Хроматографический метод и возвращение Цвета
13.05.2022
Источник: КОММЕРСАНТЪ, 13.05.2022, Ольга Макарова, пресс-служба ИФХЭ РАН
Юбилей выдающегося русского химика, который должен был получить Нобелевскую
премию
150 лет назад, 14 мая 1872
года, в итальянском городе Асти родился Михаил Семенович Цвет, русский ботаник,
открывший новый метод разделения веществ и заложивший основы науки «цветопись»
(«хроматография»).
![(jpg, 139 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=f25e224c-7953-41b8-ae1a-3947ed962e60)
Русский ботаник Михаил Цвет
В 1903 году в докладе
Варшавскому обществу естествоиспытателей Михаил Цвет рассказал, что если
петролейно-эфирный раствор хлорофилла профильтровать через столбик адсорбента
(для этого использовался углекислый кальций, плотно набитый в узкие стеклянные
трубки), то по длине трубки появятся несколько яркоокрашенных слоев: «Пигменты
по расположению их в адсорбционном ряду отлагаются отдельными окрашенными
зонами по столбику сверху вниз благодаря тому, что пигменты с более сильно выраженной
адсорбцией вытесняют книзу слабее удерживаемые».
Рождение хроматографии
Разделение пигментов по цветам
Цвет сравнивал с разделением солнечного луча в радуге. Полученный таким образом
препарат он назвал хроматограммой, а предлагаемую методику — хроматографической,
изящно зашифровав в названии собственную фамилию.
В хроматографической колонке
смесь веществ движется в подвижной фазе (жидкой или газовой) через неподвижную
фазу (твердую или жидкую). Молекулы подобно спортсменам-велогонщикам одновременно
начинают движение от стартовой линии (то есть на входе в хроматографическую
колонку). Как трасса разделяет спортсменов в зависимости от их подготовленности,
так и колонка разделяет молекулы в зависимости от их умения «пробираться» через
заполняющий ее адсорбент. Хроматографическое разделение можно также сравнить с
мутным водным потоком, который захватывает и уносит с собой крупные валуны,
гальку, обломки деревьев и траву. Валуны оседают первыми, а куски дерева могут
доплыть до самого моря.
Доклад, который ознаменовал
рождение нового химического метода, прозвучал в 1903 году — за шесть лет до
того, как Милликен провел свой опыт по измерению заряда электрона, за восемь
лет до опытов Резерфорда с альфа-частицами и за десять лет до того, как Нильс
Бор предложил свою модель строения атома. Открытие оказалось настолько
всеобъемлющим, что нашло применение во всех областях — от химии и биологии до
криминалистики и строительства. По экспертным оценкам, хроматография относится
к 20 выдающимся открытиям прошедшего столетия, которые в наибольшей степени преобразовали
науку и определили дальнейшее развитие техники, промышленности и цивилизации в
целом.
Нобелиат
В 1918 году Михаил Цвет был
номинирован на Нобелевскую премию. «Отвечая на Ваше письмо от 17 сентября 1917
года,— писал в Стокгольм профессор Гронингенского университета Корнелиус ван
Висселинг,— имею честь поставить Вас в известность, что из исследователей по
фитохимии я отдаю предпочтение профессору Михаилу Цвету из Нижнего Новгорода,
ранее из Варшавы, как достойному кандидату на присуждение Нобелевской премии по
химии за его исследования по хлорофиллу и другим пигментам». Председатель
комиссии Нобелевского комитета по химии Олаф Гаммарстен (Olof Hammarsten),
который лично готовил заключение по кандидатуре Цвета, обратил внимание на
особенную методику, с помощью которой Цвет проводил исследования. Гаммарстен
отметил, что самый оригинальный и самый значительный вклад Михаила Цвета в
науку — это разработка нового метода, сулящего в будущем большие перспективы.
Но Нобелевский комитет не мог ориентироваться на перспективность метода.
Предыдущая Нобелевская премия (1915 года) была присуждена Ричарду Мартину
Вильштеттеру «за исследования растительных пигментов, особенно хлорофилла». С
точки зрения исследования пигментов работа Вильштеттера была сильнее, поэтому
Нобелевский комитет не стал присуждать еще одну премию за исследования в той же
области.
Нобелевские премии за использование хроматографического метода
Уже через 20 лет (но после
смерти Цвета) Нобелевский комитет трижды присудил премию за успешное применение
хроматографии в различных областях фундаментальной науки: Паулю Карреру за
изучение каротиноидов, флавинов и витаминов А и В2 (1937 год), Рихарду Куну за
работы по каротиноидам и витаминам (1938 год), Адольфу Бутенандту за
исследование половых гормонов (1939 год). Бутенандт разделил премию 1939 года с
Леопольдом Ружичкой, работа которого по изучению полиметиленов и высших
терпенов тоже была выполнена с применением хроматографии.
В своей Нобелевской лекции
Пауль Каррер отметил важность новых аналитических методов, благодаря которым за
несколько лет было открыто почти 40 каротиноидов. Позже, в 1947 году, он
написал: «Никакое другое открытие не оказало на исследования в органической
химии такого огромного продолжительного влияния, как анализ с помощью
адсорбционной хроматографии Цвета».
В 1952 году Нобелевскую премию
по химии получили Арчер Мартин и Ричард Синдж за открытие распределительной
хроматографии. В 1972 году Нобелевским комитетом за применение хроматографического
метода были отмечены еще трое ученых: Кристиан Анфинсен «за исследование рибонуклеазы,
взаимосвязи между аминокислотной последовательностью и ее биологически
активными конферментами» и коллеги Станфорд Мур и Уильям Штайн за вклад в
прояснение связи между химической структурой и каталитическим действием
активного центра молекулы рибонуклеазы.
Развитие хроматографии в послевоенные годы
Новый этап развития
хроматографии века был непосредственно связан с всемирным интересом к ядерным
исследованиям и с возможностями метода по разделению радиоактивных изотопов.
Известный историк науки Е. М.
Сенченкова пишет, что с 1942 года в лаборатории Шваба в Германии с помощью
метода ионообменной хроматографии проводились работы по созданию атомного
оружия.
В ноябре 1946 года физики и
химики Нью-Йоркской академии наук провели совместную конференцию, посвященную
40-летию хроматографии. На конференции прозвучали доклады об использовании
хроматографических методик для разделения радиоактивных изотопов в проектах по
созданию атомной бомбы.
Эти материалы были
опубликованы в журнале Американского химического общества в 1947 году. Обычно
секретные, в этот раз сведения публиковались открыто — возможно, для того,
чтобы подчеркнуть превосходство США в освоении атомного ядра.
Президент АН СССР Сергей
Иванович Вавилов придавал ядерным исследованиям большое значение. 7 августа
1945 года (на следующий день после взрыва в Хиросиме) он записал в своем
дневнике: «Вчера ночью радио — об урановых бомбах. Начало совсем новой фазы
человеческой истории… Возможности необъятны. Перелеты на другие миры. Гораздо
дальше Ж. Верна. Но неужели горилла с урановой бомбой? Ум, совесть, добродушие
и такт — достаточно ли всего этого у людей? В такой момент я в Академии. Просто
страшно… Что делать? Прежде всего — усиление ядерного исследования».
Вавилов понимал важность
освоения хроматографического метода, однако в СССР хроматографистов было мало и
практически отсутствовала литература, посвященная этому методу. Диссертация
Цвета была издана в Варшаве в конце 30-х годов и быстро стала библиографической
редкостью. В Москве ее не было ни в одной библиотеке. Невозможно было достать и
монографию Цехмейстера и Чолноки «Хроматография. Адсорбционный анализ», где подробно
разбиралась методика Цвета. Эта монография была найдена среди уцелевших книг
разрушенной библиотеки Кенигсбергского университета — единственная книга на всю
огромную страну. Когда по инициативе Вавилова Академия наук СССР начала
издавать серию «Классики науки», то первыми в этой серии вышли переведенные с
латыни «Лекции по оптике» Исаака Ньютона и основополагающие работы Михаила
Цвета по хроматографии.
Ньютона все знают, а многие ли тогда слышали о Цвете?
В 1949 году Академия наук СССР
приняла решение о создании в ИФХ АН СССР (ныне ИФХЭ РАН) лаборатории хроматографии.
Руководить ею был приглашен доктор наук (впоследствии член-корреспондент АН
СССР) Константин Васильевич Чмутов. Лаборатория начинала с двух штатных единиц
— заведующего и младшего научного сотрудника, но проделывала огромную работу,
научную и организационную, для того чтобы превратить хроматографию в широко
распространенный исследовательский и производственный метод.
Хроматография в современном мире
В настоящее время, по разным
оценкам, от 60 до 80 процентов химических исследований во всем мире проводится
с помощью различных видов хроматографии. Экспериментальные возможности,
предоставляемые хроматографической наукой, привели к быстрому развитию
различных направлений химии: химии поверхности твердых тел; исследований
пористой структуры твердых тел; изучению термодинамики и кинетики процессов
сорбции (адсорбции и абсорбции) и др.
В самой тесной связи с
хроматографией получили мощный толчок и быстро развились такие самостоятельные
разделы аналитической химии, как спектроскопия, масс-спектрометрия, элементный
анализ, электрохимия и др. Без аналитической хроматографии стало бы невозможным
расшифровать геном человека, определить пространственную структуру феромонов
насекомых, обеспечить экспресс-диагностику заболеваний в медицине. Хроматографический
метод позволяет проводить скоростной анализ ряда смесей за доли секунды.
Абсолютная чувствительность определения компонентов составляет аттомоли.
Хроматография позволяет изучать химический состав крайне сложных смесей
органических соединений, например нефти, и определять следовые количества
загрязняющих веществ в местах экологических катастроф.
Без хроматографических
ионообменных подходов к очистке невозможны современная водоподготовка,
гидрометаллургия, борьба с промышленными вредными выбросами, создание новых
сверхчистых и композитных материалов, производство лекарств, в том числе
интерферона и инсулина.
Триумф нанотехнологий в XXI
веке — это ренессанс хроматографии, науки, на столетие опередившей свое время.
Михаил Цвет входит в
составленный Федерацией европейских химических обществ (ФЕХО — FECS) список
«100 выдающихся европейских химиков XVIII-XX веков» вместе с четырьмя другими
российскими химиками: Бутлеровым, Ломоносовым, Менделеевым и Семеновым.
Михаил Цвет не успел увидеть
торжество своего метода. В Воронеже, куда его семья приехала в эвакуацию даже
без личных вещей, он был тяжело болен и не мог сам дойти до университета. С
трудом он добился от университетского начальства права пользоваться
«корпоративным транспортом» — телегой с лошадью — и только тогда смог
приступить к чтению лекций. Возможно, он даже не знал о своем выдвижении на
Нобелевскую премию.
Цвет умер в 1919 году в
возрасте 47 лет. Место могилы Цвета неизвестно. На территории воронежского
Акатова монастыря была установлена памятная стела с надписью «Ему дано открыть
хроматографию, разъединяющую молекулы и объединяющую людей».