КРАМ, ДОНАЛЬД ДЖЕЙМС

КРАМ, ДОНАЛЬД ДЖЕЙМС (Cram, Donald J.), (1919–2001), американский химик, лауреат Нобелевской премии по химии, 1987 (совместно с Ж.-м.Леном и Ч.Педерсоном).

Родился 22 апреля 1919 в небольшом городке Честере штата Вермонт (США). Отец, шотландец по происхождению, сначала кавалерийский офицер, затем адвокат, а потом неудачливый фермер, и мать, по происхождению немка, переехали сюда со своими тремя детьми из Канады. Через два года семья перебралась в Браттлборо (Вермонт). Отец умер, когда Дональду было 4 года.

Из-за нехватки средств с 14 лет зарабатывал деньги для оплаты квартиры, подрабатывая у соседей: сгребал листья, мотыжил кукурузу, выкапывал картошку, заготовлял сено и разносил газеты.

В 16-летнем возрасте начал самостоятельную жизнь. Перебрался во Флориду, работал в магазине, торговал мороженым и полол газоны за стол и постель, продолжая учиться в школе, однако вернулся автостопом на север, в Массачусетс, где провел лето, крася дома и ремонтируя крыши. Последний класс школы окончил в Винвуде, небольшой частной школе на Лонг-Айленде в Нью-Йорке, чтобы оплатить обучение и питание, выполнял различные поручения. В то же время изучал химию и стереометрию и в результате добился четырехлетней стипендии Национального Роллинс-Колледжа, находящегося в курортном городе Винтер-Парке во Флориде.

Преподаватель химии колледжа заявил Краму, что у него не хватит ума, чтобы стать ученым. Крам же напряженно занимался химией и философией. Параллельно подрабатывал, чтобы обеспечить себе сносное существование. В летние месяцы с 1938 по 1941 работал в Нью-Йорке в Национальной Бисквитной Компании, сначала коммивояжером, а затем занимался анализом сыров.

В это время у него пробудился интерес к исследовательской деятельности в области химии. Этот интерес привел его в университет Небраски, где в 1942 он получил степень магистра. Во время Второй мировой войны работал в компании «Мерк», где занимался проблемами пенициллина. В 1945 был принят на работу в Гарвардский Университет, к профессору Л. Ф. Физеру. Диссертационную работу сделал за 18 месяцев.

В Гарварде научный уровень для него воплощали известный специалист в области физической органической химии Пол Бартлетт и Р.Б.Вудворд (Нобелевский лауреат, 1965). Однако здесь он пробыл недолго. В 1947 начал работать в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, где и оставался до конца жизни.

В 1960-х американец Чарлз Педерсен синтезировал соединение, названное краун-эфиром (crown – по-английски корона) за особенность его структуры – пустое внутри и подвижное кольцо из углеродных атомов, связанное через мостики кислородными атомами. Варьируя размер цикла, он установил, что краун-эфиры способны избирательно связывать некоторые катионы, помещая их в центр своей «короны».

Его открытие было расширено французом Жан-Мари Леном и Крамом. Результатом параллельных усилий трех исследователей был синтез молекул, которые способны избирательно реагировать с другими молекулами, подобно тому, как ферменты связываются с другими природными молекулами.

Крам распространил синтез с двухмерных органических соединений, каковыми являются краун-эфиры, на трехмерные производные, создав ряд различающихся по размерам молекул, которые способны избирательно взаимодействовать с другими веществами из-за дополнительности их трехмерных структур. Его работа стала значительным шагом вперед на пути к созданию в лаборатории веществ, имитирующих действие ферментов и других природных молекул, чье специфическое поведение определяется их характерным строением.

Краун-эфиры рассматривались сначала как модели систем, способных к избирательному связыванию. Оказалось, что они могут служить и моделями биологических транспортных систем. Далее, выяснилась роль таких соединений при моделировании ферментов. Краун-эфиры оказались первыми синтетическими аналогами природных веществ, осуществляющих перенос ионов щелочных металлов через клеточную мембрану. Эти переносчики, называемые ионофорами, действуют по тому же принципу, что и краун-эфиры, хотя и имеют более сложную структуру. Природные переносчики катионов относятся к так называемым переключаемым ионофорам. Пройдя внутрь клетки, они под влиянием определенных воздействий выбрасывают катион и быстро возвращаются за следующим. Скорость таких челночных операций может достигать нескольких тысяч в секунду, причем нередко они происходят против градиента концентрации.

Крауны, как вещества, селективно связывающие те или иные ионы, перспективны для медицины, как средства для лечения металлодефицитных и металлоизбыточных состояний.

Эта область исследований быстро расширялась, развившись в то, что Лен в последствии назвал термином «супрамолекулярная химия». Супрамолекулярная химия изучает аспекты взаимодействий молекулы «гостя» с молекулой «хозяина». Лен определил ее как химию межмолекулярных связей, изучающую ассоциацию двух и более химических частиц, а также структуру подобных ассоциаций. Она лежит за пределами классической химии, исследующей структуру, свойства и превращения отдельных молекул. Если последняя имеет дело, главным образом, с реакциями, в которых происходят разрыв и образование валентных связей, то объектом изучения супрамолекулярной химии служат почти исключительно невалентные взаимодействия: водородная связь, электростатические взаимодействия, гидрофобные силы, структуры «без связи». Как известно, энергия невалентных взаимодействий на 1–2 порядка ниже энергии валентных связей, однако, если их много, они приводят к образованию прочных и вместе с тем гибко изменяющих свою структуру ассоциатов. Именно сочетание прочности и способности к быстрым и обратимым изменениям – характерное свойство всех биологических молекулярных структур: нуклеиновых кислот, белков, ферментов, переносчиков частиц.

За короткий срок супрамолекулярная химия развилась в обширную область знаний, включающую несколько направлений. Важнейшим направлением исследований последнего десятилетия стал синтез соединений, способных образовывать комплексы типа «гость-хозяин» с органическими молекулами. Это нужно для разделения и очистки органических веществ, их активации, для создания лекарственных препаратов нового поколения и решения множества других научных и прикладных задач.

В 1987 Крам был удостоен Нобелевской премии (вместе с Ж.-М.Леном и Ч.Педерсеном) «за разработку и применение молекул со структурно специфическими взаимодействиями с высокой селективностью».

Крам обучил органической химии около 12 000 студентов и написал 3 учебника: Органическая химия (вместе с Дж.Хэммондом (G.S.Hammond), опубликована на 12 языках), Элементы органической химии [с Д.Ричардсом (D.Richards) и Дж.Хэммондом (G.S.Hammond), издана на 3 языках] и Сущность органической химии (с Дж.Крам, J.Cram), а также монографию Основы химии карбанионов.

Его увлечения – серфинг, катание на лыжах, теннис, игра на гитаре и народные песни.

Умер от рака 17 июня 2001.

Работы: Органическая химия / Пер. с англ. акад. А.Н.Несмеянова. М., 1964 (с Дж.С.Хэммондом); Получение молекулярных комплексов типа «гость-хозяин»: Нобелевские лекции (Химия за рубежом) / [Пер. с англ.]. М., 1989.

Кирилл Зеленин