Девять точек

девять точекВ 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:

девять точекПеречеркните их прямыми, причем так, чтобы не отрывать карандаша от бумаги. Это можно сделать, например, следующим образом:

9 точекКак 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:

9точекВот 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:

йодистый метилмагнийПо 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:

ароматические углеводородыРеакцию 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)

пиридинсульфотриоксидИ теперь, если на такое нежное вещест­во, как пиррол, превращающийся в черно­красную смолу даже в присутствии следов кислоты, подействовать пиридинсульфотриоксидом, то произойдет очень мирная ре­акция:

сульфопирролСульфопиррол — 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:

индолВ 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:

индолинКазалось 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!

метилортотолуидинИндолиновые 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:

производное индолаКогда 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

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>