Текст книги "Пуговицы Наполеона. Семнадцать молекул, которые изменили мир"

Глава 7
Фенол

Первый искусственный полимер появился за двадцать пять лет до нейлона, выпущенного компанией “Дюпон”. Это был материал со случайно расположенными перекрестными сшивками, соединяющими молекулы, химическая структура которых напоминает структуру некоторых молекул пряностей. С молекулами пряностей мы связываем начало эпохи Великих географических открытий, с фенолом – начало эпохи пластмасс. Фенолы, применяющиеся в столь разных областях, как хирургия, охрана животных, фотография и выращивание орхидей, являются основой многих достижений, изменивших современный мир.

Безопасная хирургия

До 6о-х годов XIX века люди соглашались ложиться в больницу, а тем более подвергаться хирургической операции, только в самом крайнем случае. В больницах было темно, грязно и душно. Новых пациентов обычно укладывали на то же белье, что осталось от предыдущих пациентов (вполне возможно, покойных). Хирургические отделения источали ужасное зловоние – результат гангрены и сепсиса. Таким же ужасным был показатель смертности от бактериальных инфекций. Не менее 40 % пациентов, перенесших ампутацию конечностей, умирали от так называемых больничных инфекций. В армии этот показатель достигал 70 %.

Хотя в конце 1864 года врачи стали пользоваться анестетиками, многие пациенты по-прежнему не соглашались на проведение операций. Раны после хирургических операций всегда оказывались инфицированными. По этой причине после закрытия раны хирурги предпочитали оставлять длинные куски ниток, свисавшие до земли, так что гной мог по ним вытекать из раны. Вытекание гноя считалось хорошим знаком, так как означало, что инфекция локализована в ране, а не охватила весь организм.

Теперь мы знаем, почему больничные инфекции были столь частыми и столь опасными. Это группа бактериальных заболеваний, которые легко передаются от пациента к пациенту или даже нескольким пациентам от врача при несоблюдении санитарных условий. Если больничные инфекции возникали особенно часто, врачи просто закрывали свое отделение и отсылали пациентов в другие места. Помещение после этого дезинфицировали серными свечами, стены белили известкой и скоблили полы. На какое-то время после этого инфекций становилось меньше – до следующей вспышки.

Некоторые врачи особенно тщательно следили за чистотой и использовали в работе большое количество кипятка. Другие придерживались теории о том, что все болезни происходят от миазмов – зловонных испарений канализационных стоков. Если какой-то пациент оказывался зараженным, он передавал инфекцию через воздух другим пациентам. Возможно, в те времена это звучало достаточно убедительно. Зловоние больничных канализационных стоков было не лучше запаха гниющей плоти в хирургических отделениях, что также объясняет, почему пациентам, лечившимся дома, а не в больнице, иногда удавалось избежать инфекции. Для устранения неприятных запахов существовало несколько средств, включая тимол, салициловую кислоту, углекислый газ, горькие настойки, сырую морковь, сульфат цинка и борную кислоту. Заметим, что многие из этих средств были совершенно бесполезны.

Вот в таких условиях работал английский врач Джозеф Листер. Он родился в 1827 году в семье квакеров из Йоркшира. Листер получил медицинское образование в Университетском колледже Лондона и в начале 6о-х годов работал хирургом в Королевском госпитале Глазго, а также преподавал медицину в тамошнем университете. Хотя во время работы Листера в госпитале было открыто новое хирургическое отделение, проблема больничных инфекций стояла там не менее остро, чем в других местах.

Листер считал, что причиной инфекции может быть не газ, а что-то другое, находящееся в воздухе, микроскопическое, неразличимое человеческим глазом. Прочитав статью “Микробная теория болезней”, он понял, что она подтверждает его собственную идею. Статья была написана Луи Пастером – профессором химии из Лилля (северо-восток Франции) и руководителем того самого Шардонне, который прославился созданием искусственного шелка. В 1864 году в Сорбонне Пастер представил собранию ученых результаты исследования процессов сбраживания вина и молока. Пастер считал, что невидимые глазом микроорганизмы присутствуют повсюду. Он показал, что удалить эти микроорганизмы можно с помощью кипячения (это открытие привело к пастеризации молока и других пищевых продуктов).

Поскольку кипятить пациентов и врачей не представлялось возможным, Листер решил найти другой путь безопасного удаления микроорганизмов со всех поверхностей. Он остановил свой выбор на карболовой кислоте, продукте переработки каменноугольной смолы, которую успешно использовали для обработки зловонных городских стоков, но которую не удавалось применить для обработки ран. Листер упорствовал и добился хорошего результата при лечении 11-летнего мальчика, у которого был открытый перелом ноги. В те времена открытый перелом был ужасной бедой. При простом переломе кости могли срастись без операции, однако при открытом переломе, когда острые обломки кости прорвали кожу, опасность заражения раны была очень высока и человек мог погибнуть даже при успешном соединении костей хирургом. Обычно такие переломы заканчивались ампутацией конечности, опять-таки с высокой вероятностью смерти от инфекции.

Листер тщательно обработал ногу бинтом, смоченным в карболовой кислоте. Затем он приготовил повязку из нескольких слоев льна, смоченного карболовой кислотой, и закрыл ногу металлической фольгой, чтобы предотвратить испарение карболовой кислоты. Вскоре образовалась корка, под которой рана затянулась без нагноения.

И раньше случалось, что пациентам удавалось перебороть больничные инфекции, но в данном случае инфекцию удалось предотвратить. Листер еще несколько раз успешно провел лечение открытых переломов и убедился в эффективности карболовой кислоты. С августа 1867 года он использовал карболовую кислоту в качестве антисептика при всех хирургических процедурах, а не только в составе послеоперационных повязок. Впоследствии он усовершенствовал свое антисептическое средство и постепенно убедил многих хирургов, которые отказывались верить в микробную теорию инфекции и утверждали: “Того, что нельзя увидеть, не существует”.

Каменноугольную смолу, из которой Листер получал карболовую кислоту, в XIX веке было легко достать, поскольку она была побочным продуктом производства газа, использовавшегося для освещения домов и улиц. Впервые Национальная компания освещения и отопления установила газовые светильники в 1814 году в лондонском районе Вестминстер. Вскоре освещение появилось на улицах многих других городов. Каменноугольный газ получали путем нагревания угля до высокой температуры. Это была легко воспламеняющаяся смесь, которая содержала примерно 50 % водорода, 35 % метана, а также небольшое количество окиси углерода, этилена, ацетилена и других органических соединений. Газ по трубам поступал в дома, на фабрики и в уличные фонари. Спрос на каменноугольный газ рос, и одновременно усиливалась проблема утилизации отходов газификации угля.

Каменноугольная смола представляет собой вязкую черную жидкость с едким запахом и, как выяснилось, является источником множества важных ароматических соединений. Ее производство прекратилось только в начале XX века, когда были открыты месторождения природного газа, состоящего главным образом из метана. Грубый препарат карболовой кислоты, которым пользовался Листер, представлял собой смесь, отгоняемую из смолы при температуре 170–230 °C. Это была темная маслянистая жидкость с резким запахом, которая обжигала кожу. В итоге Листеру удалось выделить из этой жидкости основной компонент – карболовую кислоту, или фенол, который в чистом виде образует белые кристаллы.

Фенол – простая ароматическая молекула, состоящая из бензольного кольца, к которому присоединена гидроксильная группа (OH-группа):

Фенол

Фенол до некоторой степени растворяется в воде и очень хорошо растворяется в масле. Листер использовал эти свойства и создал смесь, состоящую из фенола, льняного масла и белил. Полученную таким образом пасту на подложке из оловянной фольги помещали на рану, и она действовала как корка, препятствующая проникновению бактерий. Менее концентрированный раствор фенола в воде, обычно содержавший одну часть фенола на 20–40 частей воды, использовали для обработки кожи вокруг раны, хирургических инструментов и рук хирурга, а также им опрыскивали разрез во время операции.

Несмотря на эффективность подобных мер (о чем можно судить по количеству выздоравливавших пациентов), Листер не был уверен в том, что смог достичь полностью асептических условий проведения операции. Он подозревал, что микроорганизмы содержатся в каждой частичке пыли, находящейся в воздухе, и чтобы предотвратить заражение от этого воздушного источника инфекции, он создал машину, которая постоянно распыляла мельчайшие брызги раствора карболовой кислоты в воздухе. На самом деле микроорганизмы, находящиеся в воздухе, представляют собой гораздо меньшую опасность, чем думал Листер. Реальную угрозу несут микроорганизмы, спрятавшиеся в одежде, волосах, на коже, во рту и в носу самих хирургов или других врачей и студентов, которые традиционно присутствовали при проведении операции, не предпринимая никаких мер предосторожности. В современной операционной для поддержания стерильных условий предусмотрены маски, хирургические халаты, колпаки или шапочки, простыни и латексные перчатки.

Машина, распыляющая карболовую кислоту, по-видимому, помогала предотвратить заражение микроорганизмами, однако подобная процедура вредила здоровью самих врачей и обслуживающего персонала. Фенол токсичен, и даже в разбавленных растворах он вызывает обесцвечивание, растрескивание и омертвение кожи. Вдыхание частиц фенола может привести к болезни. Поэтому некоторые врачи отказывались работать в присутствии машины Листера. Несмотря на эти недостатки, антисептические методы хирургической практики Листера были настолько эффективными, а результаты настолько очевидными, что в 1878 году такая техника работы была принята во всем мире. Сегодня фенол редко используют в качестве антисептика. Вред для кожи и токсичность делают его гораздо менее удобным в употреблении, чем многочисленные новые антисептические средства.

Многоликие фенолы

Фенолом называют не только молекулу антисептика, которую использовал Листер. Фенолы – это очень большая группа родственных соединений, имеющих в своей структуре бензольное кольцо с присоединенной к нему OH-группой. Постарайтесь не путать: есть тысячи и даже сотни тысяч фенолов, но только один фенол. Существуют синтетические фенолы, такие как трихлорфенол и гексилрезорцинол, которые обладают антисептическими свойствами и используются в современной медицине.

Трихлорфенол

Гексилрезорцинол

Пикриновая кислота, которую сначала использовали для окрашивания шелка, а потом для снаряжения боеприпасов во время Англо-бурской войны и в начале Первой мировой, представляет собой тринитрофенол и является чрезвычайно взрывоопасным соединением.

Тринитрофенол (пикриновая кислота)

Многие фенолы существуют в природе. Жгучие молекулы – капсаицин из перца и цингерон из имбиря – можно отнести к фенолам. Некоторые летучие и пахучие молекулы пряностей – эвгенол из гвоздики и изоэвгенол из мускатного ореха – тоже принадлежат к этой группе.

В каждом случае фенольная группа обведена окружностью

Ванилин, активный ингредиент известной всем ванили, – тоже фенол, структура которого очень похожа на структуру эвгенола и изоэвгенола.

Природный ванилин выделяют из сухих ферментированных стручков орхидеи Vanillaplanifolia. Родина этого растения – Вест-Индия и Центральная Америка, но теперь оно распространено по всему миру. Длинные тонкие стручки содержат 2 % ванилина. Когда вино выдерживают в дубовых бочках, молекулы ванилина из древесины переходят в жидкость, что является частью процесса созревания вина. В шоколаде тоже есть ваниль. Вкус заварного крема, мороженого, соусов, сиропов, кексов и многих других блюд также во многом определяется присутствием ванили. Ванилин добавляют и в духи, что придает им характерный насыщенный запах.

Мы только сейчас начинаем понимать уникальные свойства некоторых природных соединений, относящихся к классу фенолов. Фенол тетрагидроканнабинол (ТГК), активный компонент марихуаны, содержится в индийской конопле (Cannabis sativa). Люди веками выращивали марихуану, поскольку из прочных волокон, содержащихся в стволе этого растения, получаются отличные веревки и грубая ткань. Кроме того, ТКГ, содержащийся во всех частях растения, но особенно в бутонах женских цветов, оказывает седативное и галлюциногенное действие.

Тетрагидроканнабинол – активный компонент марихуаны

В некоторых странах разрешено применение тетрагидроканнабинола в медицине для ослабления тошноты и болей, а также для поднятия аппетита у больных раком, СПИДом и другими тяжелыми заболеваниями.

В природных фенолах часто содержится несколько OH-групп, соединенных с бензольным кольцом. Госсипол – токсичное соединение, относящееся к полифенолам. В нем содержится шесть OH-групп, соединенных с четырьмя бензольными кольцами.

Госсипол. Стрелки указывают на шесть фенольных OH-групп.

Госсипол из семян хлопчатника эффективно подавляет сперматогенез у мужчин, и его можно применять в качестве химического контрацептива. Социальные последствия использования подобных средств контрацепции могут быть весьма значительными.

Молекула со сложным названием эпигаллокатехин-3-галлат, обнаруженная в зеленом чае, содержит еще больше фенольных OH-групп.

Эпигаллокатехин-3-галлат, содержащийся в зеленом чае, имеет восемь фенольных групп

Некоторые исследования показывают, что это вещество препятствует развитию определенных видов рака. Также известно, что фенольные соединения в составе красного вина ингибируют образование веществ, способствующих повреждению артерий. Возможно, это объясняет тот факт, что в тех странах, где пьют много красного вина, реже встречаются сердечно-сосудистые заболевания, хотя в этих странах едят много сливочного масла, сыра и других жирных продуктов животного происхождения.

Пластмассы

Многочисленные производные фенола играют важную роль в нашей жизни, но самое серьезное влияние на историю, безусловно, оказал сам фенол. Как мы видели, с фенола началось создание антисептических препаратов. Кроме того, фенол повлиял на развитие совершенно новой отрасли промышленности. Примерно в то же время, когда Листер экспериментировал с карболовой кислотой, во всем мире быстро увеличивался спрос на слоновую кость, из которой делали расчески и ножи, пуговицы и шкатулки, шахматные фигуры и фортепьянные клавиши. Слонов убивали ради ценных бивней, и со временем слоновая кость становилась все более редким и дорогим товаром. Сильнее всего исчезновение слонов беспокоило американцев. Нет, их волновало не то, что еще один вид животных может исчезнуть. В то время невероятную популярность приобрел бильярд, а чтобы бильярдный шар “правильно” себя вел, он должен быть сделан из слоновой кости высшего качества. Шары вырезали из центральной части бивня, не имевшего трещин, причем подходящей плотностью обладал лишь один из пятидесяти бивней.

В последние десятилетия XIX века источники слоновой кости начали иссякать и возникла острая потребность в ее заменителе. Первые искусственные бильярдные шары изготавливались, например, из прессованной древесной пульпы, костной муки либо нитроцеллюлозы, пропитанной или покрытой твердой смолой. Основным компонентом смолы была целлюлоза, причем часто ее нитрированная форма. В последней и наиболее сложной версии использовался целлулоид – полимер на основе целлюлозы. Жесткость и плотность целлулоида можно было контролировать в процессе производства. Целлулоид был первым термопластичным материалом: его много раз можно было плавить и переплавлять. Этот процесс стал предшественником современного метода литья под давлением, который позволяет быстро штамповать дешевые однотипные детали.

Основная проблема целлюлозных полимеров заключается в их горючести, особенно если речь идет о нитроцеллюлозе, которая, кроме того, еще и взрывается. Взрывались ли целлулоидные бильярдные шары или нет, мы не знаем, но потенциальную опасность целлулоид, безусловно, представлял. В киноиндустрии кинопленку тоже делали из целлулоида, синтезированного из нитроцеллюлозы с применением камфоры в качестве пластификатора, чтобы повысить гибкость пленки. После ужасного пожара в парижском кинотеатре в 1897 году (тогда погибли сто двадцать человек) проекционные кабины стали покрывать оловом, чтобы предотвратить распространение огня в случае воспламенения пленки. Однако эта мера никак не могла спасти киномехаников.

В начале 1900-х годов молодой человек по имени Лео Бакеланд, иммигрировавший в США из Бельгии, создал первую синтетическую версию материала, который мы сегодня называем пластиком. Это было революционным переворотом в химии, поскольку все синтезированные прежде полимеры хотя бы отчасти состояли из природной целлюлозы. С открытия Бакеланда началась эра пластмасс. Этот блестящий химик-изобретатель, в возрасте двадцати одного года получивший докторскую степень в Университете Гента, мог всю жизнь вести беззаботную жизнь преподавателя. Но он предпочел переехать в США, где, как он считал, у него было больше шансов воплотить в жизнь свои изобретения.

Острый дефицит качественной слоновой кости из бивней стимулировал создание фенольных смол, таких как бакелит. Фото любезно предоставлено Майклом Беггером

Сначала его выбор мог показаться ошибочным. Несколько лет работы над потенциальными коммерческими продуктами не дали никакого результата, и в 1893 году Бакеланд оказался на грани банкротства. Наконец он обратился к основателю компании по производству фотоматериалов “Истмен Кодак” Джорджу Истмену и предложил продать новый тип фотобумаги. В производстве этой бумаги использовалась эмульсия хлорида серебра, что позволяло избежать стадий отмывки и нагревания при проявлении изображения, а также повышало светочувствительность до такого уровня, что стало возможным снимать при искусственном освещении (в 90-х годах XIX века это были газовые светильники). В результате фотографы-любители могли быстро и легко проявить фотографии дома или отправить их в одну из фотолабораторий, открывшихся по всей стране.

Перед встречей с Истменом Бакеланд решил, что дорого оценит свою фотобумагу – в пятьдесят тысяч долларов. В самом деле, по сравнению с опасной целлулоидной пленкой Истмена новая, безусловно, обладала рядом преимуществ. Впрочем, если бы Истмен начал торговаться, Бакеланд снизил бы сумму до двадцати пяти тысяч (тоже немалые по тем временам деньги). Однако Истмен так заинтересовался новой бумагой, что немедленно предложил за нее невероятную сумму – семьсот пятьдесят тысяч! Потрясенный Бакеланд согласился. На эти деньги он открыл возле дома новую лабораторию.

Финансовые проблемы были решены, и Бакеланд обратился к интересовавшей его проблеме создания синтетического аналога шеллака – материала, который долго использовался для лакировки и защиты деревянных изделий (впрочем, используется он и в наши дни). Шеллак получают из секрета, выделяемого самкой лакового червеца (Lacciferlacca), обитающего в Юго-Восточной Азии. Эти жучки прикрепляются к деревьям, сосут сок и в итоге оказываются покрыты слоем собственного секрета. После откладывания яиц жучки погибают, а их домики собирают и расплавляют (слово “шеллак” образовано от голландского schel – чешуйка). Полученную жидкость пропускают через фильтр для удаления мертвых насекомых. Чтобы получить полкило шеллака, требуются полгода и пятнадцать тысяч червецов. Пока шеллак использовали исключительно для тонких покрытий, цена его была приемлемой, но когда его стали применять в быстро развивавшейся электрической промышленности, спрос на него невероятно вырос. Стоимость изоляторов для электропроводов, даже изготовленных из пропитанной шеллаком бумаги, была очень высокой, поэтому Бакеланд решил, что стоит заняться созданием искусственного шеллака.

Идея Бакеланда состояла в том, чтобы осуществить реакцию фенола (с помощью которого Листер так успешно изменил хирургическую практику) с формальдегидом. Это производное метанола в те времена широко использовали в качестве бальзамирующей жидкости для сохранения образцов животных тканей.

Фенол

Формальдегид

Предыдущие попытки соединить эти два вещества не давали положительного результата. Быстрая неконтролируемая реакция приводила к образованию нерастворимого и неплавкого продукта, который был слишком ломким и непластичным. Бакеланд подумал, что эти свойства как раз подходят для изготовления изоляционных материалов. Нужно было только научиться контролировать условия реакции, чтобы придать материалу нужную форму.

К 1907 году Бакеланд нашел способ контролировать температуру и давление данного процесса и получил жидкость, которая быстро затвердевала, образуя прозрачный материал янтарного цвета, и принимала форму сосуда, в который ее заливали. Он назвал новое вещество бакелитом, а машину, с помощью которой его получали (своеобразную скороварку), – бакелайзером. Можно простить ученому такую саморекламу, поскольку на подбор условий одной-единственной реакции и на создание этого вещества он потратил пять лет.

Шеллак разрушается при нагревании, а бакелит сохраняет форму даже при высокой температуре. Его нельзя расплавить и переплавить. Бакелит – термостойкий материал, то есть его форма при нагревании не изменяется, она задана раз и навсегда, в отличие от термопластичного материала, каким является целлулоид. Это уникальное свойство фенольных резин связано с их химической структурой. Дело в том, что формальдегид может соединяться с фенолом по трем разным положениям в кольце, в результате чего между цепочками образуются перекрестные сшивки. Жесткость бакелита связана именно с наличием этих коротких перекрестных связей, соединяющих жесткие плоские бензольные кольца.

Схема строения бакелита, отражающая наличие перекрестных CH₂-связей между молекулами фенола. Здесь показано только несколько возможных вариантов связей. В реальности поперечные сшивки в бакелите располагаются случайным образом.

Для изготовления изоляционного материала бакелит подходит лучше всех других веществ. Он более термостоек, чем шеллак и даже пропитанная шеллаком бумага, он прочнее, чем стекло или керамика, а его электрическое сопротивление выше, чем у фарфора и слюды. Бакелит не изменяется под действием солнечного света, воды, соли или озона, он не реагирует с кислотами и растворителями. Он не трескается, не крошится, не обесцвечивается, не расплывается, не горит и не плавится.

Бакелит оказался идеальным материалом для изготовления бильярдных шаров, о чем его изобретатель вначале даже не думал. По эластичности бакелит очень напоминает слоновую кость, а когда бакелитовые шары сталкиваются, они издают тот же характерный стук, что и шары из слоновой кости, которого целлулоидные шары издавать не могут. К 1912 году бакелит стал практически единственным искусственным материалом, из которого изготавливали бильярдные шары. Вскоре это вещество стало применяться повсеместно. Из бакелита делали телефонные аппараты и радиоприемники, фотоаппараты, шары для боулинга, детали стиральных машин, черенки курительных трубок, фурнитуру, детали автомобилей, авторучки, посуду, кухонные принадлежности, рукоятки ножей и щеток, ящики, сантехническое оборудование и даже декоративные изделия и предметы искусства. Бакелит называли “материалом для тысячи целей”. Впрочем, сегодня появились новые фенольные смолы, заменившие своего смуглого предка. Более поздние версии бесцветны и легко окрашиваются в любой цвет.