Вести из Российской академии наук

                         "Химия - это самая сложная физика, физики отдали её химикам"

        24 марта 2009 на очередном заседании члены Президиума Российской академии наук заслушали научное сообщение академика Анатолия Леонидовича Бучаченко «Новая изотопия в химии и биохимии».

     Академик Бучаченко - лауреат Ленинской премии, Государственной премии СССР,  один из создателей новой области науки — физики и химии магнитно-спиновых явлений, в 1976, совместно с Ю. Н. Молиным и Р. З. Сагдеевым открыл новое явление фундаментальной важности — магнитный изотопный эффект, сформулировал новый принцип разделения изотопов, предсказал важные следствия этого эффекта для геологии, геохимии, космохимии. Анатолий Леонидович Бучаченко открыл радиоизлучение химических реакций.

 Эти работы стали основой химической радиофизики — новой области науки на границе химии и радиофизики.

   В докладе академика речь шла  о сверхтонком взаимодействии молекул. Подобные исследования проводятся в Сибирском отделении РАН. Отметим, что это чисто российское направление исследований, подобные исследования не ведутся в других странах. В докладе говорится о возможностях, которые открываются в этом направлении науки.

   Фундаментальность физических проблем химии и самостоятельность физики химических процессов ясно осознавал великий физик Р. Фейнман, выразив это одной фразой: "Химия - это самая сложная физика; физики отдали её химикам".

 "Новая земля" в химической науке - спиновая химия. ( Частица, которую можно (а иногда даже следует) считать точечной, способна "вращаться". Правильней сказать так: такая частица обладает собственным моментом вращения, или спином (по-английски spin - вращаться). Спин - неизменное, неустранимое свойство частицы, такое же, как ее масса и заряд.

Спиновая химия основана на фундаментальном и универсальном принципе сохранения спина в химических реакциях: все реакции селективны по спину - они разрешены только для таких спиновых состояний продуктов, в которых полный спин идентичен спину реагентов. Реакции запрещены, если в них требуется изменить спин.

   Спиновая химия уникальна: она вводит в химию магнитные взаимодействия. Будучи пренебрежимо малыми по энергии, магнитные взаимодействия переключают реакцию между спин-запрещенными и спин-разрешёнными каналами. В конечном счете, они контролируют химическую реакционную способность и пишут новый, магнитный сценарий реакции.

   К примеру, в химически значимом случае двух радикалов - частиц с неспаренным, одиночным электроном и электронным спином, спины обоих электронов радикальной пары складываются. Это состояние пары  нереакционноспособно. Магнитные взаимодействия  изменяют спин пары, превращая данное состояние в реакционноспособное, из которого рождаются продукты. 

   Эти взаимодействия является источником многочисленных магнитно-спиновых эффектов в химии: химически индуцированная магнитная поляризация электронов и ядер; химически детектируемый магнитный резонанс; радиоизлучение химических реакций; магнитный изотопный эффект; микроволновой изотопный эффект; спиновая когерентность в химических реакциях; магнитно-полевой эффект; спиновый катализ.

   Все они основаны на спиновом контроле химических реакций, и этот контроль осуществляется энергетически ничтожными магнитными взаимодействиями - в этом величие и уникальность спиновой химии. Большинство эффектов в спиновой химии, причём наиболее значимых, открыто российскими учёными.

   Академик Бучаченко в своем докладе рассказал о фракционировании изотопов в химических и биохимических реакциях, индуцированных изотопными эффектами. Этот процесс основан на двух фундаментальных свойствах атомных ядер – массе и магнитном моменте. Классический, масс-зависящий изотопный эффект (КИЭ) сортирует изотопные ядра по их массам; магнитный изотопный эффект фракционирует ядра по их магнитным моментам. Первый символизирует старую, классическую изотопию, второй открывает новую, магнитную изотопию.  Магнитный изотопный эффект появляется в реакциях, запрещённых по электронному спину.

   Магнитный изотопный эффект был открыт в 1976г., значительно позже классического, масс-зависимого эффекта. С тех пор он был обнаружен во многих реакциях, для многих изотопных пар и триад.

   МИЭ есть свидетельство того, что молекула рождается в спин-селективной реакции, что её “родители” являются спин-несущими, парамагнитными частицами с открытыми электронными оболочками. В отличие от классического эффекта (КИЭ), который существует во всех реакциях, независимо от их механизма, МИЭ – индикатор спин-селективной реакции и потому он рассказывает о химическом механизме гораздо больше, чем КИЭ.

   Реакционная способность химически тождественных спин-несущих реагентов сильно зависит от того, содержат эти реагенты магнитные или немагнитные, бесспиновые ядра. Это означает ядерно-спиновый контроль химических реакций – уникальное явление, когда магнитный момент ядра (а не его масса) управляет химией.

   Новый, магнитный изотопный эффект значительно раздвигает горизонты классической изотопии и потому можно говорить об изотопии нового уровня, о новой изотопии. То, что в старой изотопии считалось изотопными аномалиями, теперь превращается в закономерность. Это относится, в частности, к изотопии кислорода в углистых хондритах – минералах космического происхождения.

   Известны и другие изотопные аномалии, которые раньше оставались загадочными. В новой изотопии нельзя игнорировать магнетизм ядер: в нём хранится новая, непредвиденная информация о химических событиях; в первую очередь это относится к биохимии. 

   Синтез молекулярных энергоносителей в живых организмах осуществляется ферментами − молекулярными машинами. Все они работают только в присутствии ионов магния. Но если в ферментах заменить природный магний его чистой изотопной формой ²⁵Мg, то производство энергоносителей возрастает в 2-3 раза. Это выдающееся открытие послужило основой создания новых медицинских средств против гипоксии и сердечной недостаточности.

   Выступивший в прениях по докладу академик Сергей Михайлович Алдошин заметил: «Академик Андреев когда-то сказал, что деление науки на области заканчивается, и все науки интегрируются в одну, условно называемую физикой. Химия в последнее время все теснее объединяется с физикой».    

   В завершение обсуждения вице-президент РАН академик Геннадий Андреевич Месяц поблагодарил за прекрасный доклад и великолепное изложение сложнейших проблем.