Науку хімію створювали люди натхненні, одержимі – спочатку алхіміки, згодом – лікарі та аптекарі, зрештою, власне хіміки. Вони щиро вірили у своє покликання і не шкодували сил, здоров'я, а іноді – навіть життя в ім'я істини, прагнули відчинити двері в незвідане, щоб отримати нові хімічні речовини та матеріали, конче потрібні людям... Простежити шлях їхніх пошуків, дізнатися про незвичайні подробиці їх життя – не тільки цікаво, а й повчально. Коротенькі розповіді, що розкривають деякі секрети з лабораторії творчості всесвітньо відомих хіміків, – у цій добірці.

Роль щасливого випадку

Світовій науці відомо багато випадків, коли наукові відкриття з'явилися в результаті щасливого збігу обставин. Наведемо три приклади з історії відкриття та створення органічних барвників, які широко використовуються майже всіма галузями сучасної промисловості. Таких прикладів, звичайно ж, відомо хімікам набагато більше і, можливо, комусь відомі навіть цікавіші за змістом. Їхні подробиці знаходимо в книгах-біографіях великих хіміків світу.

У 1856 році англійський хімік-органік Вільям Генрі Перкін-старший (1838-1907) намагався здійснити ідею свого авторитетного вчителя Августа Гофмана (1818-1892) і синтезувати з кам'яновугільної смоли протималярійний препарат хінін 18 років!). Ліки він не отримав, зате при окисленні неочищеного аніліну біхроматом калію утворилося червонувато-фіолетова речовина – барвник мовеїн.

Перкіну пощастило подвійно: по-перше, він зробив відкриття, здійснюючи помилкову ідею свого вчителя щодо пошукової методики отримання хініну, а по-друге, у його розпорядженні виявився анілін з домішкою толуїдинів (метилзаміщених анілінів), необхідних для створення барвника.

Цікавим є також випадок, який стався з німецьким хіміком-органіком Генріхом Каро (1834-1910). Перед ним стояло завдання утилізації накопиченого на складах відомої і сьогодні фірми BASF (Вadishe Аnіlin und Soda Fаbrік) побічного продукту – антрахінону. У пошуках вирішення цієї проблеми Каро змішав антрахінон із щавлевою та сірчаною кислотами і почав нагрівати цю суміш. Однак щавлева кислота розклалася, так і не встигнувши вступити в реакцію.

З якоїсь причини Каро вийшов із хімічної лабораторії, забувши вимкнути пальник. Коли ж він повернувся, то побачив серед шматочків вугілля – залишків реакційної суміші – рожевий сплав, який і виявився алізарином. Так було відкрито один із способів отримання цього важливого для тих часів барвника.

Тривалий час не вдавалося налагодити синтетичне виробництво важливого барвника індиго. Цим питанням займалося багато фахівців, але найвизначніший внесок зробив німецький хімік-органік, Нобелівський лауреат (1905) Адольф фон Байєр (1835-1917). Майже два десятиліття пішло в нього на встановлення структури та пошук шляхів синтезу індиго, а ще 15 років знадобилося для розробки технології його промислового виробництва.

 Його колега Карл Хейнман запропонував семистадійний спосіб отримання індиго. Однак перша стадія – окислення нафталіну – протікала повільно та з низьким виходом. І ось тут знову допоміг щасливий випадок. Якось під час експерименту розбився лабораторний термометр, ртуть потрапила в реакційну суміш. І нафталін майже миттєво і з високим виходом окислився до цільового продукту – фталевої кислоти. Причиною була каталітична дія сульфату ртуті, яка сталася при взаємодії ртуті з гарячою сірчаною кислотою.

Хімія – наука, яка ґрунтується на експериментальному досвіді. Отже, і найрідкісніші щасливі випадковості відіграли і відіграють важливу роль у створенні нових хімічних речовин.

Вимушений пошук

Історія хімії знає чимало прикладів, коли гостра практична потреба народжувала відкриття, нові оригінальні підходи до вирішення існуючих життєво важливих проблем. Так, у передвоєнній Німеччині, позбавленій доступу до нафтових джерел, назрівав дефіцит палива, необхідного для функціонування потужної військової техніки. Маючи у своєму розпорядженні значні запаси кам'яного вугілля, Німеччина була змушена шукати шляхи його перетворення на рідке паливо. Ця проблема була успішно вирішена зусиллями чудових хіміків, з них перш за все слід згадати Франца Фішера, директора Інституту кайзера Вільгельма з вивчення вугілля.

В 1926 році була опублікована робота Ф. Фішера і Г. Тропша «Про прямий синтез нафтових вуглеводнів при звичайному тиску». У ній повідомлялося, що при відновленні воднем монооксиду вуглецю при атмосферному тиску в присутності різних каталізаторів (залізо - оксид цинку або кобальт - оксид хрому) при 270°С виходять рідкі і навіть тверді гомологи метану.

Так виник знаменитий синтез вуглеводнів із газів – монооксиду вуглецю та водню, званий відтоді синтезом Фішера-Тропша. Суміш цих газів у різних співвідношеннях, так званий синтез-газ, легко може бути отриманий як з вугілля, так і з будь-якої іншої вуглецевмісної сировини.

Слід зазначити, що на момент розробки синтезу Фішера-Тропша існував інший спосіб отримання рідкого палива – не із синтез-газу, а безпосередньо з вугілля прямою гідрогенізацією. У цій галузі значних успіхів досяг також німецький хімік Фрідріх Бергіус, який у 1911 році отримав із вугілля бензин. Справедливості заради підкреслимо, що синтез Фішера-Тропша виник не на порожньому місці – на той час існували наукові передумови, які базувалися на досягненнях органічної хімії та гетерогенного каталізу. Ще в 1902 році французькі хіміки П. Сабатьє та Ж. Сандеран вперше отримали метан із СО та H₂. У 1908 році наш славетний земляк, професор Харківського університету Єгор Іванович Орлов відкрив, що при пропущенні монооксиду вуглецю та водню над каталізатором, що складається з нікелю та паладію, нанесених на вугілля, виходить етилен.

Промислове отримання рідкого палива досягло найбільшого підйому у роки Другої світової війни. Досить сказати, що синтетичне паливо майже повністю покривало потреби Німеччини в авіаційному бензині. Після 1945 року у зв'язку з бурхливим розвитком нафтовидобутку та падінням цін на нафту відпала необхідність синтезу рідкого палива із синтез-газу. Настав нафтохімічний бум.

Однак у 1973 році вибухнула нафтова криза – нафтовидобувні країни ОРЕС (Організація країн – експортерів нафти – Організація of Petroleum Ехроrting Соuntries) різко підвищили ціни на сиру нафту, і світова спільнота змушена була усвідомити реальну загрозу. Енергетичний шок 70-х років відродив інтерес учених і промисловців до використання сировини, альтернативної нафті. Тут перше місце, безперечно, належить вугіллю. Світові запаси вугілля величезні, вони, за різними оцінками, більш ніж у 50 разів перевершують нафтові ресурси, і їх може вистачити на сотні років.

Немає жодних сумнівів, що в найближчому майбутньому використання синтез-газу відіграватиме ключову роль не тільки і не стільки для виробництва «вугільного» пального (тут важко поки що конкурувати з нафтовим пальним), але насамперед для цілей органічного синтезу. На даний час у промисловому масштабі за методом Фішера-Тропша отримують бензин, газойль і парафіни тільки в Південній Африці. На установках фірми «Sasol» виробляють близько 5 млн т рідких вуглеводнів на рік.

 Відображенням інтенсифікації хімічних досліджень з урахуванням синтез-газу є різке зростання наукових публікацій, присвячених хімії одновуглецевих молекул (так звана С₁ - хімія). З 1984 року почав видаватися міжнародний журнал «C₁-Molecule Chemіstry».

«Метод наукового тику»

Пошук шляхів вирішення будь-якої хімічної проблеми, коли ще немає відповідної наукової теорії і доводиться перебирати поспіль всі варіанти, хіміки жартома називають «методом наукового тику». Є у цього методу і більш милозвучна наукова назва – «скринінг» (від англ. Screen – «просіювання»).

Історія хімії знає чимало кумедних випадків використання цього «методу тику». Ось що, наприклад, трапилося у Великій Британії за часів знаменитої королеви Вікторії (1837-1901). Тоді багато ірландців за національною традицією носили (носять і дотепер) теплі фланелеві нічні сорочки. Оскільки житло тоді опалювалося відкритими камінами, це часто призводило до нещасних випадків: на людині, яка дрімала біля каміна, спалахувала ворсиста тканина. Ситуація була настільки серйозною, що влада погрожувала заборонити продаж фланелі, якщо не знайдеться доступний спосіб зробити її вогнестійкою.

Зацікавлені виробники тканини звернулися по допомогу, звісно, ​​до хіміків. Цю проблему вирішив відомий англійський хімік-органік Вільям Генрі Перкін-старший (1838-1907), який прославився ще в молодому віці отриманням одного з перших синтетичних барвників – мовеїну. Він запропонував обробляти фланель нетоксичним водяним розчином хлориду олова. Коли всюдисущі кореспонденти газет запитали Перкіна, як йому вдалося прийти до настільки незвичайного і неординарного рішення, він усміхнувся і сказав: «Це дуже просто. Ви знаєте, що у мене велика і добре обладнана лабораторія з безліччю хімічних реактивів, які знаходяться на полицях строго за абеткою.  Я почав пошуки з "А" і знайшов те, що й шукав, коли дійшов до "S"  (станум хлорид, від англійської – stannous chloride)».

Ось ще один приклад. Ще на початку ХХ ст. відомий німецький хімік-органік, лікар-бактеріолог Рафаель Ерліх (1854-1915) запропонував шукати нові лікарські препарати цим же методом скринінгу. Суть його методу полягала в тому, що широке коло різних хімічних сполук, навіть вперше синтезованих, за допомогою стандартних методик піддавалися перевірці на біологічну активність у надії на те, що рано чи пізно на «ситі» заблищить самородок – речовина з потрібними медичними властивостями. Ерліх у пошуку ефективних ліків від сифілісу особисто синтезував 605 хімічних речовин – і все безрезультатно. І лише наступний «препарат 606» (це був миш'якорганічний препарат сальварсан) мав потрібні властивості. Ерліх публічно доводив, що йому пощастило: «Адже я цілком міг би не знайти те, що шукав і після синтезу «препарату 6666».

Нині кількість синтетичних лікарських препаратів обчислюється багатьма тисячами. Не дивно, що якщо у першому виданні популярного довідника М.Д. Машковського «Лікарські засоби» (1954) містилися відомості про 556 лікарських препаратів, то вже в 14-му виданні (2000) – більш ніж про дві тисячі. Пошуком нових лікарських засобів займаються у найбільших наукових центрах у всьому світі. А метод скринінгу і досі не втратив свого значення, хоча він вимагає дуже великих витрат праці та часу. За статистикою новий фармацевтичний препарат виходить лише в одному випадку з десятків тисяч – якщо діяти методом проб і помилок.

Але є й інший принцип, який призводить до мети набагато швидше. Це цілеспрямований синтез, що включає і накопичені за багато десятиліть знання, і власний досвід, і інтуїцію дослідника. Досвідчений фахівець, тільки глянувши на структурну формулу, з високою достовірністю скаже, якої дії слід очікувати від цього хімічного з'єднання – судинорозширюючого або знеболювального. Відомо також, які хімічні групи та радикали-замісники посилюють ефект, а які – послаблюють. І тим не менш, введення в лікарську практику кожного нового фармакологічного препарату вимагає величезних зусиль великої кількості дослідників: хіміків, біологів, лікарів, фармакологів...

Коли приходить осяяння

Хвилини дивовижного, рідкісного натхнення, коли несподівано приходить дуже потрібне рішення (осяяння), докладно описують усі біографи великих хіміків. Ось історики пишуть, що Дмитро Іванович Менделєєв (1834-1907) остаточний вид своєї періодичної таблиці хімічних елементів побачив уві сні. Фрідріх Август Кекуле (1829-1896), німецький хімік-органік, запевняв своїх цікавих колег, що структура бензольного кільця приснилася йому, коли він відпочивав у кріслі перед каміном. Через 25 років після відкриття Кекуле, коли німецькі хіміки відзначали «Свято бензолу», учений так описував народження знаменитої формули: «...Моя хімічна лабораторія знаходилася у провулку. І навіть днем ​​у ній панувала напівтемрява. Хіміку, що проводить цілі дні у лабораторії, це не заважає. Я довго працював над своїм «Підручником з органічної хімії», і помітив, що втомився, мої думки десь витали. Я повернув крісло до каміна і задрімав. Атоми почали танцювати перед моїми очима. Цього разу маленькі групи атомів вуглецю та водню трималися скромно на другому плані. Мій погляд, загострений від повторення одних і тих же образів, зосередився на великих фігурах різної форми. Довгі ланцюжки дуже часто зближалися і перетворювалися на трубку, нагадуючи двох змій. Але що ж це? Одна з них вчепилася зубами у свій хвіст, продовжуючи насмішкувато кружляти перед моїми очима. Тут я раптово прокинувся і цього разу провів решту ночі, обмірковуючи, що випливає з моєї гіпотези про будову молекули бензолу».

Начебто все й просто. Однак це уявна простота. Кому ще можуть наснитися атоми, що кружляють у танці, як не людині, що тривалий час завзято і зосереджено розмірковує над пов'язаною з ними проблемою. Відкриттю Кекуле передувала виснажлива наукова робота, пошуки. Багато років він спав по дві години на добу. Він згадував: «Одна ніч, проведена без сну, не береться до уваги. Тільки дві чи три ночі поспіль без сну я вважав за свою заслугу».

Швейцарський хімік Альфред Вернер (1866-1919), Нобелівський лауреат (1913), творець знаменитої координаційної теорії, якось прокинувся вночі, тому що вся теорія несподівано вишикувалася в його мозку.

Отже, як бачимо, часто геніальні рішення хіміків приходять під час сну, але відомі інші приклади.

Фізику Максу Планку квантова гіпотеза з'явилася серед дня, як спалах блискавки. Широко відома легенда про те, що фізик Ісаак Ньютон відкрив закон всесвітнього тяжіння, коли йому на голову впало яблуко.

Можна припустити, що біографи великих учених, бажаючи представити більш ефектно сам факт того чи іншого наукового відкриття, мимоволі приділяють підвищену увагу саме описам того моменту, коли воно завершилося.

Розмірковуючи спокійно, приходиш до дещо інших висновків. Справді, всі люди лягають спати вночі. Чому ж Періодична система хімічних елементів наснилася саме Менделєєву, а не комусь іншому? Вирішальну роль хвилинних осяянь спростовують і самі автори відкриттів, скромно і стримано пояснюючи, що ж насправді було вихідним джерелом: «Весь час думав про це, тому й відкрив» (Ньютон), «Трудився, працював, все життя працював. Шукав, ну і знайшов» (Менделєєв), «Навіщо стільки слів? Я просто не відступав у своїй роботі. Ось і все» (Ейнштейн), «У кожному генії лише 1% генія та 99% потіння» (Едісон).

Тут мимоволі хочеться провести аналогію з тим, як знаходять потрібне рішення письменники, художники чи музиканти. Для порівняння найбільше підходять випадки, коли творець не сам ставить собі задачу, а вона пропонується йому у сформульованому вигляді. В одному з інтерв'ю на радіо композитор Родіон Щедрін розповідав, що у 1999 році йому зателефонували з Нюрнберга (Німеччина) та запропонували написати вступ до знаменитої дев'ятої симфонії Бетховена. Музиканти оркестру повинні виконувати без перерви вступ і саму симфонію. Безумовно, задача надзвичайно важка та дуже відповідальна.

Її рішення прийшло до композитора в той момент, коли під час руху шосе його машина забуксувала на льоду і з'їхала в кювет. Разом із почуттям крайнього роздратування та досади народилася потрібна думка-ідея. Її втілення, на думку автора, є найкращим із усього, що він написав у 1999 році. Рекламна подача цієї події наголошує на хвилинній втраті керування автомобілем, але спокійні роздуми призводять нас до іншого висновку. Головне тут у тому, що композитор перед цим довго думав, а дорожня подія зіграла роль спускового гачка.

Шляхи, що призводять до осяяння, у більшості творчих людей (хіміків, фізиків, біологів, письменників, композиторів...) напрочуд схожі. Висловлювання талановитих людей, далеких від науки, підтверджують це. Відомі рядки поета Володимира Маяковського: «Поезія – той самий видобуток радію...», слова письменника Антона Чехова: «Талант – це робота, важка, наполеглива і повсякденна!» За цими афористичними фразами прихована одна істотна деталь: напружена робота творчої думки – це процес не з примусу «від» і «до», а органічна потреба прискіпливого розуму, природне прагнення митця знайти давно шукане рішення.

Г.А. Ковтун, член-кореспондент НАН України