Заглянем в химическую лабораторию?

ЗАГЛЯНЕМ В ХИМИЧЕСКУЮ ЛАБОРАТОРИЮ?

С чего начать выбор профессии? Надо как можно больше узнать о ней! Для тех, кто планирует связать свое будущее с металлургией, материаловедением, экологией, нанотехнологиями и всех, кто интересуется химией, в национальном исследовательском технологическом университете «Московский государственный институт стали и сплавов» МИСиС работает научно-образовательный лицей инновационных технологий. Одно из главных направлений его деятельности ‑ организация экскурсий по кафедрам и лабораториям вуза, проведение научно-образовательных семинаров, встреч школьников с учеными и преподавателями МИСиС. Хотите узнать, как проходят такие семинары?

Читайте наш репортаж!

Сегодня мы предлагаем вашему вниманию «отчет» о посещении Ирой и Димой – учащимися лицея инновационных технологий, одиннадцатиклассниками одной из подмосковных школ – современной химической лаборатории, в которой не только проходят занятия, но и проводится научная работа. Экскурсию проводят преподаватели кафедры общей и неорганической химии НИТУ «МИСиС» Станислав Юрьевич Богословский и Светлана Владленовна Стаханова.

С. В.: Здравствуйте, ребята! Расскажите, пожалуйста, какие школьные предметы вам нравятся, какую профессию думаете выбрать?

Ира: Если честно, одного-единственного любимого предмета у меня нет. Я углубленно изучаю химию и биологию, поскольку они связаны с моей будущей профессией. Мне хотелось бы заниматься лекарствами, но не продавать их в аптеке, а находить, разрабатывать новые средства. Я знаю, как горько, когда близкие болеют, поэтому очень надеюсь, что смогу получить новые препараты, благодаря которым люди будут жить долго-долго... Вы сможете рассказать немного о том, как это делают?

С. В.: С удовольствием. Дима, а ты что скажешь?

Дима: А я как раз очень увлечен химией. В 8-9 классах мне нравилось находить в литературе описания занимательных экспериментов, самому их проделывать по мере возможности в школьной лаборатории. Время от времени читал учебники, по которым мои родители учились в институте (они у меня металлурги). Надеюсь, кое-какой багаж химических знаний накоплен.

С. В.: А сейчас интерес к химии у тебя не угас?

Дима: Нет, не угас, но он перешел больше в теоретическую плоскость. Я размышляю сейчас над выбором профессии. Мне, конечно, хочется, чтобы она была связана с моим любимым предметом, но с другой стороны, химических веществ уже получили и применяют столько, что иногда начинает оборачиваться во вред человечеству. Я прекрасно понимаю, что в современном мире без химии не обойтись, поэтому надо знать, как правильно использовать ее достижения, и объяснять это людям. Так что пока склоняюсь к тому, чтобы стать инженером-экологом.

С. В.: Ребята, по роду деятельности вам придется сталкиваться с работой в химической лаборатории. Нужно будет контролировать качество лекарственных препаратов, определять состав и количества загрязняющих веществ в объектах окружающей среды. Например, бывает необходимо измерить концентрации угарного газа и оксидов азота в воздухе на оживленном перекрестке, тяжелых металлов, органических веществ в речной воде. Интересно, вы представляете себе, как это делают?

Ира: Может быть, как-то с помощью качественных реакций? А еще мне почему-то кажется, что можно посмотреть в специальный микроскоп, и там все видно.

Дима: Я знаю, что сейчас исследования проводят с помощью какого-то специального сложного научного оборудования. Я видел в некоторых фильмах, что в прибор просто вводят пробу, а через некоторое время на экране компьютера появляется формула вещества. Но, думаю, реально все сложнее…

С. В.: Вы оба во многом правы. Действительно, с помощью качественных реакций нередко можно быстро и надежно, без лишних затрат установить наличие в пробе того или иного катиона или аниона, функциональной группы, можно даже приблизительно оценить их концентрацию. Для неорганических веществ такие методы хорошо разработаны.

Но как быть, если исследуемого вещества очень мало, буквально капелька? Тогда изменение окраски, которое обычно наблюдают в ходе качественной реакции, просто невозможно заметить. Или в образце содержится сразу несколько веществ? Тут действительно на помощь приходит использование специальных довольно сложных приборов, или как говорят химики, инструментальные методы. Часто в их основе лежат даже не химические, а физические явления. Для решения простых задач бывает достаточно одного эксперимента, а если проблема сложнее, то используют сразу несколько дополняющих друг друга методов: различные виды хроматографии, спектроскопии, рентгеновского анализа и т. д.

Впрочем, не все сразу. Давайте зайдем в современную хорошо оснащенную лабораторию и познакомимся с работой пока только одного вида «умных» приборов – хроматографов.

С. Ю.: Добрый день, ребята, проходите. Вы уже слышали что-нибудь о хроматографии?

Ира: Нет, но слово красивое!

Дима: По-моему, я видел, как делают хроматографию, на видеоролике. Там черным фломастером проводили линию внизу фильтровальной бумаги, потом нижний ее край опускали в растворитель, он поднимался по бумаге и как бы «растягивал» след от фломастера. В результате чернила, которые на первый взгляд просто черные, разделялись на несколько отдельных разноцветных пятен. Мне кажется, что получалось даже красное пятно.

С. Ю.: Совершенно верно, Дима, ты правильно вспомнил. Суть хроматографии именно в разделении смеси на отдельные компоненты, а в черных чернилах для фломастеров, как правило, и смешаны несколько красителей. Хроматографию используют и для получения достаточно больших количеств веществ в чистом виде (такую хроматографию называют препаративной), и в том случае, если хотят только проанализировать состав смеси (это ‑ аналитическая хроматография). Тот ее вид, о котором ты сейчас рассказал, называется тонкослойной хроматографией.

Замечательно, что история хроматографии началась с открытия нашего с вами соотечественника – русского биолога Михаила Семеновича Цвета. Как часто бывает в науке, Михаил Семенович этого открытия не планировал, а хотел узнать, что собою представляет зеленый пигмент растений.

Ира: Хлорофилл?

С. Ю.: Да, теперь-то мы знаем, что это хлорофилл, точнее хлорофиллы a и b, а тогда стояла задача для начала выделить их в чистом виде из экстракта листьев, а потом уже исследовать.

Михаил Семенович наполнил порошком мела стеклянную трубку, налил сверху немного спиртового экстракта листьев крапивы (который, как и сами листья, зеленого цвета), и стал пропускать сквозь слой мела спирт, постоянно доливая его сверху в трубку. Двигаясь вслед за потоком спирта по колонке, зеленое пятно, образованное экстрактом, постепенно расслоилось на несколько расположенных друг под другом колец: желто-зеленых, сине-зеленых и даже оранжевых! Стало ясно, что зеленый пигмент состоит не из одного вещества, а из нескольких. Так в 1901 году состоялось открытие не только хлорофиллов a и b, но и нового метода, которому дал название «хроматография» (от греческих корней «хромос» - цвет и «графо» - писать).[*]

Примерно тридцать лет о методе Цвета почти не вспоминали, но затем в мире начался настоящий хроматографический бум! Пожалуй, самые главные открытия, которые обязаны своим появлением на свет хроматографии, сделаны в области биохимии – это определение состава белков, ДНК и РНК, выделение и очистка витаминов, гормонов, антибиотиков, и многое другое. Сегодня вряд ли можно найти химическую лабораторию, где не применялась бы та или иная разновидность этого метода. Например, у нас в лаборатории даже два хроматографа: газовый и жидкостной.

А теперь взгляните на приборы. Вот это – газовый хроматограф (рис. 1).

Ира: С первого взгляда совершенно непонятно, как он работает…

С. Ю.: Принцип работы всех хроматографов примерно одинаков. «Сердце» любого хроматографа – хроматографическая колонка. Помните, у Цвета это была просто стеклянная трубка, заполненная порошком мела. А в нашем приборе колонка тонюсенькая, зато очень длинная – целых пять метров! Она аккуратно свернута в одном из блоков хроматографа. Внутри ее, конечно, не мел, а специальный высокопористый наполнитель.

То, что происходит в колонке, проще всего понять по аналогии. Каждую осень на юг отправляются стаи перелётных птиц, одни из них - прекрасные летуны и преодолевают сотни километров без отдыха, другие устают быстрее и потому вынуждены чаще отдыхать. Есть и третьи, которые движутся короткими перелётами, проводя основное время на земле… Конечно, быстрее всех до места зимовки доберутся первые;

Рисунок 1. Газовый хроматограф

а последними прилетят те, которые больше всего времени отдыхали на земле.

Так же и химические вещества различаются по своей летучести. Одни испаряются легче, другие – труднее. Когда смесь веществ, называемую «пробой», вводят в хроматограф, они отправляются в путешествие через колонку. Химики говорят, что внутри колонки есть две различные среды или фазы. Наполнитель – это неподвижная фаза (как поверхность Земли). А подвижная фаза в нашем хроматографе газ (азот или гелий), который движется сквозь колонку, как ветер сквозь горное ущелье. Самые летучие вещества пролетают сквозь колонку первыми, менее летучие вторыми и так далее. Таким образом, смесь разделяется, и каждое из веществ выходит из колонки через строго определенный промежуток времени.

Дима: А как можно заметить, что вещество вышло из колонки?

С. Ю.: Объем пробы, (а, значит, и количества веществ, находящихся в ней!) в современном хроматографе настолько мал, что заметить вещество на выходе из колонки можно только с помощью специального устройства, называемого детектором. Их придумано довольно много. В газовой хроматографии наиболее распространён пламенно-ионизационный детектор: между двумя электродами горит водородное пламя, электрическое сопротивление которого постоянно измеряют. Когда в пламя попадают примеси, электропроводность резко меняется, и компьютер фиксирует выход одного из веществ в виде хроматографического пика.

Ира: Удивительно, как с помощью пламени можно распознать вещество, ведь оно, наверное, сгорает?

С. Ю.: Да, Ира, ты права – водородное пламя очень горячее и органические соединения в нём действительно сгорают. Но в данном случае нам не важно, что останется от вещества, главное ‑ зафиксировать время, через которое оно выходит из колонки (это время называют временем удерживания). Единственный недостаток пламенно-ионизационного детектора – он не любит обычную воду. Ведь большое количество воды в пробе может потушить пламя!

Сигналы, поступающие с детектора, компьютер обрабатывает с помощью специальных программ и выводит на экран изображение – хроматограмму (рис. 2).

Рисунок 2. Принципиальная схема хроматографа

Хотите посмотреть, как выглядит хроматограмма? (Станислав Юрьевич достает из папки лист бумаги с напечатанной на ней кривой). Видите, это что-то вроде графика, состоящего из отдельных пиков. По оси абсцисс откладывают время в минутах. Координаты верхушки пика и есть время удерживания вещества. Каждому пику соответствует одно вещество. Значит, чем больше веществ было в смеси, тем больше пиков на хроматограмме. Недавно наши коллеги сделали анализ пробы воздуха в литейном цехе одного из металлургических предприятий, и получили вот такой результат (рис. 3). Смотрите, в воздухе этого цеха находятся и этан, и стирол, и даже немного гексахлорбензола – очень ядовитого органического вещества...

Рисунок 3. Хроматограмма пробы воздуха металлургического цеха

Дима: А откуда там органические вещества? Я вижу еще пик этилена...

С. Ю.: На этом предприятии внедрили новую технологию литья – стали добавлять в формовочную смесь временные полимерные связующие. При литье достигается высокая температура, и полимер, разрушаясь, загрязняет воздух вредными примесями.

Ира: Получается, надо возвращаться к старой технологии?

С. Ю.: Совсем не обязательно. Специалисты-экологи нашего университета помогли наладить в цехе систему вентиляции, после чего на хроматограмме пики, соответствующие вредным примесям, почти исчезли. Значит, воздух стал чистым, пригодным для дыхания.

Так что, Дима, современный инженер-эколог может не только констатировать, что в воде или воздухе содержатся вредные вещества, но и знает, как предотвратить загрязнение. Для этого ему необходимо разбираться в технологии производства. В МИСиС профессионалов в этой области готовят в институте металлургии, экологии и качества, специальность называется «инженерная защита окружающей среды».

Ира: А можно провести анализ воздуха в этой лаборатории?

С. Ю.: Пожалуйста. Поскольку примесей в воздухе очень мало, их необходимо сначала сконцентрировать. Видите, мы включаем насос и начинаем прокачивать воздух через охлаждённую концентрирующую колонку. Потом повышаем её температуру и вводим пробу в разделительную колонку…. Смотрите на экран!

Ира: Ой, появился первый пик, а за ним ещё и ещё! (На мониторе появляется кривая, рис. 4).

Рисунок 4. Хроматограмма воздуха лаборатории

С. Ю.: Первым вышел из колонки пик воздуха. В условиях нашего эксперимента газы, входящие в его состав, не разделяются и фиксируется одновременно. Сразу за ним виден пик, повёрнутый в обратную сторону – это водяной пар. Теперь программа определит, каким веществам соответствуют остальные пики. Ну вот, с вероятностью около 90 % это циклогексан и бензол. Я так и думал, утром студенты использовали эти растворители при выполнении лабораторной работы.

Дима: Насколько я знаю, бензол довольно сильно пахнет, а я никакого запаха не чувствую…

С. Ю.: Разумеется! Дело в том, что наш прибор настолько чувствителен, что определяет вещества даже при таких низких концентрациях, при которых человек еще не ощущает их запаха. За это газовый хроматограф иногда называют «химическим носом». Не даром этот прибор так любят использовать криминалисты: если есть основания подозревать, что в каком-нибудь помещении хранили, скажем, взрывчатые вещества или наркотики, то установить это можно совершенно точно, сделав анализ пробы воздуха, взятой в том самом помещении. Причем хроматограф справится с задачей, даже если помещение уже неделю, а то и месяц пустует…

Ира: Поразительно! А сейчас в лаборатории не вредно находиться, ведь в воздухе бензол?

С. Ю.: Давай проверим. Хроматограф не только обнаруживает вещества, но и дает информацию об их количестве: чем больше площадь, ограниченная пиком, соответствующим веществу, тем больше его концентрация в пробе. Посмотри на хроматограмму – самый высокий пик – это пик воздуха. Да он еще и не весь поместился, видишь, обрезан сверху? А пики бензола и циклогексана совсем небольшие. Концентрацию бензола сейчас посчитаем… Ага, около 1 мг/м3, это примерно в 20 раз ниже допустимой нормы, так что все в порядке.

Дима: А как все-таки программа распознает, что на хроматограмме пики соответствуют именно бензолу и циклогексану?

С. Ю.: Иногда, как в нашем случае, бывает достаточно знать только время выхода вещества из колонки. В более сложных ситуациях для того, чтобы понять «кто есть кто» на хроматограмме, применяют не пламенно-ионизационный, а более совершенные, дающие подробную информацию о веществе, детекторы. В современных приборах в качестве такого детектора используют масс-спектрометр, который определяет молекулярную массу и самого вещества, и его фрагментов, образующихся при разложении. Так вот, в памяти компьютера нашего хроматографа хранится библиотека масс-спектров примерно для ста тысяч веществ, программе остается только сверить полученный спектр с эталонным и выдать свое заключение.

Если же вещество не удается распознать с помощью масс-спектрометра, его выделяют и применяют для исследования другие методы, чаще всего, различные виды спектроскопии и рентгеновского анализа.

Ира: А в фармакологии хроматография применяется?

С. В.: Очень активно! Причем и тогда, когда контролируют качество уже выпущенного лекарства, но еще чаще тогда, когда ищут новые лекарственные средства. Если причина заболевания на биохимическом, молекулярном уровне известна, то можно примерно предсказать структурную формулу потенциального лекарства. В таком случае синтезируют нужные вещества и проверяют их на биологическую активность.

Но все-таки до сих пор механизмы возникновения очень многих заболеваний понятны не до конца. Вот почему поиск лекарств проводят еще и «вслепую», испытывая биоактивность всех веществ подряд. Этот способ предложил еще в 1907 году Пауль Эрлих. Сначала, в 30-40-х годах прошлого столетия, изучали относительно несложные вещества, как природного происхождения, так и те, которые к тому времени умели синтезировать. Так была открыта, например, антибактериальная активность бриллиантового зеленого красителя – хорошо знакомой нам «зеленки» (рис. 5), а также многих широко применяющихся сейчас препаратов.

Рисунок 5. Структурная формула «зеленки» - бриллиантового зеленого красителя

Постепенно в природных объектах – частях растений, тканях животных – находили вещества все более сложной природы. И вот в 1969 году исследователи обнаружили, что экстракт коры одного из видов североамериканского тиса обладает великолепной противораковой активностью. Но в экстракте содержится обычно несколько десятков органических веществ. Какое же из них потенциальное лекарство? Несколько лет это вещество не удавалось обнаружить из-за слишком низкой концентрации (сейчас известно, что его содержание в коре тиса менее одной тысячной процента). В 70-х годах активный компонент стали искать целенаправленно: заготовили 1200 кг коры (представляете, сколько деревьев надо было срубить!), приготовили экстракт. Вот тут и пришла на помощь препаративная жидкостная хроматография. С ее помощью выделили 10 г вещества, которому дали название «таксол». Вот его формула (рис. 6).

. Рисунок 6. Структурная формула таксола

Ира: Какая сложная формула! Бензольные кольца я здесь узнаю, вижу гидроксильные группы, амидные, сложноэфирные… Это что, сразу и спирт и сложный эфир?

С. В.: Да, но не только. Посмотри внимательно, видишь карбонильную группу? А справа внизу в четырехчленном цикле атом кислорода – это значит, что наше соединение еще и циклический простой эфир. Такие соединения, в состав которых входит сразу несколько функциональных групп, называют гетерофункциональными. Именно они чаще всего и встречаются в природе, и применяются как лекарства.

Ира: А посередине что это за многоугольник, а внутри как будто усики торчат?

С. В.: Это не усики, а атомы углерода. Когда химики изображают формулы таких сложных веществ, символы С и Н не пишут, иначе изображение будет громоздким. Каждая линия, как мы и привыкли, означает связь между атомами углерода. Договорились подразумевать, что в изгибе ломаной линии и в ее конце находится атом углерода с соответствующим количеством атомов водорода, причем если линия обычная, тонкая, то атомы, которые она связывает, находятся почти в плоскости листа. Толстая клиновидная линия означает, что атомы приподняты, а пунктирная - что атомы опускаются вниз за плоскость листа. Значит, «прочитать» эту формулу можно так: в середине находится цикл из 10 атомов углерода, над ним возвышается мостик «с усиками», справа внизу примыкает шестичленное кольцо, а к нему в свою очередь снизу – четырехчленный цикл. И уже к этой всей конструкции прикрепляются разные функциональные группы, причем их расположение в пространстве строго задано: некоторые направлены «вверх», а другие – «вниз».

Дима: Геометрия какая-то!

С. В.: Совершенно верно! В химии есть даже такой специальный и очень важный раздел – стереохимия, который, как понятно из названия, занимается пространственным строением молекул. Так вот, если хотя бы один из заместителей, крепящийся к циклам, окажется направленным «не в ту сторону», то по биологическому действию новое вещество может оказаться совсем не таким, как таксол: быть может, просто бесполезным, а есть вероятность, что и крайне ядовитым. Вот почему изучение таксола было таким сложным и длительным. Но он показал настолько высокую активность против некоторых видов рака, что его назвали «молекулой надежды». Кроме того, удалось установить и механизм противоопухолевого действия таксола: оказалось, что он не был известен раньше.

Ира: Это лекарство уже применяют?

С. В.: Да, уже примерно 15 лет. Но и здесь свои сложности. Дело в том, что таксола в коре тиса содержится так мало, что для одного курса лечения нужно срубить шесть столетних деревьев! На беду, содержащий таксол вид тиса – Taxus brevifolia - очень медленнорастущий... Поэтому пока таксол назначают в самых тяжелых случаях.

Дима: А что, неужели синтезировать таксол нельзя?

С. В.: Конечно, ничего невозможного нет, но все же синтез таксола слишком сложен даже при современном уровне развития органической химии, в первую очередь из-за необходимости соблюсти нужную пространственную ориентацию всех заместителей. В 90-х годах был разработан даже не один, а несколько путей полного синтеза таксола. Но даже самый простой из них включает не менее 35 последовательных стадий, а общий выход продукта – около 1 % от теоретического. Такие методы, конечно, не пригодны для промышленного производства лекарства. Но к счастью, уже совсем недавно с помощью опять-таки жидкостной хроматографии удалось обнаружить структурно похожие вещества в других, быстрорастущих видах тиса (в Канаде, например, уже заложены их плантации). На их основе можно получить полусинтетической таксол.

С. Ю.: А самое главное, в результате сопоставления структуры и биологической активности удалось понять механизм действия нового лекарства. Это значит, со временем можно найти вещества с более простой структурой, обладающие сходным эффектом. Это даже более перспективный путь разработки новых лекарственных препаратов, значит, проблема все-таки будет решена. Может быть, это сумеешь сделать ты, Ира?

С. В.: Жаль, что наша беседа подошла к концу...

Ира: Большое спасибо! Было так интересно! Теперь я начала понимать, как химия может помочь сделать людей более здоровыми...

Дима: А мир – более чистым!

С. Ю.: Что ж, ребята, если вас действительно заинтересовал наш рассказ, значит, вы выбрали профессию по душе.

Удачи!

[*] В 1948 г шведскому ученому А. Тиселиусу, а в 1952 г английским химикам А. Мартину и Р. Сингу были присуждены Нобелевские премии по химии за работы, связанные с использованием и развитием хроматографических методов. К сожалению, закончить работу не удалось: его жизнь трагически оборвалась в годы гражданской войны.