Таны өмнө монитор, хананд обой, хөл дор ковроллин эсвэл ламинат… Та өөрөө жийнстэй… Гутал хувцас, буйдан, ламинат  зэрэг ямар холбоотой билээ? Энэ асуултын хариулт нь эд бүгд л байгальд байдаггүй эсвэл маш өчүүхэн хэмжээтэй химийн асар нарийн бодисоос бүтжээ гэдэгт л байна. Өдгөө энэ бүгдгүйгээр хэвийн амьдралыг төсөөлөхөд бэрх.Нобелийн энэ жилийн химийн шагналыг зэрлэг байгалиас өөр, өөрийн ертөнцийг хүмүүс бүтээхэд тус болсон эрдэмтдэд олгожээ.

Эртнээс

Жижиг духтай, том эрүүтэй үсэрхэг амьтан үндэс ухаж идэхээр анх саваа мод барьснаар Homo sapiens болон хувирч ирсэн гэдэг. Хөгжлийн дараагийн шатандаа бидний элэнц хуланц тэр саваагаа хурц ирмэгтэй чулуугаар үзүүрлэж эхэлсэн ба дараа нь байгальд байхгүй багаж хэрэгслийг хийж иржээ.
Тодорхой нэгэн үед хүний санаа бодол улам нарийсан байгалийн материалуудаар түүнийг хэрэгжүүлэх аргагүй болсон юм. Хэдий чинээ тусгай  чанар шаардах тусам шинэ материал бэлтгэхэд улам хүнд болж байлаа. Эхлээд туршилт, алдааг дамжин шинэ аргатай болж, сүүлд нь матерын чанарын төсөөлөл хөгжих тусам хүмүүс шинэ бүтэц ямар байхыг хэлж чадах болоод үйлдлийг нь урьдчилан төлөвлөх болсон байна.

Ер бусын чанартай шинэ бодисыг химичид органик молекулаас голчлон гаргаж авсан юм. “Органик бодис” гэдэг нь заавал нүүрс төрөгч оролцсон ээдрээтэй бүтэцтэй бодисыг хэлж байгаа билээ. Нүүрс төрөгчийн атомын хоорондын холбооны тусламжтайгаар тийм бодисууд нь урт бөгөөд бат бэх молекулд нэгдэх бөгөөд тэднээс химичид бүхий л янзын зохиомжийг гаргаж авдаг.

Өөрийн хүрэлцээ

Практик дээр ээдрээтэй молекулын нийллэг нь хэд хэдэн шатлалтай явагдана. Эхлээд мэргэжилтнүүд нэг молекулыг аваад түүндээ хэсгийг нэмээд дараа нь өөрчлөн бас дахин өөр хэсгийг нэмэх гэх мэтээр үйлдэл хийгдэнэ. Тийм урвалын схемыг бүтээх нь маш ээдрээтэй нарийн ажил юм. Тэр нь нүүрс төрөгчийн атомууд органик нэгдэлд тэр болгон бие биетэйгээ хамтраад байдаггүйгээс улам ч хүндрэлтэй.

Нүүрс төрөгчийн атомууд өөрийн адил атомуудтай холбогдох хүсэлгүйг ойлгохын тулд ямар ч бодисны атом хэрхэн бүтдэгийг ойлгох хэрэгтэй болно. Атомын төвд нь протон ба нейтроны цөм оршин түүнийг тойроод электронууд эргэлдэж байдаг (ус төрөгчөөс бусад бүх элементүүдэд). Протонууд нь эерэг, электрон нь сөрөг цэнэгтэй, атомын нийт цэнэг тэг байхын тулд протон ба электронуудын тоо адилхан байх ёстой (нейтрон цэнэггүй). Тэгэхлээр протон их байх тусам их хэмжээний электронууд түүнийг тойрон эргэлддэг болж байгаа юм.
Бие биедээ саад болохгүйн тулд электронууд цөмийн орон зайн янз бүрийн хэсэгт байрлана. Үүнийг тэд цөмийн эргэн тойрон сонгинын хальс шиг бүрхүүлийг бий болгодог гэж хэлж болно. Хальс бүрт нь найман электрон чөлөөтэй байрлах ба тэд бүгд “гэртээ байхыг” хальс нь өөрийн хүрэлцээтэй болж байна гэдэг ажээ. Тэр нь үүсэн зохист байдлыг электроныг нэмэх буюу хасах зэргээр эвдүүлэхгүйн эсрэг байдаг.

Ричард Хек, Эйити Нагиси ба Акира Судзуки. Фото:nobelprize.org сайтаас

Химичдийн хувьд хамгийн чухал нь гадна хальс юм. Тэр нь л энэ атом бусад атомтай хамтрах уу үгүй юу гэдгийг шийддэг. Нүүрс төрөгчийн тэр хальсанд дөрвөн электрон байдаг ба тэр өөртөө дахин дөрвийг авахаар бүх хүчээ гаргана. Нүүрс төрөгчийн атом нь дутуугаа бусад атомууд тэдний тоонд цорын ганц электронтой устөрөгчийнхөөс авдаг. Хэрэв нүүрс төрөгч  нь устөрөгчид ойртсон бол тэр ганц электроныг нь авчихна. Гэхдээ ганц “хүү” нь огт явчихгүй нүүрс төрөгчийн протоныг ч тойрно, устөрөгчийн протоныг ч тойрно. Нэг үгээр хоёуланд хангамж өгөөд л байх жишээтэй. Тэр тогтворгүй “нөхрийг” алдахгүйн тулд хоёр цөм үргэлж зэрэгцэн байх ёстой болдог. Үүнийг химийн холбогдол гэж нэрлэдэг.

Уулзах газар

Одоо химичдийн нийлүүлээд байдаг тэр ээдрээтэй органик молекулдаа буцья. Эхлэлийг заавал цэвэр нүүрс төрөгч гэх ч албагүй. Химичид нүүрс төрөгчөөс гадна өөр элементүүдтэй харьцангуй энгийн молекулуудыг ашигладаг. Тийм молекулд гадна хальс нь электроноор бүрэн  хангагдсан учир гадны атомтай хамтраад байх эрмэлзэлгүй.

Палладийн атомын (улаанаар үзүүлсэн) тусламжтай хоёр молекулын урвалын схем. Фото:nobelprize.org сайтаас

Нүүрс төрөгчийн тэр “гажүүд занг” нугалсан анхны хүн нь Виктор Гриньяр (Victor Grignard). ХХ зууны эхэнд тэрээр нэгэн бодис бүтээснийг хожим Гриньярын урвалж гэж нэрлэсэн байна. Тэр урвалж өөрийн онцгой байгууламж ба нүүрс төрөгчийн өөрийн хэрэгцээт хальсийг органик молекулуудад “үймүүлж” чадсанаар түүний урвалын чадварыг хамаагүй нэмэгдүүлж өгчээ. Гриньяр тэр бодисыг гаргасныхаа төлөө 1912 онд Нобелийн шагналтан болж байжээ. Түүнд шагналыг яаран олгосонд тайлбар хийх амархан. Гриньярын урвалж нь химийн  аж үйлдвэрийг чанарын өндөр төвшинд гаргасан билээ. Эрдэмтэд өмнө бүтээж байснаасаа илүүтэй молекулын зохиомж хийх хэрэгсэлтэй болсон юм.

Хэсэг хугацааны дараа Гриньярын урвалж химичдэд хэрэгтэй молекулаас гадна дагавар бүтээгдэхүүнийг ихээр гаргаж байсан учир шинэ хэрэгсэл шаардагдлаа. Тэр хүндрэлийг давах аргыг Америкийн химич Ричард Хек (Richard Heck) далаад онд олжээ. Тэрээр нүүрс төрөгчийн хоёр атомын холбоог органик молекулын хоёрдмол холбооны  (алкен) тусламжтайгаар өдөөж өгчээ. Алкен дахь хоёрдмол холбооны дэргэдэх нүүрс төрөгчийн атом нь “ердийн” нүүрстөрөгчөөс бага зэрэг сул идэвхтэй. Гэхдээ алкен хэрэглэх нь Хекийн гол шинэлэг санаа нь биш юм. Ирээдүйн Нобелийн шагналтан урвалдаа палладийн катализаторыг хэрэглэсэн байв.

Нобелийн хороо Хек, Нагиси, Судзуки нарт органик нийллэгт палладийн катализаторыг ашиглаж, янз бүрийн органик молекул байгаа нүүрстөрөгчийн хоёр атомын бүтцийн химийн холбоог үүсгэснийх нь  төлөө шагналаа өгөхөөр шийдсэн байна.

"Катализатор" гэдэг томьёолол дор химийн урвалыг олон дахин хурдасгадаг бодисуудыг нэгтгэдэг. Тэдний механизм нь янз янз байж болно. Палладий нь хоёр атомын холбоонд маш тааламжтай талбарыг өгдөг. Палладийн атом нь урвалд орох молекулуудыг өөртөө “татаад” тэднээр  өөрийгөө тойруулж, нүүрс төрөгчид сонголт хийх боломжийг өгөхгүй. Палладийн нэмэгдлээр нүүрс төрөгч-нүүрс төрөгч гэсэн холбоог үүсгэх боломжийг нэмэгдүүлнэ.
Хек  органик бодисын хооронд урвал явуулах өөрийн “жорын” талаар  хэд хэдэн нийтлэлийг 1970-аад оны эхээр нийтлүүлж байлаа. Эйити Нагиси (Ei-ichi Nagishi) Хекийн арга дээр сайжруулсан Гриньярын урвалжийг нэмсэн судалгааны бүтээлээ  1977 онд хэвлүүлсэн байлаа. Шинэчлэгдсэн урвалж ид магнийн атомыг цайрын атомаар сольсон нь нүүрс хүчлийг палладийд “татаж” өгчээ. Үүнээс хоёр жилийн дараа нь Акира Судзуки (Akira Suzuki) цайрын атомыг борийн атомаар сольсон ба түүний ажиллагаа нь бага зэрэг удааширсан ч хордлого нь буурсан юм.

Юу л бол юу

Хек, Нагиси, Судзуки нарын ажлыг тэдний нэр төдийлөн танил биш байсан ч үнэлээд барамгүй. Шагнал авах болсноо мэдсэний дараа нь сэтгүүлчид шинэ аргаараа бүтээсэн бодисоос хүнд хамгийн ашигтай нь юу вэ гэж Нагисигээс асуусан байв. Тэрээр  шинэ аргаар нь асар олон тооны бодисын нийллэг хийж байгаа гэдгийг ойлгуулах гэж хичээж байлаа.

Хек, Нагиси, Судзуки нарын схемын тусламжтайгаар өнөөдөр пластик, эм, тариа, гэрлийн диодын бүтцийн олон бодис зэрэг юм юмыг л хийж байна. 2010 оны хавар палладийн катализаторыг графены хуудас гэх нэг атомын зузаантай нүүрс төрөгчийн хавтгайтай (зохиогчид нь Нобелийн физикийн шагналтнууд) нийлүүлж чаджээ. Хэрэв графены ялгуусан зам нь хүлээгдэж байгаа бол палладийн катализаторуудыг хэрэглэсэн кросс-хослуулалтын урвал нь эрдэмтдээс гадна шинжлэх ухаанаас хол хүмүүсийн үнэлэмжийг эртнээс хангалттай авсан гэж болно.