Людству відомий лише один відсоток хімічних сполук, тож ми шукаємо нові, щоб змінити світ

Автор: Метью Адикоут, професор функціонального матеріалознавства Нотингемського Трентського університету

Всесвіт наповнений мільярдами хімічних речовин, кожна з яких має певний, нехай навіть невеликий, потенціал, проте ми ідентифікували лише один відсоток від них. Вчені вважають, що нові хімічні сполуки можуть допомогти усунути наслідки парникових газів або спричинити прорив у медицині, подібно до того, як це зробив пеніцилін.

Але давайте одразу визнаємо: справа не в тому, що хіміки не зацікавлені в цьому. Відколи у 1869 році російський хімік Дмітрій Мєндєлєєв винайшов періодичну таблицю елементів, яка, по суті, схожа на конструктор Леґо, вчені постійно відкривають хімічні речовини, які допомагають створювати сучасний світ. Для створення останньої групи елементів нам знадобився ядерний синтез (зіткнення атомів зі швидкістю світла). Саме у такий спосіб у 2010 році був відкритий тенесин (Ts), елемент під номером 117.

Але щоб зрозуміти увесь спектр хімічного різноманіття всесвіту, потрібно також розумітися на хімічних сполуках. Деякі з них зустрічаються в природі — вода, наприклад, складається з водню та кисню. Інші, такі як нейлон, були відкриті завдяки лабораторним експериментам, і нині їх виробляють на фабриках.

Елементи складаються з одного типу атомів, а атоми складаються з ще менших частинок, зокрема, електронів і протонів. Усі хімічні сполуки складаються з двох або більше атомів. Цілком можливо, що залишилися ще не відкриті елементи, але це малоймовірно. Отже, скільки хімічних сполук ми можемо створити з 118 різних видів елементів конструктора Леґо, відомих на сьогоднішній день?

Великі числа

Ми можемо почати зі створення всіх двоатомних сполук. Таких сполук дуже багато: N₂ (азот) і O₂ (кисень) разом складають 99% нашого повітря. Хіміку знадобиться близько року, щоб створити одну сполуку, а теоретично таких двоатомних сполук налічується 6903. Отже, ціле поселення хіміків має працювати весь рік, щоб створити всі можливі двоатомні сполуки.

Існує близько 1,6 мільйона триатомних сполук, таких як H₂0 (вода) і C0₂ (вуглекислий газ), що дорівнює населенню Бірмінгема та Единбурґа разом узятих. Як тільки ми дійдемо до чотирьох- і п’ятиатомних сполук, нам необхідно буде, щоб кожен житель Землі створив по три сполуки. Крім того, щоб створити всі ці хімічні сполуки, нам доведеться використати всю матерію Всесвіту декілька разів.

Але це, звісно, спрощення. Такі властивості, як структура сполуки та її стабільність, можуть ускладнити її створення.

Найбільша хімічна сполука, яка була винайдена до цього часу, була створена у 2009 році і налічує майже 3 мільйони атомів. Наразі нам невідомі всі її властивості, але схожі сполуки використовують, щоб запобігти передчасному розчиненню ліків від раку в організмі, допоки вони досягнуть місця призначення.

Але зачекайте, хімія має свої правила!

Чи всі сполуки можна створити?

Дійсно, існують певні закони, але вони досить гнучкі, що створює більше сприятливих умов для винайдення хімічних сполук.

Навіть інертні (благородні) гази (зокрема, неон, арґон, ксенон і гелій), які, як правило, ні з чим не сполучаються, іноді утворюють сполуки. Гідрид аргону (ArH⁺) не існує в природі на Землі, але його знайшли в космосі. Науковці змогли створити його синтетичні версії в лабораторіях, які відтворюють умови далекого космосу. Отже, якщо включити екстремальні умови у розрахунки, кількість можливих сполук зростає.

Зазвичай вуглець сполучається з атомами у кількості від одного до чотирьох, але дуже рідко, на короткі проміжки часу, можливе з’єднання і з п’ятьма. Уявіть собі чотиримісний автобус. Він стоїть на зупинці, люди заходять і виходять; поки люди пересуваються, на короткий час в автобусі може бути більше чотирьох осіб.

Деякі хіміки впродовж всієї своєї кар’єри намагаються створити сполуки, які згідно з правилами хімії не мають існувати. Іноді їм це вдається.

Інше питання, яким цікавляться науковці, полягає у тому, чи може потрібна їм сполука існувати лише в якомусь екстремальному середовищі чи тільки у космосі — наприклад, за надзвичайно високої температури і тиску в гідротермальних джерелах, які схожі на гейзери, але знаходяться на дні океану.

Як науковці шукають нові сполуки

Часто відповіддю на запитання є пошук сполук, пов’язаних з вже відомими. Є два основні способи досягти цього. Перший — це взяти вже відому сполуку і трішки змінити її, додавши, вилучивши чи змінивши деякі атоми. Інший спосіб — це взяти відому хімічну реакцію та використати нові вихідні матеріали. Це той випадок, коли методи створення схожі, але складники можуть бути різними. Обидва ці методи є способами пошуку відомих невідомостей.

Це немов зробити будинок у Леґо, після чого зробити ще один, але трохи інший, чи придбати нові цегли і добудувати другий поверх. Багато хіміків присвячують свою кар’єру дослідженню одного з таких хімічних будинків.

Але як би ми шукали справді нову хімію, тобто невідомі невідомості?

Один із способів, як хіміки дізнаються про нові сполуки — це спостереження за світом природи. Так у 1928 році був винайдений пеніцилін, коли Александр Флемінґ помітив, що цвіль у чашках Петрі перешкоджає росту бактерій.

Десятиліття потому, у 1939 році, Говард Флорі винайшов шлях вирощування пеніциліну у потрібних кількостях, продовжуючи використовувати цвіль. І лише значно пізніше, у 1945 році, Дороті Кроуфут Годжкін змогла визначити хімічну структуру пеніциліну.

Це важливо, оскільки частина структури пеніциліну складається з атомів, які розташовані у квадраті, що є незвичайним хімічним розташуванням, про яке мало хто з хіміків здогадується, і яке важко відтворити. Розуміння структури пеніциліну означало, що науковці знали, як він виглядає, і могли знайти його хімічних родичів. Якщо у вас алергія на пеніцилін і вам потрібен альтернативний антибіотик, можете подякувати Кроуфут Годжкін за її винахід.

Сьогодні визначити структуру нових сполук набагато легше. Рентгенівська техніка, яку Кроуфут Ходжкін винайшла, щоб визначити структуру пеніциліну, досі використовується в усьому світі для вивчення сполук. Для визначення структури хімічних сполук можна також застосовувати техніку магнітно-резонансної томографії (МРТ), яку лікарні використовують для діагностики захворювань.

Але навіть якби хімік здогадався про абсолютно нову структуру, не пов’язану з жодною з відомих на Землі сполук, йому б все одно довелося її створити, що є складним завданням. З’ясування того, що хімічна сполука може існувати, не говорить нам, яку вона має структуру або які умови потрібні для її створення.

Для багатьох корисних сполук, таких як пеніцилін, простіше та дешевше «вирощувати» та добувати їх із цвілі, рослин або комах. Тому вчені, які шукають нові хімічні сполуки, дуже часто знаходять натхнення в найпотаємніших куточках світу.

Стаття вперше була опублікована англійською мовою під назвою «Only 1% of chemical compounds have been discovered — here’s how we search for others that could change the world» в журналі The Conversation 17 жовтня 2023 року.

Переклали Яна Руча та Ірина Тесленко