно, ею не является. Как же с этим справляется наша биохимия? Это один из особых признаков живого организма? Нет, тело объединяет реакции химическим путем; это похоже на то, как не имеющие собственного мотора вагоны присоединяются к локомотиву и получается поезд.
На рисунке 51 расположенный справа маленький поезд может безо всяких усилий ехать вниз, к Пляжу низкоэнергетических продуктов. Однако избыточная энергия просто трансформируется в теплоту, растворившись во Вселенной, и нет способа использовать эту энергию, чтобы сдвинуть расположенный слева поезд, – если только мы не объединим эти реакции химическим путем при помощи какого-либо общего реагента или промежуточного продукта (интермедиата). Это даст нам трос, который потянет поезд из Долины стабильных реагентов на Плоскогорье желаемых молекул.
Рисунок 51. Позволив правому поезду тянуть левый на буксире, мы можем поднять левый поезд на Плоскогорье желаемых молекул, когда правый поезд отправится к Пляжу низкоэнергетических продуктов.
Сегодня химикам многое известно о принципах катализа и о том, как использовать металлы, органические молекулы и ферменты для достижения нужного результата; однако мы также знаем, что требуется еще многое сделать. Возможно, той прекрасной работе, которую выполняет Фонд Майкла Дж. Фокса по исследованию болезни Паркинсона[294][295]