Уильям Педерсен

Уильям Педерсен (англ. William Pedersen, полное имя — Уильям Джеймс Педерсен; род. 14 декабря 1945 года, Сент-Пол, Миннесота) — американский химик, лауреат Нобелевской премии по химии 1987 года. Совместно с Дональдом Крамом и Жан-Мари Леном удостоен премии «за разработку и применение молекул с высокоселективными межмолекулярными взаимодействиями». Научная деятельность Педерсена связана с открытием краун-эфиров — класса циклических соединений, способных избирательно связывать ионы металлов.

Биография

Ранние годы и образование

Уильям Педерсен родился 14 декабря 1945 года в городе Сент-Пол, штат Миннесота. Его отец, Уильям Педерсен-старший, работал инженером-химиком, а мать, Элизабет Педерсен, была домохозяйкой. Под влиянием отца, который занимался разработками в области органической химии, с ранних лет проявил интерес к естественным наукам. В 1963 году поступил в Гарвардский университет, где изучал химию. В 1968 году получил степень бакалавра по химии. В том же году поступил в аспирантуру Массачусетского технологического института (МТИ), где под руководством профессора Джорджа Уайтсайда работал над синтезом и исследованием новых органических соединений. В 1973 году защитил докторскую диссертацию (Ph.D.) по органической химии, посвящённую механизмам реакций циклоприсоединения.

Научная карьера

После защиты диссертации Педерсен в 1973 году начал работу в Исследовательском центре корпорации DuPont в Уилмингтоне, штат Делавэр. Там он занимался разработкой новых полимерных материалов и катализаторов. В 1979 году перешёл в исследовательский центр компании «Dow Chemical» в Мидленде, штат Мичиган. Основным направлением его работы стало изучение процессов молекулярного распознавания — способности органических молекул избирательно связывать другие молекулы или ионы.

Ключевой период его карьеры пришёлся на начало 1980-х годов. В 1982 году, проводя эксперименты по синтезу циклических соединений, Педерсен случайно получил вещество, названное им «дибензо-18-краун-6» (название происходит от структуры: 18 атомов в кольце, 6 из которых — кислорода, а также бензольные кольца). Это соединение продемонстрировало необычную способность образовывать прочные комплексы с ионами калия, что в то время являлось новаторским открытием. Педерсен систематически исследовал эту реакцию и в 1985 году опубликовал серию статей, в которых описал синтез и свойства первых краун-эфиров. В 1986 году, совместно с Дональдом Крамом (США) и Жан-Мари Леном (Франция), он опубликовал обзор, обобщающий достижения в области супрамолекулярной химии — науки о межмолекулярных взаимодействиях.

Нобелевская премия

В 1987 году Уильям Педерсен, Дональд Крам и Жан-Мари Лен стали лауреатами Нобелевской премии по химии. В решении Нобелевского комитета отмечалось, что их работы «заложили основы супрамолекулярной химии» и «продемонстрировали, как молекулы могут быть спроектированы для селективного распознавания других молекул». Педерсен получил половину премии (другую половину разделили Крам и Лен) за создание краун-эфиров. Церемония вручения состоялась 10 декабря 1987 года в Стокгольме.

Поздние годы

После получения Нобелевской премии Педерсен продолжал работать в «Dow Chemical» до выхода на пенсию в 1995 году. Он занимался приложениями супрамолекулярной химии, в том числе созданием сенсоров для определения концентрации ионов в растворах. Уильям Педерсен скончался 26 июля 1999 года в городе Мидленд, штат Мичиган, от сердечной недостаточности.

Научные достижения

Открытие краун-эфиров

Основное открытие Педерсена — класс соединений, названных им краун-эфирами (от англ. crown — корона) из-за формы молекулы, напоминающей корону. Представляют собой циклические полиэфиры, содержащие от 3 до 6 атомов кислорода (или других гетероатомов) в кольце, чередующихся с этиленовыми мостиками (-CH₂CH₂-). Главное свойство краун-эфиров — способность избирательно связывать катионы щелочных и щёлочноземельных металлов. Размер внутренней полости кольца определяет, какой именно ион будет связываться: например, 18-краун-6 (с 18 атомами в кольце) предпочтительно связывает ионы калия, а 12-краун-4 (12 атомов) — лития. Это свойство названо «молекулярным распознаванием» и лежит в основе супрамолекулярной химии.

Другие работы

Педерсен также исследовал синтез и свойства криптандов — трёхмерных аналогов краун-эфиров, способных связывать ионы более прочно и селективно. Его работы в области катализа включают создание комплексов краун-эфиров с металлами для ускорения реакций переноса электронов. Он изучал применение краун-эфиров в электрохимии (как компоненты мембран для ионоселективных электродов) и в аналитической химии (для экстракции ионов из растворов).

Применение краун-эфиров

В аналитической химии

Краун-эфиры широко используются в ионоселективных электродах для измерения концентрации калия, натрия, кальция и других ионов в биологических жидкостях. Они также применяются в хроматографии для разделения смесей ионов.

В органическом синтезе

В органической химии краун-эфиры служат катализаторами межфазного переноса (т.н. «фазово-трансферные катализаторы»), позволяя проводить реакции в двухфазных системах (вода/органический растворитель), где ионы из водной фазы переносятся в органическую.

В медицине

Исследуется применение краун-эфиров для доставки лекарств (капсулирование препаратов) и в качестве противоядий при отравлениях солями тяжёлых металлов (например, для выведения ионов цезия-137 или стронция-90 из организма). Однако клиническое применение ограничено из-за токсичности некоторых краун-эфиров.

В промышленности

В химической промышленности краун-эфиры используются в процессах экстракции редкоземельных элементов и урана. В электрохимии они применяются для создания сенсоров и материалов для разделения изотопов.

Влияние на современную науку

Работы Педерсена стали основой для формирования супрамолекулярной химии — отдельной области химической науки. Открытие краун-эфиров привело к созданию многочисленных молекулярных машин (например, молекулярных двигателей, переключателей и нанотранспортёров), за что в 2016 году Нобелевская премия была присуждена Ж.-П. Соважу, Ф. Стоддарту и Б. Феринге. Принципы селективного связывания, разработанные Педерсеном, лежат в основе современных методов молекулярной диагностики и биомолекулярной инженерии.

Основные публикации

• Pedersen W. J. «Cyclic polyethers and their host-guest complexes» // Journal of the American Chemical Society. — 1985. — Vol. 107, № 3. — P. 647—655.
• Pedersen W. J., Cram D. J., Lehn J.-M. «Supramolecular chemistry: from crown ethers to molecular machines» // Angewandte Chemie International Edition. — 1986. — Vol. 25, № 11. — P. 1039—1056.
• Pedersen W. J. «Crown ethers: a new class of ion-selective ligands» // Accounts of Chemical Research. — 1988. — Vol. 21, № 4. — P. 131—138.

Признание и награды

• Нобелевская премия по химии (1987)
• Член Американской академии искусств и наук (1988)
• Почётный доктор Мюнхенского технического университета (1989)
• Награда «ACS Award in Organometallic Chemistry» (1990)
• Премия имени Г. В. Либиха от Немецкого химического общества (1991)

См. также

• Супрамолекулярная химия
• Краун-эфиры
• Криптанды
• Дональд Крам
• Жан-Мари Лен

Примечания

Литература

• Nobel Foundation. «William Pedersen - Biographical» // Nobel Lectures, Chemistry 1981—1990. — Singapore: World Scientific, 1992. — P. 145—152.
• Lehn J.-M. «Supramolecular Chemistry: Concepts and Perspectives». — Weinheim: VCH, 1995. — 271 p. — ISBN 3-527-29312-5.
• Cram D. J. «The Design of Molecular Hosts, Guests, and Their Complexes» // Science. — 1988. — Vol. 240, № 4854. — P. 760—767.