Управление химическими процессами

 

Успехи в развитии современной химии во многом определяются степенью управления химическими превращениями, которые непосредственно зависят от химической реакционной активности реагентов. Повышению степени управления химическими процессами способствует внедрение новых экспериментальных методов химических превращений с применением современных технических средств контроля и анализа сложных молекулярных структур.

В упрощенном понимании химию можно представить как науку о превращениях одного набора химических веществ в другой. Такое превращение (химическая реакция) на молекулярном уровне означает перегруппировку одного набора молекул в другой. Химическая реакция начинается со смешивания реагентов и заканчивается образованием конечных продуктов. В большинстве случаев она включает ряд промежуточных стадий, и для полного понимания механизма реакции нужны сведения о промежуточных молекулах, образующихся на каждой стадии, протекающей, как правило, очень быстро. Если 20–30 лет назад технические средства эксперимента позволяли проследить за промежуточными молекулами с временем жизни около одной миллионной доли секунды, то современные лазерные источники излучения существенно расширили временной диапазон исследований от 10^-6 до 10^-15 с. Сейчас физики умеют получать лазерные импульсы длительностью менее 5 фемтосекунд (1 фс = 10^-15) и уже приближаются к аттосекундам (1 ас = 10^-18 с). За основополагающие работы в области фемтохимии американец египетского происхождения Ахмед Зивейл удостоен Нобелевской премии по химии 1999 г. Свои первые экспериментальные исследования сверхбыстрых реакций, инициируемых лазерным импульсом феттосекундной длительности, он начал в конце 80-х годов с изучения распада молекул цианида йода.

Электромагнитное излучение играет важную роль не только в детальном исследовании промежуточных процессов химических превращений, но и в их инициировании. Например, видимое или ультрафиолетовое излучение, поглощаемое некоторыми молекулами, сообщает им энергию, достаточную для изменения распределения электронной плотности, ослабления химических связей и возникновения новой молекулярной структуры, которую трудно получить в реакциях даже при термическом или другом воздействии.

Приобретенная при поглощении молекулой энергия может высвободиться в виде излучения света, цвет которого часто отличается от цвета поглощенного света. Если излучение происходит быстро – в течение 10^-9–10^-12 с, то оно называется флуоресценцией. Голубой свет, испускаемый бунзеновской газовой горелкой, и северное сияние – это примеры флуоресценции. При медленном процессе излучения света, длящимся от нескольких миллисекунд до нескольких секунд или минут, происходит фосфоресценция (голубое свечение вечером приливов и отливов, свечение циферблатов некоторых марок часов и т.п.).

Применение современной лазерной техники позволяет изучать возбужденное состояние молекул. На определенной длине волны света генерируются строго определенные возбужденные состояния, и при относительно небольшой длительности импульсов можно определить длительность очень быстрых химических процессов, происходящих при флуоресценции. Проанализировав спектр излучаемого света, можно определить скорость таких процессов и распределение энергии в молекулах. Таким образом можно воспроизвести картину электронных состояний молекул.

Лазерное излучение для изучения электронных состояний молекул применялось, например, при облучении бензофенона. Раствор бензофенона при воздействии ультрафиолетового излучения с длиной волны 316 нм испускает свет с двумя длинами волн – 410 и 450 нм, т.е. происходит вторичное излучение с разными длинами волн. Если длительность импульса лазерного излучения равна 10 пс, то на меньшей длине волны – 410 нм вторичное излучение носит характер флуоресценции, а на большей длине волны, соответствующей 450 нм, наблюдается фосфоресценция. Данные наблюдения дают представление о возбужденных состояниях бензофенона и скорости перехода между ними, что весьма важно для понимания сущности природного фотосинтеза – основополагающего процесса растительного мира, воспроизведение которого – давняя мечта ученых-естествоиспытателей.

При смешивании двух газообразных соединений образование продуктов реакции определяется статистической вероятностью, зависящей от энергетического состояния исходных соединений, типов возбуждения и взаимной ориентации молекул при столкновении. Сталкиваются молекулы не только реагирующих соединений, но и каждого из них. Современная вакуумная техника открывает новые возможности для взаимодействия реагирующих соединений при столкновении молекул. В глубоком вакууме, когда длина свободного пробега молекул велика, столкновение молекул может происходить в сравнительно небольшом объеме, составляющем зону пересечения двух молекулярных пучков реагирующих соединений. Молекулярные пучки образуются при пропускании газообразного вещества через узкое сопло, формирующее поток молекул в вакуумной камере со сверхвысоким вакуумом. При пересечении молекулярных пучков возрастает вероятность участия каждой молекулы не более чем в одном столкновении, приводящем к реакции. Это означает, что появляется реальная возможность для изучения тонких деталей химического превращения при единичных столкновениях молекул, что представляется весьма важным средством управления химическими процессами.

Определение характеристик атомных и молекулярных частиц (их структуры и состава) в аналитической химии называют качественным анализом, а измерение их относительного содержания – количественным анализом. Новые методы качественного и количественного анализа основываются на важнейших достижениях различных отраслей естествознания и, в первую очередь, физики. Методы аналитической химии широко применяются во многих отраслях химии, в медицине, сельском хозяйстве, в геологии, экологии и т. п.

Многие методы количественного анализа можно реализовать только после разделения исследуемой сложной смеси на составляющие ее компоненты. Один из универсальных методов разделения – хроматография. Сущность данного метода заключается в том, что различные вещества в жидкой или газообразной фазе обладают разной прочностью связи с поверхностью, с которой они находятся в контакте. С помощью жидкостной хроматографии можно разделить и зафиксировать чрезвычайно малое количество вещества в смеси, составляющее O^-12 г. Хромотографический метод позволяет разделить газообразные смеси, содержащие тысячи компонентов, а также разделить вещества, отличающиеся только изотопным составом.

Для анализа и идентификации структуры сложных молекул, объединяющих большое количество атомов с различными взаимными связями, широко применяются основанные на физических принципах экспериментальные методы ядерного магнитного резонанса, оптической спектроскопии, масс-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, нейтронографии и т. п.

Синтез химических веществ

 

Синтез органических и неорганических соединений

 

В последние десятилетия активизировались исследования на стыке смежных отраслей естествознания – химии металлоорганических и бионеорганических соединений, химии твердого тела, биогеохимии и др. Неорганические элементы и соединения, последнего времени, играют важную роль в живых системах. Живые системы нельзя считать полностью чисто органическими. Они весьма чувствительны к ионам металлов почти всей периодической системы элементов Менделеева. Некоторые ионы принимают участие в таких жизненно важных процессах, как связывание и транспорт кислорода (железо в гемоглобине), поглощение и конверсия солнечной энергии (магний в хлорофилле, марганец в фотосистеме, железо в ферродоксине, медь во фталоцианине), обмен электрическими импульсами между клетками (кальций, калий в нервных клетках), мышечное сокращение (кальций), ферментативный катализ (кобальт в витамине В₁₂) и др.

Важнейший предмет изучения быстро развивающейся неорганической химии биосистем – строение ближайшего и дальнего окружения атомов металлов и его изменение под воздействием кислотных агентов, давления кислорода и других факторов.

Быстро развивается еще одна отрасль – химия элементоорганических соединений. Для исследования сложнейших структур и связей таких соединений применяются новейшие методы спектроскопии и рентгеноструктурного анализа, позволившие открыть большое семейство соединений со сложной структурой. Пример таких соединений – синтезированный ферроцен – вещество, атомы железа которого расположены между двумя плоскими кольцами.

Химики-металлоорганики стремятся создать новые катализаторы для фиксации азота, т. е. для превращения молекулярного азота N₂ в аммиак NH₃ – исходный продукт для производства удобрений. Одно из важных достижений – синтез соединений, способных избирательно взаимодействовать с теми молекулами, которые долгое время считались слишком инертными для химических превращений, но представляли и представляют практический интерес. Например, насыщенные углеводороды относительно инертны, не содержат двойных или тройных углерод-углеродных связей. Недавно синтезированы соединения родия и иридия, содержащие фосфины (PR₃), или карбинилы, и другие соединения, которые способны расщеплять связи С–Н в метане и циклопропане. При сочетании такой важной реакции синтеза с другими видами превращений можно наладить массовое производство насыщенных углеводородов – ценнейшего промышленного сырья. Таким способом можно осуществить прямое превращение метана в метанол – метиловый спирт – важнейшее сырье для производства многих химических веществ.

С участием металлоорганических соединений осуществляются важные промежуточные стадии многих органических реакций. Данные соединения богаты электронами, поэтому в природе они играют роль посредника во многих процессах переноса электронов.

Сравнительно новая отрасль химической науки – химия композиционных структур – позволила синтезировать из двух или более веществ композиты, свойства которых превосходят свойства каждого из них. Например, синтезированы и производятся неметаллические проводники из чередующихся слоев, многослойная керамика для соединения полупроводниковых схем. Другой интересный новый класс материалов – композиты на сверхтонких волокнах. Тонкие волокна толщиной 50–100 нм (тоньше человеческого волоса) существенно изменяют свойства вещества, в котором они равномерно распределены. Одна из главных задач химии композитов – изучение взаимодействия компонентов в таких сложных композиционных системах.

 

Селективный и фотохимический синтез

 

Одна из важнейших задач органической химии – достижение селективности, которая соответствует строго определенным структурным изменениям в молекуле. 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 очень трудоемкого многостадийного синтеза с выходом только 2,4%. Благодаря последним экспериментальным исследованиям адамантан синтезируется в одну стадию и с выходом 75%.

Широкое распространение получила реакция циклоприсоединения с образованием пятичленных циклов, применяющихся для синтеза самых различных 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 основан на действии излучения. После поглощения энергии молекула переходит в возбужденное энергетическое состояние. Химические свойства молекулы существенно зависят от свойств поглощенного света, при котором например, константа диссоциации кислот изменяет на 5–10%, окислительные и восстановительные процессы активизируются и даже химически инертные вещества могут стать реакционноспособными.

В результате фотохимического синтеза получены многие биологически активные соединения, например, алкалоид атизин, несколько антибиотиков, провитамин D 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 Д_з увеличивается вдвое, а при снижении температуры синтеза до 21°С – 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. долл. монензина. Монензин включает 26 атомов углерода, 17 хиральных центров, что означает возможность существования 2¹⁷ различных стереоизомеров. Поэтому для осуществления синтеза монензина необходимы высокостереоселективные реакции. Производство монензина и его структурных аналогов – крупное достижение современного биосинтеза.

Важным средством экспериментального изучения биосинтеза стало применение изотопных меток для обычных элементов, таких как изотопы углерода ¹³С и ¹⁴С, водорода ²Н и ^ЗH, азота ¹⁵N и кислорода ¹⁷О. Природный изотоп в определенном положении молекулы реагента замещают на изотопную метку, и после реакции определяют место расположения данной метки в молекуле продукта реакции. Для чего применяется метод спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Такой метод позволил определить схему биосинтеза сильных ядов, вырабатываемых грибами, которые поражают зерно и другие продовольственные товары.

При исследовании строения биополимеров – гигантских молекул белков и 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 Y-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.

 

Современный катализ

 

Общие сведения

 

Катализ – ускорение химической реакции в присутствии веществ – катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав конечных продуктов. Благодаря катализу повышается скорость реакций даже при небольших температурах, активизируется образование только определенных продуктов из ряда возможных. Катализ – основа многих химико-технологических процессов, например, производства серной кислоты, некоторых полимеров, аммиака и др. Большинство превращений, происходящих в живых организмах, также являются каталитическими (ферментативными).

Хорошо известна реакция между кислородом и водородом, приводящая к образованию воды:

 

2H₂ + O₂ → 2H₂O

 

Смесь двух объемов газообразного водорода и одного объема кислорода, называемая гремучим газом, способна реагировать со взрывом и выделением, большого количества тепла. Однако реакция протекает настолько медленно, что даже после продолжительной выдержки данной смеси вряд ли удастся обнаружить хоть какое-нибудь количество воды. Скорость реакции существенно повышается при нагревании реакционной смеси или при воздействии на нее электромагнитного излучения. Аналогичное действие оказывает и введение катализатора, который помогает преодолеть энергетический барьер, препятствующий началу реакции.

Некоторые промышленные химические процессы проводятся в газовой форме при наличии твердых катализаторов. Однако на практике чаще всего осуществляются жидкофазные каталитические процессы. В последние десятилетия не менее 20% всей промышленной химической продукции производят каталитическим способом.

К довольно эффективным катализаторам относятся ионообменные смолы, металлоорганические соединения, мембранные катализаторы. Каталитическим свойством обладают многие химические элементы периодической системы Менделеева, среди которых важнейшую роль играют металлы платиновой группы и редкоземельные металлы.

Некоторые катализаторы позволяют уменьшить в химических превращениях не только температуру, но и давление. Например, разработанный в нашей стране катализатор дал возможность синтезировать метанол при давлении 50 атм. и температуре 260–290° С, в то время как раньше такой синтез проводился при давлении до 1000 атм. и температуре 300–400°С.

Ряд катализаторов существенно ускоряет химические реакции. С участием катализатора скорость некоторых реакций увеличивается в 10 млрд. раз. Селективные катализаторы оказывают такое же сильное влияние, но лишь на одну из многих конкурирующих реакций. Стереоселективные катализаторы позволяют не просто контролировать состав конечного продукта, но и способствуют образованию молекул определенной формы и зачастую сильно влияют на физические свойства продукта, такие как прочность, твердость, пластичность, а также на активность биологических объектов.

Каталитические процессы можно классифицировать с учетом их физической и химической природы. Различают несколько основных видов катализа: гетерогенный и гомогенный, электрокатализ, фотокатализ и ферментативный катализ. В гетерогенном катализе химическая реакция происходит в поверхностных слоях на границе раздела твердого тела и газообразной или жидкой смеси реагентов. При гомогенном катализе исходные реагенты находятся в одной фазе (газовой или жидкой). В электрокатализе реакция протекает на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока. В нем в отличие от гетерогенного катализа возможно управление химическим процессом при изменении электрического тока. При фотокатализе химическая реакция стимулируется энергией поглощенного излучения, и она может происходить на поверхности твердого тела (в том числе и на поверхности электрода) или в жидком растворе. Процесс с участием ферментов называется ферментативным катализом. Ему присущи свойства как гетерогенного, так и гомогенного катализа. Ферменты – это большие белковые структуры, способные удерживать молекулы реагента в ждущем состоянии до начала реакции. Фермент, кроме того, собирает подходящее химическое окружение, катализирующее нужную реакцию по прибытии партнера.

 

Гетерогенный катализ

 

Одна из важных задач гетерогенного катализа – увеличение эффективной поверхности катализатора. Удельная поверхность катализаторов, применяемых в промышленности, составляют около 150 м²/г. Некоторые катализаторы на основе активированного угля или молекулярных сит имеют удельную поверхность до 1000 м²/г. Кроме большой активной поверхности, катализаторы должны иметь небольшую массу, высокую прочность и обтекаемость. Совокупностью таких свойств обладают перспективные катализаторы – искусственные цеолиты (молекулярные сита) и пористая керамика.

Гетерогенный катализ известен давно – еще со времен шведского химика И.Я. Берцелиуса (1799–1848), но только недавно – примерно 20 лет назад – уникальные методы и приборы открыли путь для экспериментального исследования химических явлений на поверхности. В результате гетерогенного катализа получается из элементных азота и водорода аммиак NH₃ – важнейший компонент удобрений. При повышенной температуре N₂ и Н₂ могут реагировать с образованием NH₃ на совершенных кристаллах железного катализатора. Грань кристалла железа (111) примерно в 430 раз активнее, чем грань (110) и в 13 раз активнее, чем грань (100). Синтез аммиака – один из первых каталитических процессов, внедренный в крупное промышленное производство. Обычно катализатором для такого синтеза служат мелкие частицы железа – тонко-дисперсное железо, осажденное на оксиде алюминия с добавкой оксида калия. Синтез происходит при 500° С. В последнее время проводится поиск катализатора, который позволил бы снизить температуру синтеза.

К настоящему времени освоены многие новые каталитические процессы для промышленного производства ценных продуктов (табл. 6.1).

 

Таблица 6.1.

Сырье	Катализатор	Продукт	Производимые материалы
Этилен	Серебро, хлорид цезия	Этиленоксид	Полиэфиры, текстиль, смазки
Пропилен	Молибдаты висмута	Акрилонитрин	Пластики, волокна, смолы
Этилен	Хром, титан	Полиэтилен	Литые изделия
Пропилен	Оксиды титана и магния	Полипропилен	Пластики, волокна, пленки

 

Современные экспериментальные средства позволяют проследить за поведением атомов на поверхности твердого катализатора. Поверхностные атомы обладают способностью образовывать химические связи и влиять на химические свойства молекул. Поэтому поведение реагентов на поверхности твердого катализатора может резко отличаться от поведения тех же молекул в растворе или газовой фазе.

Одно из перспективных направлений повышения эффективности катализа заключается в разработке молекулярных cит – природных или синтетических материалов, содержащих алюминий, кремний и кислород (алюмосиликаты) и включающих мельчайшие пустоты и каналы, образующие пористую структуру. Попавшие внутрь пустот и каналов молекулы вступают в химическую реакцию, которая при обычных условиях возможна только при высокой температуре. Форма и размер внутренних полостей не только влияют на селекцию реагентов, но и ограничивают размер частиц конечного продукта, т.е. молекулярные сита – селективные катализаторы. Они применяются, например, для производства высокооктанового бензина в результате крекинга и для превращения полученного из древесины метанола в бензин.

Давно известно, что чрезвычайно малых размеров частицы, состоящие всего лишь из нескольких тысяч атомов, могут активно катализировать превращения углеводородов (производство топлив) и реакцию синтеза аммиака из азота (производство удобрений). Такие частицы обладают каталитическими свойствами, если они получены из металлов: кобальт, никель, родий, палладий и платина. Все эти металлы являются очень дорогостоящими, поэтому разработка более дешевых и широко доступных катализаторов представляет практический интерес.

Производству нужны такие катализаторы, которые позволили бы превращать имеющееся в изобилии и дешевое сырье в более ценные и полезные соединения, а именно превращать азот в нитраты (производство минеральных удобрений), уголь в углеводороды (производство топлива), соединения с одним атомом углерода – моноксид в диоксид углерода, метан и метанол в соединения с двумя атомами углерода – этилен, этан, уксусную кислоту и этиленгликоль (промышленное сырье).

Для сохранения окружающей среды нужны не только каталитические конверторы для очистки выхлопных газов автомобилей, но и эффективные катализаторы для удаления оксидов серы из заводских дымов, очистки воды и т. п.

 

Гомогенный катализ

 

Часто гомогенные катализаторы представляют собой сложные металлосодержащие молекулярные соединения, структура которых позволяет осуществить тонкую настройку реакционной способности реагентов и достичь высокой селективности. Один из крупномасштабных промышленных процессов с применением гомогенного катализа – это частичное окисление параксилола и превращение его в терефталевую кислоту (см. рис. 6.2). В таком процессе катализатором служат соли кобальта и марганца. Большая часть конечного продукта подвергается самополимеризации с этиленгликолем и используется для производства полиэфирных тканей, корда для шин, контейнеров для соды и многих других полезных изделий. В промышленном процессе производства уксусной кислоты из метанола и моноксида углерода роль катализатора выполняет дикарбонилдииодид родия, позволяющий получить около 99% целевого продукта.

 

 

Рис. 6.2. Каталитические превращения

 

В качестве промышленного сырья было бы весьма заманчиво использовать некоторые широко распространенные вещества, включая азот, моноксид и диоксид углерода и метан. Однако это относительно инертные вещества, и для их участия в реакции нужны эффективные катализаторы. Для такой цели весьма перспективно применение растворимых металло-органических соединений. Например, при помощи растворимых соединений молекулярного азота с оловом и молибденом удается осуществить синтез аммиака. Химические связи углерод–водород в соединениях типа метана и этана, нереакционных в обычных условиях, разрываются родий-, рений-, иридийорганическими комплексами, и тем самым повышается их реакционная способность.

Одно из направлений катализа связано с синтезом молекул, ядро которых состоит из нескольких химически связанных атомов металла. Из таких молекул формируются кластеры, размеры которых больше, чем молекул гомогенных катализаторов, но меньше, чем частиц металла, служащих гетерогенным катализатором. Во многих металлах – активных гетерогенных катализаторах,– а именно в таких, как родий, платина, осмий, рутений и иридий обнаруживается способность к образованию кластеров. Существует ряд кластеров, получивших название кубаны. Ядро молекул кубанов состоит из четырех атомов металла и четырех атомов серы, расположенных в вершинах куба. Структура кубаны получена для железа, никеля, вольфрама и других металлов. К кубанам относится, например, производное железа – ферродоксин, являющийся функциональной частью белков, катализирующих реакции с переносом электронов в биологических системах.

Многие биологические молекулы имеют одну из двух возможных геометрических структур, представляющих зеркальное отражение друг друга. Обычно лишь одна из таких хиральных структур биологически активна. Если сложная молекула содержит, например, семь хиральных углеродных атомов, а в процессе синтеза образуются все возможные хиральные структуры, то получится смесь 2⁷ = 128 продуктов, из которых 127 могут быть неактивными или, еще хуже, давать нежелательные эффекты. Поэтому важно уметь синтезировать на каждом хиральном центре нужную структуру. Катализатор, обеспечивающий такой синтез, называется стереоселективным. В качестве примера можно привести синтез леводофы – соединения в виде стереоизомера аминокислоты (см. рис. 6.3). Молекула леводофы получается при стереоселективном присоединении водорода к двойной углерод-углеродной связи. Используемый при этом катализатор – растворимое соединение фосфина и родия – приводит к образованию конечного продукта с выходом 96%. Леводофа – эффективное средство лечения болезни Паркинсона.

 

 

Рис. 6.3. Синтез леводофы

 

Электрокатализ и фотокатализ

 

Благодаря химической модификации каталитически активных электродных поверхностей создается возможность управления химическими процессами, происходящими на границе раздела жидкий раствор – электроды. Химическая модификация электродов стимулирует вполне определенные реакции. Она осуществляется в результате технологической операции осаждения тонкопленочных слоев, широко применяемой для формирования рабочих элементов интегральных схем. Например, нанесенный тонкопленочный слой рутения в качестве каталитического покрытия существенно сокращает потребление энергии в производстве хлора и щелочи.

Электрохимическая ячейка может содержать один или два полупроводниковых электрода, поглощающих электромагнитное излучение. В результате возникает фотокатализ, стимулирующий окислительно-восстановительные процессы на границе раздела электрод– раствор. Подобный эффект наблюдается на границе раствор–частица. Фотокаталитические процессы представляют не только научный, но и практический интерес. Например, на поверхности диоксида титана происходит деструкция (разрушение структуры) токсичных веществ в стоках, в частности, в стоках цианидов. Известна идея фотокаталитического использования солнечной энергии для производства кислорода и водорода из воды. А водород как экологически чистое топливо (при его сгорании образуется вода) мог бы заменить истощающееся и загрязняющее атмосферу нефтяное топливо.

 

Искусственные ферменты

 

Ферменты – естественные биологические катализаторы, представляющие собой сложнейшие молекулярные системы. Современные экспериментальные средства позволяют не только определить состав подобного рода систем, но и управлять их молекулярной топологией, что очень важно при создании искусственных ферментов. Один из способов конструирования искусственных ферментов заключается в формировании в больших молекулах профилированных полостей с последующим их заполнением каталитическими связывающими центрами.

Искусственные ферменты иногда называют биоимитаторами. К настоящему времени получены биоимитаторы ферментов, биологически синтезирующих аминокислоты. Синтезированы ферменты, структурно родственные природному соединению – витамину В и обладающие высокой селективностью и даже стереоселективностью. Получены биоимитаторы нескольких ферментов, участвующих в переваривании белков, и соединения, катализирующие расщепление РНК, в которые введены каталитические группы, присутствующие в ферменте рибонуклеазе. Синтезирован имитатор гемоглобина – переносчик кислорода. Структура активной части гемоглобина изображена на рис. 6.4. Интенсивные работы по созданию искусственных ферментов продолжаются. В результате появляются новые биоимитаторы ферментов.

 

 

Рис. 6.4. Активная часть гемоглобина

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: