В работе ученого часто бывает так, что открытие делается как бы «случайно», настолько неожиданно простым оно порой оказывается. Потом остается только удивляться, что верное решение не пришло в голову сразу, и бывает даже трудно сообразить, что же именно мешало его найти…
В своей научной работе мне часто приходилось сталкиваться с подобными ситуациями. И поэтому меня давно интересовал вопрос: почему мы далеко не всегда сразу находим «идеальное» решение той или иной проблемы.
Для начала приведу одну очень поучительную геометрическую задачу. На листе бумаги нарисовано девять точек:
Перечеркните их прямыми, причем так, чтобы не отрывать карандаша от бумаги. Это можно сделать, например, следующим образом:
Как видите, всего пришлось провести пять прямых. А вот теперь попробуйте перечеркнуть точки таким же образом — не отрывая карандаша от бумаги — но только с условием, чтобы обойтись только четырьмя прямыми.
Возможно, вам придется немало поломать голову, прежде чем удастся найти правильное решение. Дело в том, что каждый человек почему-то обязательно полагает, что нельзя выходить за пределы квадрата в котором лежат точки. Но ведь такого дополнительного условия в задаче нет, так же как нет условия, что нельзя дважды перечеркивать одну и ту же точку.
Учитывая это, вы сразу найдете правильный ответ:
Вот тут-то и выясняется одно любопытное обстоятельство.
Вам мешало найти решение не отсутствие знаний, сообразительности или усидчивости, а какой-то особый, «психологический порог». Только преодолев его — выйдя за границы квадрата — и оказалось возможным добиться успеха.
Может ли обезьяна быть химиком?
Говорят, что известный немецкий химик- органик прошлого века Юстус Либих, разработав простой по тем временам методколичественного анализа органических соединений, воскликнул: «Теперь и обезьяна может быть химиком!».
С тех пор утекло немало воды, и элементарный (или, как теперь принято говорить, «элементный») анализ органических соединений превратился в область науки, где ничего нового казалось бы уже не придумаешь. И тем более поражаешься, когда узнаешь, что тот или иной ученый буквально «под ногами» нашел какой-либо новый замечательный метод.
Вот наглядный пример. При сожжении «по Либиху», пары навески анализируемого вещества пропускают над слоем зерненой окиси меди, служащей окислителем. При этом вещество сгорает, а образующиеся вода и углекислый газ улавливаются в специальных, заранее взвешенных трубках с подходящими поглотителями. Но иногда, если анализируемое вещество помимо углерода, водорода и кислорода содержит другие элементы (азот, серу, галогены и т. д.), то результаты анализа оказываются ошибочными. Дело в том, что при сгорании вещества азот может давать NO2, а сера — SO2; эти окислы поглощаются вместе с углекислым газом и «завышают» результаты по углероду. Для того, чтобы таких ошибок не было, приходилось пользоваться довольно сложной методикой анализа, ставить специальные поглотители, делать отдельные опыты для определения «дополнительных» элементов.
Казалось бы — плохо, но ничего лучше не придумаешь: метод отрабатывался не одно десятилетие. Но вот советский ученый М. О. Коршун предложила совершенно неожиданное: убрать из трубки слой окиси меди (обратите внимание, обойтись без этого окислителя казалось немыслимым!) и сжигать исследуемые пробы в токе кислорода, в «пустой трубке». А для того чтобы вещество сгорало полностью, без остатка, надо было «всего-навсего» повысить температуру от 600—700° до 1000° и пользоваться трубками не из жаростойкого стекла, а из кварца. Теперь в пустую трубку можно было вводить известные количества поглотителей для галогенов и серы и определять эти элементы из одной навески, вместе с углеродом и водородом. Если же вещество давало при сожжении негорючий остаток, то узнать и его вес не составляло особого труда, в то время как раньше это было невозможно.
Как видите, ничего «сверхъестественного» придумано не было, но насколько проще и точнее стал анализ! И в этом случае «психологический порог» создавали авторитет Либиха и привычка к традиционному методу анализа…
Не менее оригинальна «находка» и в другом методе элементного органического анализа. В начале прошлого столетия, на заре органической химии, известный французский химик Ж. Дюма предложил свой метод определения азота в органических веществах. Он так и называется — «по Дюма». В тугоплавкую трубку помещали навеску анализируемого вещества, медленно нагревали ее в токе углекислого газа и образовавшиеся пары сжигали, пропуская их над слоем накаленной окиси меди. Так как в этих условиях азот мог тоже окисляться, то для восстановления образовавшихся окислов в конце трубки помещали восстановитель — слой металлической меди. Газ, содержащий H2O, СO2 и N2, проходил далее в так называемый «азотометр» (стеклянную трубку с делениями), наполненный крепким раствором едкого кали. Здесь углекислый газ и пары воды поглощались, а по объему собранного азота можно было легко рассчитать содержание этого элемента во взятой навеске.
Само сожжение, правда, приходилось вести медленно и равномерно. Дело в том, что если при разложении вещества образовывались высшие окислы азота, то они могли восстановиться металлической медью не до N2, а лишь до NO. Этот газ не реагирует со щелочью и содержит азота вдвое меньше, чем тот же объем N2. С другой стороны, при быстром токе газа углерод может сгореть не полностью и дать окись углерода СО, которая также не поглотится щелочью и будет принята за N2.
Десятки лет многие сотни химиков терпеливо регулировали ток углекислого газа и нагрев трубки, опасаясь «проскока».
Но вот один химик подумал: а что если задержать пары вещества в накаленной трубке? ведь тогда весь углерод со временем превратится в СО2, а весь содержащийся в веществе азот — в N2. А чтобы образовавшийся газ не разорвал трубку, надо было еще до нагревания создать в ней вакуум.
Теперь аналитик вносит в трубку навеску вещества, заменяет воздух на СО2 и выкачивает газ. Затем, плотно закрыв отверстия, нагревает всю трубку, ждет 3—4 минуты без всяких предосторожностей, не опасаясь «проскока», «перегоняет» газообразные продукты реакции в азотометр и после поглощения углекислого газа измеряет объем собранного азота. Изобретатель этого нового метода — советский химик П. Н. Федосеев.
Далее. Еще в средней школе все мы с интересом смотрели, как едва тлеющий уголек ярко вспыхивает в колбе с чистым кислородом. Но только совсем недавно один химик (В. Шенигер) использовал это явление для количественного определения ряда элементов. Навеску вещества, содержащего серу, галогены, фосфор, завертывают в фильтровальную бумагу, обматывают платиновой проволокой, кончик бумаги поджигают и зажженный пакет тотчас же вносят в колбу с кислородом. Происходит яркая вспышка, и навеска сгорает. Проволоку и колбу споласкивают водой, в которой обычным путем определяют продукты сгорания. Конечно, при этом нельзя определить водород, углерод и кислород.
Сейчас это один из самых популярных методов анализа. Множество аналитиков наперебой стараются предложить новые варианты сожжения «по Шенигеру». Но что мешало каждому из них изобрести этот прием самому? Почему так много людей — в том числе и химиков-аналитиков — любовались опытами с кислородом, но лишь Шенигеру пришла остроумная мысль использовать вспышку для практического анализа?
Приведу еще один пример, на этот раз уже из своей научной практики.
Около 60 лет тому назад Л. А. Чугаев предложил универсальный способ определения в органических молекулах числа атомов так называемого «активного» водорода, связанного с кислородом, азотом или серой. Реактивом служил раствор йодистого метилмагния:
По объему выделяющегося метана можно было судить о числе атомов «активного» водорода в молекуле. Трудности состояли в том, что наиболее подходящий растворитель для CHзMgJ — это эфир, жидкость, кипящая при 35° С. Пары эфира увлекались метаном и увеличивали измеряемый а объем газа. И никак не удавалось подобрать такой «газ-носитель», при помощи которого можно было бы перевести метан в измерительную аппаратуру и очистить его каким-либо реактивом и от паров эфира, и от самого «транспортирующего» газа.
Пришлось заменить удобный эфир другими, менее летучими растворителями, вести процесс при строго постоянной температуре, вводить ряд поправок.
А между тем эта задача подобна задаче о «девяти точках». Главный недостаток эфира — летучесть — оказался главным его достоинством. Выше 35°С эфир — уже не жидкость, а достаточно плотный газ, которым и можно «транспортировать» метан. Оставалось только найти практичный поглотитель для паров эфира. Им оказался 50%- ный раствор спирта.
Одним словом, в науке обезьяне делать нечего…
Успехи и неуспехи химии
Привести аналогичные примеры можно и из области синтетической органической химии, хотя для менее подготовленного читателя они могут показаться несколько сложными.
Из элементарных курсов химии известно, что сульфирование — это введение в молекулу органического вещества так называемой сульфогруппы. Типичный пример — сульфирование ароматических углеводородов:
Реакцию ведут в избытке концентрированной серной кислоты. Получающиеся сульфокислоты — очень ценные вещества; их используют для получения многих других продуктов, например, лекарств, красителей.
Но вот беда: есть такие органические вещества, которые не только с концентрированной, но даже и с разбавленной кислотой «осмоляются», т. е. превращаются в черную вязкую массу, из которой ничего путного сделать уже нельзя.
Такие «ацидофобные» (т. е. боящиеся кислот) соединения очень долго никто не умел сульфировать. Однако даже самый свирепый сульфирующий агент — серный ангидрид (SO3) — удалось «усмирить». Для этого его смешали с веществом, которое уменьшило «агрессивность» серного ангидрида, не убив у него способности к сульфированию. Таким веществом оказался пиридин. Он жадно реагирует с SOз, образуя пиридинсульфотриоксид — твердое, белое вещество, которое с водой превращается в соль пиридина и серной кислоты (пиридин — слабое основание)
И теперь, если на такое нежное вещество, как пиррол, превращающийся в чернокрасную смолу даже в присутствии следов кислоты, подействовать пиридинсульфотриоксидом, то произойдет очень мирная реакция:
Сульфопиррол — уже вполне устойчивое соединение, не боящееся кислот.
А вот еще один пример из химии очень важного соединения — индола, родоначальника и структурного фрагмента очень многих физиологически активных веществ:
В молекуле индола с устойчивым бензольным ядром «спаяно» неустойчивое ядро пиррола. Мягкие агенты замещают водороды пиррольной части, а сильные — вызывают осмоление. Между тем, очень важно было получить производные индола по бензольному кольцу. Это удавалось делать только окольными путями, исходя из производных бензола: к ним сложной последовательностью реакций «пристраивали» пиррольный цикл.
Как же обойти это затруднение? Более двух лет над этой темой работала одна из моих аспиранток. Она перепробовала множество реакций. Но одни из них оказывались на практике малоперспективными, а другие, хорошо получающиеся «на бумаге», просто не хотели идти. И вот, в который уже раз, мы обсуждали результаты и мысленно пробегали старые и новые работы в области индола. Казалось, все, что было интересного и давало хорошие результаты, давно сделано нашими предшественниками. Они хорошо рассказывали о своих удачных работах, как будто удачи приходили сразу и не было срывов. Иногда мы шутя говорили между собой, что наряду с журналом «Успехи химии» следовало бы издавать журнал «Неуспехи химии», где бы ученые могли рассказывать о том, что «не получается», чтобы другим не приходилось тратить время на безнадежные попытки. Боюсь, что это было бы самое толстое издание… Невольно думалось, что в области химии индола нельзя «изобрести» ничего нового.
Но вот однажды, одному из нас пришла в голову удивительная по простоте мысль. Индол в присутствии палладия довольно легко присоединяет водород, образуя дигидроиндол-индолин. В других условиях от индолина можно довольно легко отнять этот водород:
Казалось бы, в этом не было ничего интересного. Но тут же пришла догадка. Ведь индолин похож не на индол, а скорее на производное анилина — N-метил-орто-толу- идин!
Индолиновые группы —СН2—СН2— инертны, так что гидрированием индола мы как бы химически «усыпляем» пиррольное кольцо.
Каждый химик-органик хорошо знает, как много разнообразных реакций можно провести с толуидином. А когда все необходимые заместители будут введены в бензольное ядро индолина обычными реакциями, останется только забрать обратно те два «лишних» атома водорода и получить производное индола:
Когда через 4—5 недель аспирантка принесла с десяток производных индола, полученных новым методом, она сказала с шутливым упреком: «Это было так просто, почему же Вы не предложили это два года назад?»
На это я ответил: «Ведь это Вы знали о легком гидрировании индола, почему же хотя бы год назад Вы не предложили этого нового простого пути получения производных индола?»
На этих примерах я хотел показать, как при решении той или иной задачи наш предыдущий опыт (который в общем-то совершенно необходим) иногда мешает найти правильный путь.
В связи с этим хотелось бы предложить читателям еще одну простую задачу, которая в свое время доставила мне немалое удовольствие. Она состоит из двух самостоятельных задач, которые надо решать обязательно последовательно: с условием второй задачи нельзя знакомиться, не решив первую.
А. П. Терентьев