Читателям КэтСайнса я известен скорее как "этот чел с павуками" :), но вообще-то я химик. И на этот раз я хочу рассказать про один нетривиальный химический курьёз, который не смог объяснить целый Нобелевский лауреат, который его же и открыл.
Итак, представьте себе: несложный даже по меркам XIX века одностадийный органический синтез, кристаллизация, характеризация вещества... Бац! Характеристика полученных кристаллов по температуре плавления ломается: сегодня она у них 65 °С, завтра — в районе 100 °С. Или экспериментатор, или термодинамика сошли с ума? Наверное, нет, но потребовалось почти 130 лет, чтобы докопаться до истины:
Кристаллы, что плавятся при двух разных температурах
Загадочное вещество, синтезированное 130 лет назад, сломало законы термодинамики — «починили» их только в 2019.
В 1896 Эмиль Фишер — немецкий химик, будущий Нобелевский лауреат, получивший премию в 1902 г. за синтез ряда сахаров и кофеина — сообщил, что в его лаборатории получили кристаллы, которые, похоже, нарушают законы термодинамики. К его изумлению, твёрдый фенилгидразон уксусного альдегида (фенилгидразон ацетальдегида, ФГА) плавился при двух сильно разных температурах. Проба вещества, произведенного им в понедельник, могла плавиться при 65 °С; в то же время вещество, синтезированное во вторник, расплавлялось при 100 °С
Коллеги и соперники в один голос твердили ему, что он, очевидно, где-то допускает ошибку. Насколько мог судить сам Фишер, кристаллы, которые плавились при столь разных температурах, ничем не отличались друг от друга. Несколько коллективов в Британии и Франции повторили его работу и получили такие же удручающие результаты. Однако, когда все эти ученые покинули наш мир, загадка забылась, оставшись лишь в пыльных академических журналах, напечатанных в Германии и Франции более века назад.
Так бы оно и было по сей день, если бы не Терри Трелфолл (Terry Threlfall), 84-летний химик из Университета Саутгемптона. Десятка полтора лет тому назад он наткнулся в библиотеке на статью Фишера от 1896 г. Она заинтриговала его настолько, что он запустил международное исследование загадочных кристаллов. В начале 2019 г. Трелфолл с коллегами опубликовали разгадку в журнале Crystal Growth and Design: ФГА оказался первым твердым веществом, которое при плавлении образует две структурно различные жидкости. То, какая жидкость образуется, определяется настолько незначительными примесями в веществе, что их практически невозможно обнаружить.
I Want to Believe
История с ФГА всплыла в 2008, когда Трелфолл, свободно говорящий по-немецки и увлеченный исследователь истории науки, изучал страницы 140-летней давности журнала Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft («Отчеты Немецкого химического общества») на предмет какой-нибудь интересной работы по твердым веществам, имеющей отношение к его собственным исследованиям фазовых переходов второго рода. Узнав из статьи Фишера об этой до тех пор не решенной головоломке, Трелфолл повторил синтез по указанной там методике и обнаружил, что его собственные образцы ФГА ведут себя таким же странным образом: одна партия плавится при температуре около 60 °С, другая — в районе 90–95 °С.
Законы термодинамики что 130 лет назад, что сейчас не допускают существования таких молекул. Если два твердых вещества одного и того же молекулярного строения имеют разные температуры плавления, они должны иметь различия в кристаллической структуре. Но все современные методы структурного анализа, которых не было у Фишера и через которые прогнали ФГА Трелфолл с его коллегами, подтверждали результаты полуторавековой давности. Рентгеноструктурный анализ, ядерный магнитный резонанс, инфракрасная спектроскопия — все они показывали, что кристаллы, ведущие себя так по-разному, были идентичны по строению.
Трелфолл: «Два года мы не знали, верить ли своим глазам — это бы значило, что сейчас придется переписывать законы Вселенной; или верить термодинамике — и признаться себе, что мы просто некомпетентные экспериментаторы».
Deceive Inveigle Obfuscate
Первый намек на разгадку дал способ получения ФГА. Его небольшая молекула (C₈H₁₀N₂) состоит из бензольного кольца, к которому присоединена пара связанных между собой атомов азота, у одного из которых также есть атом водорода, а у другого — этилиденовая группа, чей метильный фрагмент может быть повёрнут «вверх» или «вниз». Химики получают ФГА растворением уксусного альдегида (прекурсор во многих важных химических синтезах, в природе встречается во фруктах) в водном растворе этанола и прикапывая к этой смеси жидкий фенилгидразин (впервые получен и охарактеризован тем же Фишером, который использовал его в своих фундаментальных исследованиях молекулярного строения сахаров). Если смесь перемешать и охладить, выпадают сначала хлопья, а затем и спайки кристаллического ФГА.
Если судить по лабораторным отчетам фишеровского времени, все же были признаки того, что примеси играют роль в парадоксальном поведении ФГА. Добавив каплю кислоты в процессе кристаллизации, можно было получить легкоплавкую версию молекулы; если добавить щелочь, то получалась тугоплавкая версия. Фишер подтвердил это наблюдение коллег и обнаружил, что он может переводить вещество из одной формы в другую. Легкоплавкая форма плавилась при высокой температуре после обработки газообразным аммиаком. А перед тугоплавкими кристаллами было достаточно помахать стаканом с соляной кислотой, чтобы они начали плавиться при низкой температуре.
Такое поведение наводило на мысль, что кислота работала подобно каменной соли, сдвигающей вниз температуру плавления льда. С той разницей, что соли надо добавлять много — достаточно, чтобы вызвать заметные изменения в структуре льда. В случае с ФГА хватало буквально тысячных долей молярного эквивалента кислоты или щёлочи, чтобы перейти от одной формы к другой. Каким бы ни было происходящее загрязнение, оно не вызывало обнаружимых физических изменений в кристаллической структуре вещества.
Большую помощь Трелфоллу оказал Хуго Мекес (Hugo Meekes), специалист по физике твердого тела из Университета Наймегена (Radboud University in Nijmegen), Нидерланды. Услышав о загадке из лекции Трелфолла, которую он давал в 2012 г., Мекес задумался, не может ли её решение быть связано с другим, не менее любопытным, явлением под названием «проблема исчезающих полиморфов».
Ужас фармацевтических компаний, проблема заключается в спонтанном возникновении кристаллических форм (полиморфных модификаций) в ходе производства препарата, которые отличаются от желаемого продукта не так уж сильно структурно, но радикально иначе ведут себя в лекарственной композиции. Например, в конце 90-х фирма Эббот (Abbott Laboratories) выяснила, что у них на производстве получался плохо растворимый кристаллический полиморф их противовирусного препарата ритонавира. Причем, точь-в-точь как это было со «льдом-9» в научно-фантастическом хорроре Воннегута «Колыбель для кошки», достаточно мельчайшей частицы нерастворимого полиморфа, чтобы навсегда отравить производственную линию.
Раз уж с полиморфами достаточно едва ли не одной молекулы, Мекес решил, что ситуация с ФГА должна быть в чём-то похожа на эту проблему.
Но случай с ФГА не совсем укладывался в такой сценарий. Кристаллы ФГА, которые плавились при разных температурах, не были полиморфами — они были идентичными. Исследователям также не удалось найти никаких других структурных различий между ними.
Вот молекулы-изомеры демонстрируют разные физические свойства, поскольку в них одни и те же атомы располагаются по-разному в пространстве относительно друг друга. Например, еще за несколько десятилетий до открытия ФГА Фишером была склока между Ф. Вёлером и Ю. Либихом по поводу свойств структурных изомеров: цианата/фульмината серебра Ag-N=C=O и Ag-C≡N⁺-O⁻, соответственно. Полученный Вёлером цианат — безобидная умеренно токсичная соль; а фульминат Либиха — взрывчатка, «гремучее серебро», которое в сухом виде детонирует от малейшего трения или искры, практически от косого взгляда.
Но в кристаллическом ФГА вообще не было никаких «лишних» изомеров: обе формы — тугоплавкая и легкоплавкая — содержали только геометрический (Z)-изомер, в котором метильная группа смотрит «вниз».
И здесь подход к снаряду делает Мануэль Минас да Пьедаде (Manuel Minas da Piedade), специалист по физике твердого тела и термодинамике из Университета Лиссабона. Португальский физик сделал то, что должен сделать каждый ученый, если в его исследовании не сходятся концы с концами: вернулся на исходные позиции, к «первым принципам». Раз невозможно, чтобы один и тот же материал плавился при разных температурах, если его исходное и конечное состояние одинаковые, то он пришел к заключению: «Или у нас все же разные кристаллы, или конечное состояние у них разное».
До тех пор все опыты, проводимые Трелфоллом и всё большим числом его коллег, заинтересовавшихся проблемой, фокусировались на кристаллическом ФГА, так как разница в температуре плавления обычно проистекает из различий в строении твердых фаз. Но, исчерпав все возможные подходы на твердотельном фронте, исследователи в 2015 году переключили внимание на жидкости, которые получаются в результате плавления.
The Truth Is Out There
В это время в Нидерландах Мекес крутил тоненькие пробирки с расплавленным ФГА в ЯМР-спектрометре: сперва легкоплавкий образец, затем тугоплавкий. Он обнаружил, что спектры двух жидкостей отличаются. Один и тот же твердый кристалл плавился с образованием двух жидкостей разного состава: беспрецедентное открытие!
Мекес, Трелфолл и их коллеги, продолжая эксперименты, вскоре обнаружили, что дело и впрямь в изомеризации, но исключительно в жидкой фазе. Хотя твердый ФГА состоит только из (Z)-изомера, жидкое вещество также содержит (E)-изомер, в котором метильная группа направлена «вверх». В жидком состоянии, когда молекулы находятся достаточно далеко друг от друга, и, таким образом, имеют больше пространства для маневра, состав ФГА устаканивается на наиболее стабильной смеси изомеров. Это примерно одна треть (Z)-изомера на две трети (E)-изомера.
Относительные количества каждого изомера в равновесной смеси определяются свободной энергией Гиббса молекул, то есть мерой их термодинамического потенциала. Как только разница в энергии Гиббса возрастает, возрастает содержание одного изомера относительно другого. Трелфолл говорит, что уникальность ФГА в том, что оптимальный баланс изомеров для жидкого ФГА не соответствует балансу для твердого вещества. «То, что его кристаллы состоят исключительно из молекул (Z)-изомера, свидетельствует о том, что они, по всей видимости, имеют более термодинамически выгодную упаковку», — отмечает Трелфолл.
Опыты показали, что тугоплавкие кристаллы плавятся в жидкость, целиком состоящую из (Z)-изомера. Затем (Z)-молекулы начинают превращаться в (E)-молекулы до тех пор, пока не образуется наиболее стабильная смесь двух изомеров. Но когда плавится легкоплавкий ФГА, то это ведет к почти мгновенному образованию стабильной смеси с двумя третями (E)-молекул. Так что две жидкости разные — и также разные температуры плавления — только потому, что одна из них представляет собой переходное состояние.
Это действительно был эффект понижения точки плавления, как в примере с солью и льдом, но эффект оказался гораздо сильнее, чем мог предположить кто-либо в команде исследователей. Что же было тому причиной? Они считали, что это — примеси, как та же соль для льда. И, как и в случае «исчезающих полиморфов», этой беды фармацевтической промышленности, примеси были слишком незначительны, чтобы их уловить и измерить. Трелфолл рассуждает, что ионы водорода, адсорбированные на поверхности кристалла, видимо, катализируют переход (Z)-изомера в (E). Это происходит из-за сдвига протоном электронной плотности атомов азота, что ослабляет связь между азотом и углеродом в молекулах ФГА: вместо сильной двойной связи получается более слабая одинарная. Таким образом, снижается энергетический барьер вращения вокруг этой связи, что очень сильно ускоряет переход от (Z)- к (E)-форме.
В отсутствие кислоты кристаллы из (Z)-молекул плавятся в жидкость из (Z)-молекул, и только затем начинается изомеризация (Z)-формы в (E)-форму, до тех пор, пока в жидкой фазе не установится стабильное соотношение (Z):(E) = 1:2. Но когда кислота есть, ее каталитический эффект ускоряет переход (Z)-формы в (E) настолько сильно, что это происходит прямо во время плавления твердого вещества.
В итоге: исходная твердая фаза одинаковая, и конечное состояние жидкой фазы одинаковое, и количество затрачиваемой в процессе энергии одинаковое. Законы Вселенной спасены. Это вроде бы нишевое и курьёзное открытие очень важно иметь в виду химикам-органикам и всем прочим, кто полагается на температуры плавления для характеризации соединений.
Хотя работа исследователей дала беспрецедентные результаты, сочетание условий, при которых происходит понижение температуры плавления настолько уникально, что вряд ли этому феномену найдется какое-то практическое применение. Не существует даже никакого специального термина для явления, при котором одно и то же твердое вещество плавится с образованием двух различных жидкостей. А Трелфолл считает, что Фишеру было бы приятно узнать ответ на свою загадку, и химик из 19 века наверняка бы разобрался в обнаруженных деталях странной физикохмии вещества, что морочило людям головы больше века.