НАЧАЛО ПУТИ
Николай Дмитриевич Зелинский родился 6 февраля 1861 года в уездном городе Тирасполе Херсонской губернии. Родители мальчика рано умерли от туберкулеза (отец – в 1863 г., мать – в 1865 г.), и Николай остался на попечении бабушки Марии Петровны Васильевой. Его первые вкусы, взгляды и душевные качества формировались под благотворным влиянием этой замечательной русской женщины.
Получив начальное образование дома, Николай три года учился в Тираспольском уездном училище. Нужно было думать о дальнейшем образовании, но в Тирасполе своей гимназии не было. Из учебных заведений южных городов славилась гимназия в Одессе. Сюда и поступил учиться Николай. Гимназия эта была привилегированным учебным заведением. Здесь ученики получали общее образование, необходимое для поступления в университет. В гимназии естественным наукам уделялось мало внимания. Химию проходили только как один из разделов физики.
Николай Зелинский подолгу засиживался в физическом кабинете, ставя увлекательные опыты. Там же раньше работал известный химик Д. И. Менделеев.
Важным моментом в выборе жизненного пути было для будущего химика посещение лекций знаменитого русского физиолога И.М. Сеченова, которые тот читал в большой химической аудитории университета. На первую лекцию «О кровообращении в организме человека» Зелинский пришел вместе с бабушкой. Впоследствии он писал о том огромном впечатлении, которое на него произвела совершенно новая область знаний, открывших понимание закономерностей живой природы. «Ряд лекций, которые мне удалось послушать, - вспоминал Н.Д. Зелинский, - оставил во мне неизгладимый след и послужил основанием к тому, что я твердо остановил свой выбор на естественных науках». Спустя два десятилетия, уже в стенах Московского университета, Зелинского и И.М. Сеченова связала крепкая дружба.
|
|
В 1880 году Николай Зелинский оканчивает гимназию и поступает на естественное отделение физико-математического факультета Новороссийского (ныне Одесского) университета. Это высшее учебное заведение славилось своими демократическими традициями. В его стенах работали крупнейшие русские ученые: И.М. Сеченов, И.И. Мечников, Н.Н. Соколов, В.В. Марковников, П.Г. Меликишвили, А.О. Ковалевский.
Став студентом, Зелинский оказывается в гуще студенческих волнений. Весной 1881 года бывший студент Новороссийского университета Андрей Желябов организовал покушение на царя Александра II. По отношению к студентам университета сразу же были предприняты репрессивные меры. Их арестовывали по всякому ничтожному поводу, исключали из университета, высылали из Одессы или сажали в тюрьмы. В знак протеста против произвола царских властей два прогрессивных профессора И.И. Мечников и А.С. Постников подали прошение ректору об отставке. Оно было тут же удовлетворено. Тогда студенты устроили демонстрацию протеста против отставки любимых профессоров. Н.Д. Зелинский вместе с двумя своими товарищами передал ректору студенческую петицию с резким протестом против произвола. Петиция осталась без ответа, а трем делегатам пригрозили исключением из университета. Однако ученый совет решил не усугублять инцидент, и все подписавшие петицию были допущены к занятиям.
Из всех предметов, которыми на первом курсе занимался Н.Д. Зелинский, больше всего его заинтересовала химия. Кафедра химии была основана русским ученым Н.Н. Соколовым. В годы учебы Зелинского на кафедре работали Н.Н. Соколов и А.А. Вериго, а кроме них плеяда талантливых химиков, преданных науке.
|
|
В 1883 году в Одессе состоялся VII съезд русских естествоиспытателей и врачей – важнейший научный форум того времени. Среди делегатов находился А.М. Бутлеров.
Н.Д. Зелинский присутствовал на съезде как делегат от студентов. Значительное место в работе съезда заняли доклады одесских химиков. А.М. Бутлеров дал высокую оценку их работам с точки зрения новейших достижений органической химии. Выступление Бутлерова произвело на Зелинского неизгладимое впечатление. Через много лет по поводу награждения его большой премией им. А.М. Бутлерова в 1924 году он писал профессору В.Е. Тищенко: «Не имея счастья быть непосредственным учеником Бутлерова, считаю себя духовно с ним связанным. Вспоминаю и то мое настроение и внимание, с которым я слушал, будучи студентом третьего курса, доклады Александра Михайловича на съезде естествоиспытателей в Одессе в 1883 году и как был рад тому случаю, когда Александр Михайлович обратился ко мне с просьбой прогуляться с ним по городу и указать, где почта и телеграф».
После съезда на кафедре химии царило радостное воодушевление. Строились планы новых, еще более интересных исследований. Зелинский не мог остаться в стороне от этой кипучей деятельности. Он попросил П.Г. Меликишвили включить его в исследовательскую группу, чтобы самостоятельно выполнить синтез. Незадолго до этого Меликишвили открыл новый класс органических соединений – так называемых «глицеридных кислот», сочетающих в своей молекуле карбоксильную и a-оксидную функциональные группы:
|
|
R-CH-CH-COOH
\ /
O
Ученый разработал пути синтеза этих соединений, описал их химические свойства. В плане этих работ и провел свое исследование Н.Д. Зелинский. Он синтезировал
a-метиламино-b-оксимасляную кислоту CH3-CHOH-CH-NH-CH3 , использовав в
\
COOH
качестве исходных веществ b-метилглицериновую кислоту CH3-CH-CH-COOH и
\ /
O
метиламин CH3-NH2. В мае 1884 года работа была опубликована в «Журнале Русского физико-химического общества». В этом же году Зелинский получил диплом об окончании университета и был оставлен работать при кафедре химии.
По существовавшей тогда традиции молодые русские ученые обязательно проходили стажировку в передовых западноевропейских лабораториях. Н.Д. Зелинского так-
же командировали в качестве факультетского стипендиата в Германию. Учитывая направление научных работ в Новороссийском университете, для стажировки были выбраны лаборатории И. Вислиценуса в Лейпциге и В. Мейера в Геттингене, где уделялось большое внимание вопросам теоретической органической химии.
В лаборатории И. Вислиценуса Зелинский провел один семестр. Здесь он выполнил экспериментальную работу с использованием натриймалонового эфира. В дальнейшем ученый неоднократно применял в синтезах разработанную им методику.
У В. Мейера в Геттингене Зелинский работал гораздо дольше. В. Мейер в это время находился в расцвете своих творческих сил. Незадолго до приезда Зелинского Мейер
HC=CH \
открыл тиофен ½ S, охарактеризовал его химические свойства и изучил пути
HC=CH ¤ получения.
Н.Д. Зелинский позднее писал, что в 1886 году, когда он работал у В. Мейера, в лаборатории велась интенсивная и увлекательная работа по выяснению строения тиофена, столь родственного бензолу по своему химическому характеру. В. Мейер предложил Зелинскому принять участие в работах по синтезу производных тиофена. Эти исследования впоследствии стали частью его диссертационной работы.
В 1888 году молодой ученый вернулся в Одессу. После сдачи магистерского экзамена он был зачислен приват-доцентом в университет и начал вести курс общей химии для студентов математического отделения физико-математического факультета. С 1890 года он читает для старшекурсников избранные главы органической химии. Одновременно Зелинский ведет большую научную работу. В исследовательскую деятельность он вовлекает способных студентов, ставших его верными учениками и помощниками. Под руководством Зелинского свои первые работы сделали А.М. Безредка, А.А. Бычихин, С.Г. Крапивин и другие студенты, ставшие впоследствии известными учеными.
Н.Д. Зелинский в этот период продолжает исследования, начатые в лаборатории Мейера. Одна за другой выходят в свет статьи ученого о производных тиофена. В 1889 году он представляет к защите магистерскую диссертацию «К вопросу об изомерии в тиофеновом ряду». В ней получили дальнейшее развитие теоретические представления органической химии.
Теория химического строения А.М. Бутлерова существовала уже четверть века. В руках химиков она явилась могучим оружием, помогающим отыскивать новые пути синтеза органических соединений, предсказывать существование новых, еще не открытых соединений и даже целых классов органических веществ.
Одним из основных положений теории Бутлерова является представление об изомерии – явлении, при котором вещества, имеющие одинаковый состав, но различное строение молекул, отличаются друг от друга по своим химическим и физическим свойствам. Как известно, новые представления не сразу завоевали всеобщее признание, и в свое время Бутлерову, чтобы доказать их справедливость, пришлось синтезировать все бутиловые спирты – изомеры, имеющие состав C4H9OH.
Н.Д. Зелинский, как и другие химики, широко использовал в своей работе теоретические представления А.М. Бутлерова, правильность которых не вызвала у него сомнений. Тем более велико было его изумление, когда он ближе ознакомился с соединениями ряда тиофена. Получалось, что для этого класса веществ, в частности для дикарбоновых кислот тиофена, положение теории А.М. Бутлерова об изомерии не выполняется. Согласно теории должны существовать четыре структуры:
HC-CH HC-C-COOH
֍ ֍ ֍ ֍
HOOC-C C-COOH HOOC-C CH
\ / \ /
S I S II
HC-C-COOH HOOC-C-C-COOH
֍ ֍ ֍ ֍
HC-C-COOH HC CH
\ / \ /
S III S IV
Что же оказалось на практике? В 1885 году И. Месиингер впервые получил дикарбоновую кислоту тиофена, которая, как было доказано, описывается формулой I. После этого около десяти ученых различными способами пытались синтезировать хотя бы одну какую-либо другую из теоретически предсказанных структур, однако сделать это им не удавалось. Во всех случаях образовывалось только вещество I.
Чтобы опровергнуть сложившееся мнение об «исключительности» соединений тиофена, Зелинский в своей магистерской диссертации решил пойти по пути А.М. Бутлерова, а именно синтезировать недостающие изомеры дикарбоной кислоты тиофена и изучить их физические и химические свойства. Для осуществления этой задачи нужно было тщательно продумать пути синтеза, ведь предыдущим исследователям не удалось решить подобную задачу. Отыскать правильный путь было нелегко, подходить к синтезу пришлось издалека. Чтобы в этом убедиться, проследим, как был получен Зелинским один из изомеров – соединение II. Исходными веществами для его получения послужили натрий ацетоуксусный и a-бромпропионовый эфир, из которых вначале был синтезирован метилянтарный эфир:
Na Br
ï ï
CH3-CO-CH-COOC2H5 + CH3-CH-COOC2H5 ®
® NaBr + CH3-CO-CH-CH-COOC2H5
ï ï
H5C2OOC CH3
При омылении этого эфира в присутствии соляной кислоты получалась a-метиллевулиновая кислота:
HCl CH3
CH3-CO-CH-CH-COOC2H5 + 2HOH ® CO2 + 2C2H5OH + ï
ï ï CH3-CO-CH2-CH-COOH
C2H5OOC CH3
Далее превращения осуществлялись по схеме:
CH3 HC-C-CH3
ï P2S ÷ç ÷ç
CH3-CO-CH2-CH-COOH ® H3C-C CH ®
\ /
S 2,4-диметилтиофен
HC-C-COOH
® ÷ç ÷ç
HOOC-C CH
\ / 2,4-тиофендикарбоновая кислота
S
Следует сказать, что в этом и других синтезах Н.Д. Зелинский впервые получил и подробно и изучил промежуточные вещества, такие, как 2,4-диметилтиофен, тиофенмонокарбоновые кислоты и др. В результате кропотливой работы были синтезированы все три недостающих изомера тиофендикарбоновой кислоты. Это была новая победа теории А.М. Бутлерова, добытая кропотливым трудом неутомимого молодого исследователя.
Защита магистерской диссертации состоялась в 1889 году. А мысли ученого были устремлены уже дальше. Подтвердив справедливость теории А.М. Бутлерова для соединений тиофенового ряда, Зелинский решает заняться изучением такого вида изомерии, который на первый взгляд не укладывается в рамки теории химического строения. Дело в том, что теория Бутлерова в своем первоначальном виде не содержала каких-либо положений о расположении атомов в пространстве. Для объяснения имевшихся в то время экспериментальных данных достаточно было плоскостного изображения молекулярных структур. Однако со временем стали появляться такие данные, которые невозможно было объяснить с позиций классической теории.
Еще в первой половине XIX века было доказано существование двух винных кислот одного и того же состава: HOOC-CHOH-CHOH-COOH. Физические и химические свойства обеих кислот оказались совершенно одинаковы. Они лишь по-разному вращали плоскость поляризации света: одна из них – вправо, а другая – влево. В 1869 году немецкий химик И. Вислиценус обнаружил, что такое же явление характерно и для молочных кислот. Оказалось, что молочная кислота брожения – левовращающий изомер, а молочная кислота, образующаяся при работе мышцы, - правовращающий изомер (так называемая мясомолочная кислота). Заслуга в объяснении этих и им подобных факторов принадлежит голландскому химику Я. Вант-Гоффу. Он высказал предположение, что четыре атома или радикала, связанные с атомом углерода, расположены не на одной плоскости, а по углам тетраэдра, в центре которого находится углеродный атом. Если обозначить атом или радикал буквой R1, то пространственное расположение атома C и четырех R будет выглядеть следующим образом:
R1
C
_ _ _ _ _ _ _ _ _
R1 R1
R1
Если заменить один из радикалов R1 на R2, то получатся фигуры, которые после вращения в пространстве при наложении совпадают друг с другом, а значит, изображаемые этими структурами молекулы тождественны между собой. Такая же картина будет наблюдаться при замещении любого второго R1 на радикал R3. Но при замещении одного из двух оставшихся радикалов R1 на радикал R4 должны получаться две различные пространственные структуры:
R1 R1
 |  |
C C
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
R4 R2 R2 R4
R3 R3
На примере молочных кислот расположение атомов в пространстве можно представить следующим образом:
COOH HOOC
COOH
ï ®
C CHOH C
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
H OH HO H
CH3
CH3 CH3
Эти структуры ни при каком вращении в пространстве не могут совпасть друг с другом. Таким образом, из теории Я. Вант-Гоффа следует, что если молекула асимметрична, то при одинаковом порядке связей атомов в молекуле появляется изомерия, зависящая от различия в пространственном расположении атомов, так называемая пространственная изомерия или стереоизомерия.
И все же, несмотря на глубокое теоретическое обоснование нового явления изомерии, самих веществ – оптических изомеров известно было немного. Так, в 1874 году их было открыто всего 13, а к 90-м годам XIX века – ненамного больше.
Н.Д. Зелинский решил подробнее изучить явление стереоизомерии на целом ряде производных предельных двухосновных карбоновых кислот, которые согласно теории должны давать стереоизомеры. Однако соединения задуманного состава необходимо было синтезировать, найдя простой и надежный путь.
Реакция между бромзамещенными сложными эфирами и цианидом калия KCN известна была давно. Она приводила к образованию цианзамещенных эфиров:
R-CH-COOC2H5 + KCN ® R-CH-COOC2H5 + KBr
ï ï
Br CN
При внимательном изучении этой реакции Зелинский обнаружил, что она способна идти дальше и давать производные дикарбоновых кислот, которые являются стереоизомерами:
K
ï
R-CH-COOC2H5 + KCN ® R-C-COOC2H5 + HCN
ï \
CN CN
K CN
| |
R-C-COOC2H5 + R-CH-COOC2H5 ® R-CH-C-R + KBr
| | | |
CN Br C2H5OOC COOC2H5
CN
|
R-CH-C-R + 4H2O + HCl ® R-CH-CH-R + NH4Cl + 2C2H5OH + CO2
| | | |
C2H5OOC COOC2H5 HOOC COOH
Н.Д. Зелинский таким методом получил производные янтарной, глутаровой, адипиновой и пимелиновой кислот. Все они интересны тем, что их молекулы содержат не один, как у молочной кислоты, а два асимметричных атома углерода. Тщательно изучив эти соединения, Зелинский в докторской диссертации не только подтвердил правильность взглядов Я. Вант-Гоффа, но и творчески развил их дальше. Он делает вывод, что «явления стереоизомерии среди углеродных соединений должны быть признаны фактом, действительно существующим и теми учеными, которые относились с сомнением и враждебно к возможности существования изомеров, структурно идентичных. Теория строения не предвидела таких случаев изомерии,... но стоило только формулам строения придать стереометрическое значение, как то, что казалось непонятным, приняло новую и ясную форму, нисколько не подрывая основ теории химического строения, но, напротив, все далее ее развивая и совершенствуя». Диссертация была блестяще защищена в 1891 году.
После защиты диссертации Н.Д. Зелинский продолжает интенсивно работать. Почти в каждом номере «Журнала Русского физико-химического общества» появляются его новые статьи. Летом 1891 Зелинский получает неожиданное приглашение принять участие в глубоководной экспедиции по исследованию Черного моря. Экспедиция проводилась на канонерской лодке «Запорожец» и субсидировать Морским министерством и Новороссийским обществом естествоиспытателей. Во время экспедиции Зелинский взял для анализа пробы грунта с разных глубин в пяти различных пунктах Черного моря, чтобы выяснить источник сероводорода. По существовавшей тогда теории, выдвинутой профессором Н.И. Андрусовым, сероводород выделялся при гниении организмов, вымерших в недалеком геологическом прошлом. Анализы Зелинского убедительно показали, что сероводород в море является продуктом жизнедеятельности особых бактерий, живущих на дне.
ПРЕЕМНИК МАРКОВНИКОВА
Осенью 1893 года Н.Д. Зелинский приступил к работе в Московском университете. Он возглавил кафедру органической химии и одновременно стал заведовать аналитической и органической лабораториями.
По традиции новый профессор должен был прочесть вступительную лекцию. Темой своей лекции Зелинский избрал химические работы Луи Пастера. Зелинский говорил: «Идеи и работы Пастера представляют глубокий научный интерес как по самой сущности своей, так и по последовательности их развития».
Лекция стала событием в жизни Московского университета. Все были единодушны во мнении: Московский университет приобрел в лице Н.Д. Зелинского широко образованного ученого, стоящего на переднем крае современной науки.
Для Зелинского было характерно творческое отношение не только к своей научной работе, но и, казалось бы, к так хорошо изученному студенческому практикуму. В 1894 году появилось первое издание пособия Л. Гаттермана для студентов «Практические работы по органической химии». Оно отличалось продуманным подбором необходимых для практики синтезов и опиралось на самые последние достижения органической химии. Рекомендуя студентам пользоваться в своей практической деятельности этим удачным пособием, Зелинский каждый раз указывал, что не существует идеальных учебников и пособий, необходимо критически осмысливать изложенный в них материал и находить оригинальное решение задачи. Лабораторная практика давала много примеров. При описании опыта по получению натрийнитрометана по методу П. Нефа указывалось, что при высушивании продукта иногда происходит взрыв. Студент осуществил синтез и продемонстрировал это профессору. При переносе продукта в склянку с влагой раздался сильный взрыв.
Зелинского заинтересовал этот опыт. Вместе со студентом Шиловым он выполнил научную работу, чтобы выяснить, в чем же причина взрыва. Ученый повторил опыт несколько раз и пришел к выводу, что взрыв происходит при соприкосновении продукта с водой.
Среди других синтезов, рекомендуемых руководством Гаттермана, был и многостадийный способ получения альдегидов. Зелинский решил упростить синтез и предложил получать альдегиды из магнийорганических соединений и муравьиной кислоты. Эта простейшая карбоновая кислота заинтересовала ученого, потому что ее молекула уже содержит альдегидную группу. Для опытов были взяты магнийиодорганические соединения с общей формулой R-Mg-I, где R – это CH3, C2H5, C3H7, C4H9 и C6H5:
O OMgI
// /
H-C + 2CH3MgI ® CH4 + CH3-CH
\ \
OH OMgI
Полученный продукт далее гидролизуется с образованием нестойкого промежуточного двухатомного спирта, который переходит в уксусный альдегид.
Результаты этих опытов в феврале 1904 года были доложены на заседании отделения химии Русского физико-химического общества, а студенческий практикум обогатился новым общим простым и надежным способом получения альдегидов.
Очень скоро Н.Д. Зелинский приобрел широкую популярность среди университетской молодежи. С его приходом на кафедру сразу почувствовались перемены в практической подготовке химиков. Зелинский добивался, чтобы студент успешно овладевал практикой органического синтеза, только после этого он допускался к исследованию.
Наряду с большой научно-педагогической деятельностью в университете Зелинский много времени уделял общественной работе вне университета. Он организовывает кафедру органической химии на открывшихся в 1900 году Московских высших женских курсах и становится ее руководителем. В начале 900-х годов по предложению Министерства финансов Зелинский оборудует в Москве Центральную лабораторию, из которой впоследствии вырос Институт химических реактивов и особо чистых химических веществ. В 1908 году он принимает деятельное участие в организации народного университета им. А.Л. Шанявского. Вступив в Русское физико-химическое общество еще в 1887 году, Зелинский за 50 лет сделал на его собраниях около 150 докладов. В 1924 году за эту педагогическую деятельность ему присудили большую премию им. А.М. Бутлерова.
Н.Д. Зелинский принимал активное участие в Московском обществе любителей естествознания, антропологии и этнографии, существовавшем при Московском университете до 1930 года. Отделение химии этого общества в течение ряда лет, в особенности с 1890 по 1914 год, являлось наиболее крупным общественным объединением московских химиков. На его заседании неоднократно выступал Зелинский.
У Зелинского была маленькая лаборатория, в которой он продолжил исследования, вытекавшие из методов синтеза, примененных им ранее в работах по получению замещенных двухосновных кислот жирного ряда и по замыканию гетероциклов. Здесь, в московской лаборатории, где его выдающийся предшественник по кафедре В.В. Марковников уже прославил себя работами по изучению природной нефти и выделенных им из кавказской нефти циклических углеводородов-нафтенов, опыт предыдущих работ Зелинского в области синтетических методов получения циклических соединений оказался плодотворным для оригинального и самостоятельного направления в исследовании различных нефтей. Зелинский подошел к разрешению той же задачи, которая интересовала и В.В. Марковникова, - исследование нефти, но совершенно новым путем. Ранее он искал возможности замкнуть цикл, содержащий серу, и получить тиофен. Теперь он решил попытаться подойти к замыканию алициклического кольца и синтетически получить углеводороды, содержащиеся в нефти. Эту задачу Зелинскому удалось разрешить блестяще.
Интерес к синтезу углеводородов возник у Зелинского еще в 80-х годах XIX века в процессе его работ по стереоизомерии двухосновных кислот. При перегонке диметиладипиновой кислоты, кипящей без разложения при 3200 С, ученый заметил, что, кроме кристаллической кислоты, перегоняется в небольшом количестве какое-то маслянистое вещество. Зелинский предполагал, что это был 1,3-диметилциклопентанол-2
H2C________CH-CH3
C=O
H2C CH-CH3
Молекула этого вещества имеет замкнутое строение с 5 углеродными атомами в кольце. Зелинский понимал, что через такие соединения открывается прямой путь к циклическим углеводородам с использованием, например, цепочки: двухосновные кислоты ® циклические кетоны ® циклические спирты ® галогензамещенные ® цикланы. Именно по этой схеме в 1895 году Зелинский получил первый циклопарафин – 1,3-диметилциклогексан. Вначале была подвергнута сухой перегонке кальциевая соль диметилпимелиновой кислоты:
CH2 CH3 CH2
/ \ / / \
H2C CH-C=O H2C CH-CH3
| \ нагревание | | + CaCO3
H2C C-O O H2C C=O
\ / \\ | \ /
H3C-CH O Ca H3C-CH
Затем 1,3-диметилциклогексанон-2 был превращен через спирт и галогенпроизводные в циклический углеводород.
Синтезированный углеводород, имеющий общий состав C8H16, был сопоставлен с выделенным ранее Марковниковым из нефти октанафеном того же состава. Свойства этих веществ практически совпадают. Значит, 1,3-диметилциклогексан и октанафен – одно и то же соединение. Таким образом, Зелинский получил такой же углеводород, какой входит в состав природной нефти.
Последующие исследования были направлены на определение химических свойств углеводородов, разработку синтетических методов их получения. Особое внимание Зелинского привлекали циклические нафтеновые углеводороды. После синтеза 1,3-диметилциклогексана в 1895 году ученый получил 1,3-диэтилциклогептан, 1,2,4-триметилциклогексан и 1,3-диэтилциклогексан. Зелинский повторил синтез циклогексана по Байеру, чтобы изучить свойства этого вещества.
Одни синтезы следуют за другими. Получив многие десятки веществ циклического строения, Зелинский решает проверить одно из основных положений теории строения Бутлерова – положение о взаимном влиянии атомов в молекуле. Это исследование можно было провести, используя химические реакции, ученый со студентом определяет константы диссоциации циклопарафиновых кислот путем измерения электрической проводимости их растворов. Эксперименты в этом направлении Зелинский начал еще в Одессе. В Московском университете ученый исследует действие электрического тока на соли щелочных металлов нитросоединений предельного ряда. Под влиянием работ ученика Марковникова –Каблукова, открывшего аномальное поведение электролитов в неводных растворителях, Зелинский изучает электролитическое состояние солей и некоторых кислот в метиловом алкоголе. Однако наибольший интерес представляет его работа с растворами карбоновых кислот циклического строения, экспериментальным доказательством того, что константа диссоциации пропорциональна произведению концентрации недиссоциированных молекул.
Работа по синтезу циклических углеводородов и их производных приобретала все больший размах. Н.Д. Зелинский ставит перед руководством университета вопрос о расширении лаборатории. По примеру Марковникова он принимает деятельное участие в проектировании, а затем и в строительстве нового помещения. В.П. Кравец вспоминал: «Работа шла с утра до вечера. Последним уходил Зелинский. Он был для нас олицетворением образа ученого – главы большой растущей школы химиков-органиков».
РАБОТА В ПЕТРОГРАДЕ
Н.Д. Зелинский активно участвовал в общественной жизни Московского университета. Он горячо приветствовал революционное движение студенчества в 1905 году, которое заставило царское правительство издать указ, восстановивший право университетов избирать ректора. С 1905 по 1910 год Руководство Московского университета избиралось демократическим путем.
С 1910 года новый подъем революционного движения не оставляет в стороне студенчество. В 1910 году по университету прокатилась волна митингов.
В результате гонений царской полицией студенческого движения в отставку подали 112 профессоров. В числе ушедших такие ученые, как Вернадский, Лебедев, Тимирязев. Среди них был и Зелинский.
Позже Зелинский получил из Петербурга предложение возглавить Центральную лабораторию Министерства финансов, а также заведовать кафедрой товароведения на экономическом факультете Петербургского политехнического института.
Центральная лаборатория обслуживала в основном спиртоводочные заводы. Перед лабораторией стояла проблема очистки этилового спирта от примесей высших спиртов, так называемых сивушных масел. Метод химической очистки оказался непригодным, так как этанол является более реакционно-способным, чем бутиловый, амиловый и другие. Оставался адсорбционный метод очистки с помощью древесного угля, открытый еще русским ученым Ловицем в 1785 году.
Научная работа была прервана начавшейся в августе 1914 года первой мировой войной. В первые месяцы войны в Германии возник дефицит каучука, бензина и селитры – источника азотной кислоты, необходимой для производства взрывчатых веществ. В такой обстановке ученые были мобилизованы на выполнение военных заданий.
В конце 1914 года группа немецких химиков во главе с Ф. Габером, директором Берлинского физико-химического института, вопреки Гаагской конвенции 1898 и 1907 годов предложила немецкому командованию применять в боевых условиях газообразные или легколетучие жидкие ядовитые вещества в виде облака.
Первая химическая атака была проведена на северо-западе Бельгии. Было израсходовано 180 тонн хлора на участке шириной 6 км. Концентрация хлора составила 0,01 – 0,1 %, что является смертельной дозой для человека.
Сразу после получения известий о газовой атаке Зелинский приступил к поиску путей защиты от газообразных ядов и созданию противогаза. Главными действующими реагентами в противогазах были гипосульфит (тиосульфат) натрия Na2S2O3 и сода Na2CO3:
Na2S2O3 + 4Cl2 + 5H2O = Na2SO4 + H2SO4 + 8HCl
Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2
Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2O + CO2
В результате реакций образуется неядовитые продукты.
Но предложенная смесь неуниверсальна; она обезвреживает только хлор. Нужна была совершенно новая идея. Зелинский заметил, что выживали те, кто дышал через влажную тряпку или шинель. Ученому стало ясно, что причину защиты от ядовитых газов надо искать в их адсорбции пористыми телами.
Первые опыты были проведены в Центральной лаборатории. В герметически закрытой комнате зажги большой кусок серы. При этом образовался ядовитый оксид серы (IV):
S + O2 = SO2
Когда концентрация газа стала достаточно высокой, в комнату, прижимая к носу платок с прокаленным углем, вошли Н.Д. Зелинский и его сотрудники В.С. Садиков и С.С. Степанов. Полчаса находились испытатели в отравленной атмосфере без каких-либо последствий для здоровья.
Началось систематическое исследование свойств угля. Оказалось, что обычный уголь обладает невысокой поглотительной способностью. Увеличить его поглотительные свойства можно путем активирования. Смысл активации угля состоит в том, что с внутренней поверхности пор удаляются адсорбированные тяжелые углеводороды и смолистые вещества. Сначала уголь пропитывали спиртом и эфиром, а затем прокаливали. Из пор удалялись высокомолекулярные органические вещества, а уголь приобретал большую пористость и, следовательно, высокоразвитую поверхность. Дальнейшие опыты показали, что активацию можно проводить и водяным паром. При высоких температурах в порах угля образуется так называемый водяной газ:
H2O + C = H2 + CO
Под впечатлением результатов ученый пишет докладную записку в Управление санитарной и эвакуационной части о необходимости создания угольного противогаза. В июне 1915 года он делает доклад на заседании санитарно-технического отдела Русского технического общества, а в августе выступает с сообщением об адсорбционных свойствах угля на экстренном заседании экспериментальной комиссии при медицинской комиссии Всероссийского союза городов в Москве.
Для эффективности химических атак немцы решили применить дихлордиэтилсульфид – «горчичный газ», применение которого привело к большим жертвам. Были использованы противогазы Зелинского с дополнительными коробками с химическим поглотителем.
СКОРОСТЬ И ТОЧНОСТЬ
Современный ученый, разрабатывающий эффективный промышленный метод получения какого-либо продукта, должен предложить процесс, протекающий с высокой производительностью и с образованием одного целевого продукта. Решить сегодня эту задачу без катализаторов нельзя.
Явление увеличения скорости реакции за счет веществ, не принимающих видимого участия в реакции, - катализ стал объектом внимания Зелинского на долгие годы.
Н.Д. Зелинский полностью разделял взгляды Д.И. Менделеева о том, что на поверхности твердого катализатора происходит деформация молекул реагирующих веществ, вследствие чего повышается их реакционная способность.
Теоретические воззрения Н.Д. Зелинского на природу каталитического акта базировались на его многочисленных исследованиях каталитических превращений углеводородов. Он синтезировал более 30 новых углеводородов, среди которых сложные циклические соединения – спирановые и бициклические.
1. Дегидрогенизационный катализ – каталитические превращения насыщенных углеводородов, приводящие к образованию ненасыщенных соединений за счет отщепления водорода. Впервые это явление было описано Зелинским в 1911 году на примере дегидрирования шестичленных циклов в присутствии платины и палладия.
При исследовании катализа впервые была открыта избирательность действия катализаторов. Сущность явления состоит в том, что каждому типу катализаторов отвечает строго определенный круг превращений. Поздняя формулировка – селективность действия катализаторов.