Пуговицы Наполеона. Семнадцать молекул, которые изменили мир - Джей Берресон

Открытие Перкина имело далеко идущие последствия. Это был первый многостадийный синтез органического вещества, который стал прототипом для многих аналогичных процессов получения различных красителей из отходов угольной промышленности. Такие краски называют анилиновыми. К концу XIX века существовало уже около двух тысяч синтетических красителей для тканей. Химические краски быстро вытеснили натуральные, применявшиеся тысячелетиями.

Хинин не принес Перкину состояния, но это сделал мовеин и другие красители. Перкин был первым человеком, который доказал, что знание химии может приносить прибыль. Открытие Перкина, кроме того, продемонстрировало важную роль структурной органической химии — отдела химии, занимающегося изучением связей атомов в молекулах. Чтобы создавать новые краски, нужно знать химическую структуру веществ, в том числе структуру давно известных природных красителей, таких как ализарин и индиго.

Эксперимент Перкина был построен на ошибочной химической гипотезе. В то время было известно, что хинин имеет химическую формулу C20H24N2O2, однако о строении этого вещества не знали почти ничего. Кроме того, Перкин знал, что другое химическое вещество, аллиламинотолуол, имеет формулу C10H13N, и ему казалось, что соединение двух молекул аллиламинотолуола в присутствии окислителя, такого как бихромат калия, может привести к образованию хинина.

Когда смотришь на это уравнение, идея Перкина не кажется бессмысленной, однако теперь мы знаем, что такой реакции не бывает. Не зная реальной структуры аллиламинотолуола и хинина, нельзя представить себе химические стадии превращения одного вещества в другое. Вот почему полученная Перкином молекула, мовеин, была совсем не похожа на то, что он собирался синтезировать.

До сегодняшнего дня структура мовеина остается загадкой. Исходные вещества в экспериментах Перкина были выделены из каменноугольной смолы и содержали многочисленные примеси. Сейчас считается, что полученный им цвет объясняется присутствием смеси близкородственных соединений. Главным ее компонентом, по-видимому, было вот это вещество:

Часть молекулы мовеина, ответственного за цвет изобретенного Перкином красителя

Принятое Перкином решение о коммерческом производстве красителя было чрезвычайно смелым. Перкин был молодым студентом-химиком, практически ничего не знавшим о производстве красок и не имевшим совершенно никакого опыта крупномасштабного производства. Кроме того, его способ синтеза давал очень малый выход: не более 5 % теоретически возможного. В дополнение к этому необходимо было иметь постоянный запас каменноугольной смолы — исходного материала для синтеза. Опытного химика подобные проблемы могли бы ввергнуть в уныние, так что успех Перкина в значительной степени связан с тем, что он не испугался своей неопытности. Не имея перед глазами готового процесса для копирования, он должен был самостоятельно изобретать и тестировать новые аппараты и методы. И он нашел способы масштабирования своего процесса: заказал большие стеклянные емкости, поскольку металлические контейнеры подвергались коррозии под действием кислоты, предусмотрел систему охлаждения, предотвращавшую перегрев реакционной смеси, контролировал ход процесса, чтобы избежать взрыва и выделения токсичного газа. В 1873 году Перкин продал свою фабрику, проработавшую пятнадцать лет. Он стал состоятельным человеком и провел остаток жизни за изучением химических реакций в своей домашней лаборатории.

Наследие красильного производства

Производство красок, которое в настоящее время сводится, в основном, к химическому синтезу искусственных красителей, стало началом формирования всей огромной сферы органического синтеза, включающей в себя синтез антибиотиков, взрывчатых веществ, парфюмерных изделий, чернил, пестицидов и пластмасс. Однако органический синтез начал развиваться не в Англии — на родине мовеина — и не во Франции, где краски и красильное производство играли важнейшую роль на протяжении многих столетий. Это произошло в Германии, и именно там возникла целая империя органического синтеза, развивавшаяся параллельно с наукой и техникой, которые обеспечили расцвет этой новой сферы производства. В Британии уже существовала развитая химическая промышленность, поставлявшая сырье для отбеливания, типографского дела, производства стекла, фарфора и керамики, дубления кож, пивоварения и дистилляции. Однако это сырье было в основном неорганическим: поташ, соли, сода, кислоты, сера, известь и глина.

Германия и (в несколько меньшей степени) Швейцария) стали главными игроками в сфере органического синтеза по нескольким причинам. В начале 70-х годов XIX века ряд английских и французских красильных производств не мог продолжать работу ввиду бесконечных споров по поводу патентов на краски и процесс крашения. В Англии основное действующее лицо в этой сфере — Перкин — отошел от дел, и не нашлось никого, кто обладал бы таким же знанием химии и производства и такими же деловыми качествами, чтобы его заменить. В результате Британия, не понимая, что это идет вразрез с экономическими интересами страны, стала экспортером сырья для растущей сферы производства синтетических красителей. Когда-то Британия получила превосходство в производственной сфере, импортируя сырье и превращая его в конечный продукт для экспорта, так что неспособность руководства страны осознать полезность каменноугольной смолы и необходимость создания промышленности в области химического синтеза стала большой ошибкой, сыгравшей на руку Германии.

Другой важной причиной подъема химической промышленности в Германии стало тесное сотрудничество промышленников и ученых. В отличие от других стран, где химические исследования оставались прерогативой университетов, немецкие ученые стремились сблизиться с практикующими коллегами. Такое взаимодействие стало основой успеха немецкой химической промышленности. Без знания молекулярной структуры органических веществ и научного понимания химических стадий органического синтеза нельзя было создать сложную химическую технологию, которая привела к появлению современной фармацевтической промышленности.

Немецкая химическая промышленность выросла из трех компаний. В 1861 году в городе Людвигсхафен-на-Рейне возникла “Бадише анилин унд сода фабрик” (Баденская анилиновая и содовая фабрика, БАСФ). Она была создана для производства неорганических веществ, таких как кальцинированная и каустическая сода, однако вскоре заняла заметное место в производстве красителей. В 1868 году два немецких химика, Карл Гребе и Карл Либерман, объявили о создании синтетического ализарина. Ведущий химик БАСФ Генрих Каро стал сотрудничать с ними с целью разработки промышленного способа получения ализарина. К началу XX века БАСФ производил около двух тысяч тонн этого важного красителя. Сейчас это одна из пяти ведущих химических компаний мира.

Вторая крупная компания, “Хехст”, возникла двумя годами позднее БАСФ. Сначала планировалось, что “Хехст” будет производить анилиновый красный — ярко-красный краситель, который также называют магентой или фуксином. Однако вскоре химики компании запатентовали новый способ получения ализарина, который оказался очень выгодным. В результате нескольких лет исследований и значительных финансовых вложений обеим компаниям удалось осуществить еще одно очень выгодное дело — наладить производство синтетического индиго.

Третья крупнейшая немецкая химическая компания также занималась выпуском синтетического ализарина. Хотя название этой компании, образованной в 1861 году, — “Байер” — ассоциируется в первую очередь с аспирином, сначала она занималась производством анилиновых красителей. Синтетический аспирин был получен в 1853 году, однако лишь в начале 1900-х годов прибыль от производства синтетических красителей, в первую очередь ализарина, позволила компании “Байер” переключиться на производство лекарственных препаратов и начать выпуск аспирина.

В 60-х годах XIX века на долю этих трех компаний приходилась лишь незначительная часть мирового производства синтетических красителей, однако к 1881 году они выпускали уже половину всех синтетических красителей в мире. На пороге XX века объем производства красителей чрезвычайно вырос. Теперь на долю Германии приходилось почти 90 % объема их мирового производства. Вместе с доминирующим положением в производстве красок три названные компании завоевали также лидирующие позиции в сфере органического синтеза и стали играть важнейшую роль в развитии всей промышленности Германии. В начале Первой мировой войны правительство Германии привлекло компании к созданию взрывчатых веществ, отравляющих газов, лекарств, удобрений и других продуктов.