Третий курс - Практикум по органической химии (Часть 1)
Нет ничего удивительного в том, что практикум у меня вел Михаил Анатольевич Кузнецов. О том, что идти надо именно к Кузнецову, мне на первых курсах прожжужали все уши мои хорошие знакомые со старших курсов. Это не были пустые слухи. Все они: Саня Трегубов, Сергей Ян, Денис Байгозин - прошли практикум и хорошо знали Михаила Анатольевича.
Практикум по органике. Центральная дисциплина обучения на химфаке. Передо мной до сих пор стоит размытое воспоминание со школьных лет. Награждение победителей городской олимпиады школьников по химии. Химфак. Скорее всего, четверг, середина апреля. После торжественного вручения дипломов, призов и представления команды на Россию нас приглашают пройти на импровизированную экскурсию по химфаку. Толпа школьников проходит по длинным, на первый взгляд одинаковым и оттого запутанным коридорам. Столько всего неизвестного, «взрослого». Один из пунктов программы - практикум органической химии. Студенты заняты работой. Все кажется таким сложным, опасным. Тут же работают с хлороформом: дыхнешь и сразу заснешь! Девушка в резиновых перчатках поправляет что-то в тяге с непонятной установкой. Теперь я на 95% уверен, что попали мы в группу Кузнецова, и сам Михаил Анатольевич дал будущим студентам краткую характеристику значимости наблюдаемого действа: «Практикум по органике - главный на химическом факультете и самый ответственный. Середина пути. Кто пройдет его, тот, может быть, защитит диплом».
И вот я уже сам, студент третьего курса, присутствую на вводном занятии. Михаил Анатольевич объясняет правила техники безопасности. «Пожар у нас обязательно будет», - спокойно произносит он. «Если загорится спирт в стаканчике, то не надо паниковать, а просто дать ему догореть». Через два с половиной года я сам буду рассказывать о технике безопасности (или точнее о Safety) притихшим студентам на их первом занятии CHEM 0330 Organic Chemistry Lab I. Да, практикум органической химии проходит через шесть лет моей жизни и, думаю, это путешествие еще продолжится.
Первое занятие было организационным. Нам объяснили, что в следующий раз нас ждет первый коллоквиум, а всего коллоквиумов будет три. К практической части можно приступать только сдав теорию. Первая теория - техника безопасности и методы разделения. Сегодня четверг, так как вчера был выходной - 23 февраля, времени для подготовки у нас вагон - целая неделя. А потом выйдем на рабочий режим: 12 часов в неделю - с 13.30 до 19.30 каждую среду и четверг. Это даже не третья-четвертая, это все третья-четвертая-пятая пары. Мои американские студенты, имевшие 3 часа в неделю на этот практикум (правда, в течение двух семестров) по этому поводу выражались однозначно: «Если бы у нас было 12 часов в неделю, то мы бы отказались от этого класса». Счастливые американские undergrads! На химфаке СПбГУ никто не может отказаться от практикума по органике: ни обреченный на полный синтез ХПСник, ни боящийся вещества квантовик. Но в каком американском вузе ведет практикум доктор наук, который будет спешить приехать со Среднего, где у него была первая пара? Нет, там одна надежда, что они смогут понять, что им втирает их китайский Teaching Assistant. А еще нам сказали принести замок, чтобы запирать тумбочку со стеклом.
Поэтому я считаю, что навесной замок - полезный подарок химфаковцу на День Рождения второго или третьего (у кого осенью-зимой) курса.
Сидеть и ждать неделю, а затем терять драгоценные часы практикума на сдачу коллоквиума? Это не путь Андрея Соловьева. Мы договорились с Михаилом Анатольевичем встретиться в понедельник где-то на третьей паре. В конце концов, у меня уже была возможность продемонстрировать ему мои способности. Как-никак семинары по органике у Кузнецова в осеннем семестре - это такая же классика, как и весенний практикум. В тот первый раз мне тоже пришлось проявить инициативу. Не дожидаясь официального составления списков групп, я подошел к Михаилу Анатольевичу и попросился в его группу, приводя в качестве аргументов рассказы старших товарищей. Кузнецов отнесся к подобной лести сдержано и подчеркнул, что остальные преподаватели ни чуть не хуже его. (Ту же идею мне высказал накануне по телефону Борис Викторович, когда я спросил его, кто лучше: Кузнецов или Лобанов. «Каждый из них может научить органике», - был его ответ). Но тем не менее МАК посоветовал мне обратиться с подобными волеизъявлениями к Павлу Сергеевичу, который составлял расписание семинаров, и в итоге моя просьба была удовлетворена. Но перед практикумом возникла небольшая помеха: вместо трех семинарских групп из второго потока создавалось четыре, и после перестановок я пролетал мимо Кузнецова. Когда я обиженно сообщил об этом Михаилу Анатольевичу, он успокоил меня тем, что все уладит и я буду в его группе. А вот, например, мой однокурсник Костя Трошин, тоже сильный студент, закончивший впоследствии ФОХ, после семинаров у Кузнецова попал в практикум к Максиму Боровитову, о чем, по его словам, ни капли не жалел.
И вот в одной из маленьких аудиторий рядом с Зимним садом я сдавал первый коллоквиум. Разумеется, мне пришлось рассказать про ректификацию - самый, пожалуй, новый и нетривиальный вопрос. Михаил Анатольевич в свою очередь рассказывал про ректификационные колонки с вращающейся лентой, позволяющие достичь огромного числа теоретических тарелок. Мне приятен сам факт такого рассказа, по себе знаю, что такие тонкости передают только перспективным студентам. Ну, не буду я объяснять студенту-медику спектры ЯМР второго порядка!
Коллоквиум сдан, и в среду мне предстоит начать работу. И пока мои товарищи сдают колобок я получаю в свое распоряжение тумбочку №7 со стандартным содержимым Теперь пришло время представить второго руководителя нашего практикума - лаборанта Алексеева Алексея Геннадьевича, знаменитого не только своей бородой и веселым характером, но и тяжелыми музыкальными композициями, которые он ставил, дабы практикум шел веселее. Я проверил по списку наличие всего стекла и «нестекла» («муфты» поставили меня в тупик: я не знал, что это такое) и приступил к работе.
Первый коллоквиум состоит из четырех работ. В отличие от остальных преподавателей МАК разрешал начинать хоть все эксперименты сразу (а не по одному за занятие) и, наоборот, призывал так рассчитывать свое время, чтобы не сидеть и смотреть, как шесть часов варится сложный эфир. Лишь бы посуды и места в тяге и на столе хватало. Первым делом надо раздобыть методику.
Часто ее выдает преподаватель, но иногда приходится осуществлять литературный поиск самому. Помимо ветхих тоненьких методичек существовала некая книжица Голодникова, которую все хвалили и которая не досталась не только мне. Пригодится также двухтомник Органикум: не столько ради методик, сколько для подготовки к коллоквиумам. На каждый синтез для зачета нужно заполнить специальную форму. Первая половина вписывается еще до реальной работы: название, реакция, литературная ссылка, эскиз установки, техника безопасности, расчет реактивов, физические свойства всех веществ, включая продукты и растворители (сейчас своих студентов я прямиком направлял в Wikipedia, а если там нет, то в Google). Только после проверки этой информации, осмотра собранной установки (весьма беглого; времена когда старик Фаворский разбивал клюкой установку, собранную не совсем вертикально, обрекая студентов покупать посуду за свой счет, ушли в мифическое прошлое) и вопросов по технике безопасности ты получаешь в отчетный лист подпись преподавателя. Без этой подписи лаборант не выдаст ключевые реактивы (самому брать нельзя - как потом докажешь выход, ведь самый простой способ его увеличить - представить расчет продукта на 5 граммов исходного спирта, а в реакцию ввести все 10, а то 15; тут уже надо не переборщить: 145% от теории выглядят подозрительно).
Итак, эксперимент номер раз - синтез сложного эфира из кислоты и спирта с кислым катализом (а США подчеркнут, что это синтез по Фишеру). Мне досталась пара этиловый спирт - бензойная кислота. Я знал, что этилбензоат дают самым сильным студентам, но не понимал, в чем прикол. На первый взгляд, все сложные эфиры рождены равными, и методики идентичны. Для сборки аппарата мне понадобилась насадка Дина-Старка, которая не входит в набор стандартной органической тумбочки, и получается у лаборанта. Собрать аппарат у меня не составило большого труда. Я уже с год как начал работать на ХПС и, хоть появлялся там не более, чем два раза в неделю, знал как обращаться с делительной воронкой или обратным холодильником. Да что там ХПС! Мой опыт органика-синтетика восходит к московским сборам перед IChO в 11 классе. Вот там-то я действительно впервые столкнулся с sep. funnel'ом, газовой горелкой, магнитной мешалкой и другими «друзьями органика». Но многие из моих однокурсников, оказавшиеся в практикуме Кузнецова, начинали это знакомство с нуля. Среди них помимо меня был только один претендент на кафедру органического куста - Саша Манойлов (небезызвестный Бэтман, который тоже специально попросился к Кузнецову в свое время). Другие студенты... Среди них были сильные ребята, но Маша Пешкова и Коля Плотников выбрали физхимию, Илья Гусев - неорганику, а Андрей Арбенин - ХТТ (к искреннему удивлению Николая Геннадьевича Суходолова). Можно ли утверждать, что Кузнецову в тот год не повезло со студенческим контингентом? Не думаю. Хороший преподаватель должен уметь научить самого слабого или незаинтересованного студента. В своей преподавательской практике я отучил 61 студента, из которых только двое имели major in chemistry. Они не были самыми сильными и поразившими меня студентами.
МАК проверил, что все шлифы смазаны, что я не забуду положить кипелки и напомнил, что т. пл. бензола +5 °С и чисто теоретически он может застыть в холодильнике. Поэтому мы и заносим свойства растворителей в табличку в отчете: мы привыкли думать, что органические растворители плавятся при каком-то недостижимом минусе (к примеру, -93 °С для толуола, а молярка-то у него повыше), так вот это не всегда так. Все было прекрасно, и Алексей Геннадьевич отмерил мне бензойную кислоту, этанол и бензол в количествах, заверенных Михаилом Анатольевичем. Я поместил их в реакционную колбу, добавил каплю серной кислоты, кипелки и включил электроплитку в розетку. Бензол закипел, и скоро его канцерогенные пары стали конденсироваться в холодильнике. Оставалось ждать, пока в насадке Дина-Старка накопится достаточно воды, выделившейся в реакции, пропутешествовавшей наверх в составе азеотропа и опустившейся вниз с образованием отдельной фазы.
Получение сложного эфира обещало быть неторопливым, и я приступил к следующей работе.
Из рассказов Дениса и Сергея я знал, что изобутил бромид самый хитрый из всех возможных бромидов. Он так и норовит улететь на каждой из стадий синтеза и уменьшить выход. А работа засчитывалась, если выход составлял не менее 70% от методики. Для бромидов методичка обещала выходы порядка 70%, то есть мне нужно было хотя бы 50% от теории. Сам синтез проводился в тяге. И дело тут не только в броме, который был общим реактивом, то есть не выдавался лаборантом, а стоял в темных бутылочках в тягах. Работать с ним разрешалось только в перчатках. Итак, я получил свою порцию изобутилового спирта и красного фосфора и поместил их во вторую из имевшихся в моем распоряжении больших круглодонных колб. Насадка Кляйзена и капельная воронка выдавались лаборантом. Я начал добавлять бром, установка наполнилась коричневыми парами, но не только ими.
Из верха холодильника повалил какой-то газ, казавшийся белым. Я сперва растерялся на вопрос Кузнецова о его химической природе, но потом коллективным разумом сообразил, что единственный кандидат - HBr, образовавшийся от гидролиза во влажном воздухе.
С окончанием реакции кончился и мой первый рабочий день в практикуме органической химии. Я выключил сложный эфир и на всякий случай подписал установку, хотя собирался вернуться уже на следующий день. Когда оставляешь установку до следующей недели оставить на ней бумажку со своими координатами более чем желательно, иначе ведь растащат на запчасти.
На следующий день я первым делом добавил пару капель серной кислоты в сложноэфирную реакционную смесь и продолжил ее кипятить-конденсировать. Теперь меня ожидала занятная операция, которую я за всю жизнь пока проводил только в том практикуме - перегонка моего изобутилбромида с паром. Установка занимает целый рабочий стол и требует некоторого понимания, какой шланг и когда пережимать. В нашей лаборатории были специальные паровики, и не пришлось кипятить воду в большой колбе.
Уже через некоторое количество минут через темную реакционную смесь стал булькать горячий пар. В колбе все плескалось и бурлило, а в приемник стала собираться мутная жидкость, которая довольно быстро разделялась на две фазы. Итак, продукт был отделен от нелетучих веществ, но до конца его очистки было далеко. А каждая стадия обработки - это неизбежные потери, особенно в случае летучей жидкости. Мне предстояло промыть ее насыщенным раствором соды, затем водой и, наконец, насыщенным раствором NaCl. Помню, что цель последней операции осознавалась нами смутно, и это был любимый вопрос Михаила Анатольевича. Впоследствии мои студенты тоже не с ходу сообразили, зачем wash with brine. Органический слой был отделен и высушен шариками безводного хлорида кальция. Тогда же я узнал, что CaCl2 нельзя сушить спирты и что, когда работаешь с малыми количествами вещества, не надо добавлять слишком много осушителя. Первой ошибки я избежал, так как в конце концов у меня был бромид, а не спирт. А вот с шариками я не пожадничал. Возможно, синтез еще можно было спасти, но дальше надо было еще перегнать продукт. Практикум запомнится мне еще и количеством перегонок. Потом на ХПС я вещества чаще перекристаллизовывал, а в Питтсбурге без вопросов делаю колонку. Установку для перегонки я тогда научился собирать за одну минуту. Отфильтровал я свой бромид через ватку и приуныл: он только-только прикрыл донышко колбы Вюрца. Я даже поднес линейку, чтобы прикинуть количество жидкости. Но кто же помнит формулу для объема шарового слоя? Далее я попытался найти плитку, но все плитки были расхватаны моими товарищами, которые, сдав коллоквиум, приступили к сложным эфирам. Наверно, от большого ума я решил применить другой артефакт, которым почти не пользовался со времен практикума, - газовую горелку. Перегонять я хотел аккуратно, чтобы избежать потерь, но стоило мне поднести пламя к колбе, как изобутил бромид моментально вскипел и частично собрался в приемнике. Никакой речи о том, чтобы собрать предгон или заметить температуру на термометре не было. Ну, что сделано, того не воротишь. Пришлось взвешивать (на техно-химических весах с гирьками) то, что получил. А получил всего пару миллилитров, 28% от теории или 40% от методики. Приплыли. Михаил Анатольевич тем не менее вызвался проверить чистоту продукта. Для этого он уединялся в дальнем углу лаборатории, где стоит рефрактометр, и возвращался с листком бумаги, на котором было написано значение коэффициента преломления (попробуй подделать!). Для моего вещества он более-менее сошелся, но легче мне от этого не стало. Переделывать-то все равно надо. В довершение всех бед Михаил Анатольевич вернул мне вещество желтого цвета. Почему? Потому что заткнул я его резиновой пробкой (еще один рудимент нашего практикума: на подоконнике стояли целые коробки с пробками разных размеров, средний размер быстро стал дефицитом, так как не я один догадался держать в тумбочке пробки для каждой посудины). Впоследствии между пробкой и веществом у меня всегда был полиэтиленовый пакет.
Переделывать первый же синтез крайне неприятно. К тому же мои шустрые однокурсники тоже начали сдавать вещества, и у них все сходилось: и выходы, и коэффициенты. Моя фора, полученная на досрочной сдаче колобка, растаяла. А еще эфир не хочет вариться. А еще при мытье посуды я разбил химическую воронку. В совсем не веселом настроении я покинул лабу в тот вечер.
(Продолжение следует).