Предполагается, что все знают, как работают физики. Физика — модная наука, о физиках написано много книг и сделано немало кинофильмов. А вот химиков в кино показывают гораздо реже. А зря, так как онито и являются настоящими Творцами с большой буквы — ведь химик создает новые молекулы — подлинные кирпичи мироздания.

Здесь мы ставим перед собой очень скромную задачу. Рассказ о жидких кристаллах был бы неполным и даже, можно сказать, ущербным, если бы мы не привели примеров получения жидкокристаллических веществ и не рассмотрели хотя бы несколько химических структурных формул. Вообще говоря, многие принимают эти формулы за скучный орнамент. До разгадки шумерской клинописи тоже было, наверное, скучновато рассматривать какието выщербленные камни, в которых, как потом выяснилось, скрыта вечная мудрость человечества. Тому же, кто прочувствовал логику построения химических формул, хорошо видна прекрасная архитектура молекул, обусловленная загадочными правилами игры различных атомов друг с другом. Казалось бы, квантовая механика давно объяснила строение атомов и описала возможные виды взаимодействия между ними. И тем не менее структура сложной молекулы остается теоретически непредсказуемой, и при создании новых молекул химик без интуиции работать не может.

Речь у нас идет, конечно, об органической химии, поскольку все известные на сегодняшний день жидкокристаллические вещества состоят из органических молекул, т. е. представляют собой соединения углерода с водородом, кислородом, азотом и другими элементами. Среди неорганических соединений жидких кристаллов пока не обнаруживали, хотя, в принципе, это не исключено. Молекулы типичных жидких кристаллов достаточно сложны. Например, в сравнительно простой молекуле МББА имеются 18 атомов углерода, 21 атом водорода и по одному атому кислорода и азота, т. е. всего 41 атом, в чем можно убедиться простым подсчетом. К сожалению, в природе жидкие кристаллы встречаются ие так уж часто (как правило, в биологических объектах, см. гл. VI). Поэтому их приходится изготовлять или, как говорят, синтезировать искусственным путем. В отличие от анализа, который означает путь от сложного к простому, синтез предполагает путь от простого к сложному.

Химический синтез—это создание сложной и небывалой молекулярной структуры из известных более простых частей. Молекулу собирают примерно так, как собираются модели из детского конструктора, хотя химику часто приходится иметь дело с менее простыми заготовками (включая яды и взрывчатку) и вести синтез при высоких или, наоборот, низких температурах, в вакууме или при высоких давлениях.

Даже если мы получили нужное соединение, то отдыхать пока рано. Сделано только еще полдела. Вопервых, нужно убедиться, то ли вещество получено, какое мы хотели. Для этого придется сделать несколько анализов, провести своего рода «медкомиссию» с участием самых разных специалистов. Тут и элементный химический анализ, и спектроскопия, и физикохимические исследования, и т. п. Вовторых, если речь идет о жидких кристаллах, очень важной оказывается тщательная очистка вещества от посторонних примесей и особенно от ионов. В противном случае электрическая проводимость вещества окажется слишком высокой, и через вещество потекут очень большие токи, когда к нему будет приложено напряжение. А это в свою очередь уменьшит срок службы устройства и увеличит потребляемую мощность. На сегодняшний день разработан целый ряд весьма остроумных химических и физических методов очистки, позволяющих получать очень низкие концентрации посторонних ионов — примесей (до одного иона на миллиард молекул основного вещества и даже еще меньше).

Но вернемся к синтезу. Посмотрим еще раз на молекулярную структуру МББА и изобразим химическую структурную формулу этого соединения, как это принято в литературе. Видно, что эта формула содержит в себе всю красоту молекулярной модели, если смириться с тем, что шестиугольники в химической формуле заменили бензольные кольца (вместе с входящими в них атомами водорода).

Итак, в данной молекуле есть только атомы углерода, водорода, кислорода и азота. Однако будет неверно полагать, что, задумав синтез МББА, химик берет горсть чистого углерода в виде графита или, скажем, алмазов, приносит в лабораторию три баллона с водородом, азотом и кислородом и начинает работать. Лет триста назад, когда органической химии еще не существовало, можно было бы и попытаться так поступить. Но сейчас химикам полегче. Развитая химическая промышленность предоставляет им громадный ассортимент «стройматериалов» в виде достаточно сложных молекулзаготовок.

Случай с МББА особенно показателен. Жидкий кристалл получается всего в одну стадию. Достаточно взять в нужном соотношении две жидкости, выпускаемые промышленностью. Первая из них (анисовый альдегид) даст нам впоследствии левую часть молекулы МББА, а вторая (бутиланилин) станет правой частью. Для проведения реакции обе жидкости растворяют в спирте, смешивают оба раствора и затем, нагревая, выпаривают растворитель. В процессе реакции от углеродного атома в молекуле отрывается кислород, а оставшиеся электроны образуют двойную связь с атомом азота молекулы, который теряет оба атома водорода. Получается МББА и еще вода. Воду нужно изгнать, и жидкий кристалл готов!

Отнюдь не всегда органический синтез так прост. Иногда требуется простотаки виртуозность фокусника. Король синтеза, американский химик Вудворд, получил, например, витамин В12 в 60 стадий. При этом тупиковые маршруты синтеза, конечно, не считаются. За этот синтез, занявший примерно 20 лет, Вудворд наверняка был бы удостоен Нобелевской премии по химии, если бы он не получил ее еще раньше за синтез молекулы хлорофилла (той самой, благодаря которой вся зелень зеленая) и ряда других молекул. Молекулы эти настолько сложны, что Вудворд их рисовал на доске сразу двумя руками, справа и слева, для экономии времени.

При синтезе жидких кристаллов, молекулы которых, конечно, попроще, чем у витамина В (изза необходимой палочкообразной формы), нередко приходится делать до 15—20 промежуточных химических стадий, не считая очистки и последующих анализов.

Трудности синтеза могут, однако, быть обусловлены не только большим числом промежуточных реакций. Б предыдущем параграфе мы уже говорили о правых и левых формах молекул, имеющих разные оптические свойства, т. е. являющихся оптическими антиподами. Молекулы, не отличающиеся по своему составу, но имеющие разное пространственное строение, называются изомерами. Левые и правые зеркальные изомеры — это только один пример. Мы к нему еще обратимся, а пока рассмотрим другой тип изомерии.

Опыт работы с жидкими кристаллами показывает, что замена бензольного кольца, в котором двойные и одиночные химические связи чередуются, на циклогексановое, содержащее только одиночные связи, приводит к заметному снижению вязкости вещества и улучшению быстродействия соответствующих приборов.Например, заманчиво перейти от бензойной кислоты содержащей бензольное кольцо, к соответствующей кислоте на основе циклогексана.                

Это можно сделать следующим образом. Нужно добавить еще по одному атому водорода в каждый из шести углов кольца, и эти атомы возьмут на себя лишние связи.

Этот процесс присоединения водорода или, как говорят, гидрирования бензольного кольца химики ведут, поместив исходное со Но единение в автоклав, где давление водорода достигает 150 атм. при температуре 150 °С (при этом применяется еще и катализатор).                            

Но все оказывается не является плоским. Оно существует либо в форме «кресла», либо в форме «ванны». Это еще один пример изомерии молекул. Геометрия «ванны» совершенно несовместима с палочкообразной структурой, необходимой для получения жидкокристаллического состояния, а «кресла», наоборот, оказываются подходящими. При этом молекулы образуют пары. К счастью, в отсутствие нагрева вещества «ванн» очень мало, и почти все вещество состоит из «кресел».

Но и это еще не все. Еще раз посмотрим на «кресло». Оказывается, существуют две возможности для присоединения заместителей в крайние правые и крайние левые положения. Эти варианты помечены буквами Т (трансизомер) и Ц (цисизомер). Молекула жидкого кристалла должна иметь максимально вытянутую форму, а для этого подходят только трансизомеры. Следовательно, стоит задача отделения нужных нам трансизомеров от мешающих цисизомеров. 

С энергетической точки зрения молекуле выгоднее быть в трансформе, чем в цис. В этом случае общая энергия взаимодействия атомов водорода с углеродными атомами кольца понижается. Однако изза специфики действия катализатора цисизомеры во время химической реакции образуются легче, » в получаемой смеси отношение транс и цисизомеров составляет 1:1. Со временем, конечно, все цисизомеры должны перейти в трансформу, но при обычной температуре этого бы пришлось ждать несколько лет. Дело в том, что тепловые толчки достаточной силы, чтобы заставить цисмолекулы перепрыгнуть энергетический барьер и перейти в трансформу, слишком редки при обычных температурах. Если же смесь нагреть до 300 С, то за несколько часов большинство цисмолекул перепрыгнут через барьер и приобретут трансформу. При охлаждении смеси до комнатной температуры мы получим соотношение изомеров 4:1. Этого уже достаточно для образования нематика, и nрансформ задачу синтеза жидкого кристалла можно считать решенной.

Остается лишь рассмотреть особенности синтеза зеркально несимметричных молекул, необходимых для получения жидких кристаллов со спиральным строением. Основная трудность заключается в том, что при обычных химических реакциях правые молекулызаготовки всегда дают только правые конечные продукты, и, наоборот, левые вещества получаются только из левых исходных соединений. Но, как правило, исходные соединения содержат равные количества правых и левых изомеров. Поэтому для получения только левых или только правых форм можно использовать три способа. Первый из них заключается в том, чтобы начинать синтез с определенного (например, правого) изомера, отделив его от левого. Как это сделать, мы скажем чуть ниже. Можно применить один из изомеров и в качестве промежуточного реагента.

Второй способ состоит в применении специального растворителя, не обладающего зеркальной симметрией. Например, если вести какойлибо синтез, используя в качестве исходного соединения смесь с равным количеством обоих изомеров, но в качестве растворителя взять правый холестерический жидкий кристалл, то в получаемом сложном соединении будут преобладать правые изомеры. Нужно, правда, честно признаться, что этот способ не очень эффективен; количество правых и левых изомеров в конечном продукте различается ненамного.

Третий путь заключается в отборе только правых молекул из конечного продукта. Например, это можно сделать так. Из раствора, в котором имеются правые и левые молекулы, нужно попытаться вырастить кристаллы максимального размера. Оказывается, левые молекулы образуют свои кристаллы, а правые — свои, причем геометрическая форма правых и левых кристаллов отличается. Теперь можно взять пинцет и отложить левые кристаллы в одну (не обязательно левую) сторону, а правые — в другую. Отличить правые кристаллы от левых можно и оптическим способом, наблюдая за тем, в какую сторону кристалл поворачивает вектор электрических колебаний светового луча. Кроме того, их можно растворить по отдельности и измерить вращение вектора поляризации свега в растворе. Именно так поступил сто лет назад знаменитый Пастер, заложивший основы микробиологии. а заодно впервые предложивший и этот метод. Метод Пастера хорош только тогда, когда удается вырастить большие кристаллы.

Чаще же всего синтез сложных молекул, не обладающих зеркальной симметрией, ведут, исходя из левых или правых простых молекулзаготовок. Например, можно использовать левый изомер аминокислоты, полученный биохимическим методом. В этом методе, кстати, тоже предложенном Пастером, используют микроорганизмы (например, дрожжевые грибки), которые просто «съедают», скажем, правый изомер аминокислоты, совершенно пренебрегая левым и оставляя его химикам для дальнейшей работы. По существу и здесь используется уже упоминавшаяся выше случайность в эволюции биологических объектов, благодаря которой какието формы (правые или левые) оказались почемуто предпочтительнее.

Взяв в качестве исходного соединения левую аминокислоту и проведя целую серию дальнейших реакций уже с обычными (зеркально симметричными) соединениями, химики получают левый изомер жидкого кристалла. С правой формой аминокислоты тем же самым путем (иногда в 10—20 стадий) получим правый жидкий кристалл. А используя полученные жидкие кристаллы, мы можем вести, как уже говорилось, несимметричный синтез других правых или левых соединений, исходя из симметричных молекул.

Благодаря искусству химиков на сегодняшний день жидкие кристаллы — уже не экзотика; синтезировано более шести тысяч жидкокристаллических соединений с самыми разнообразными свойствами.