Бор: от космических лучей до лечения рака

Элемент: бор (Borum)

Химический символ: B

Порядковый номер: 5

Год открытия: 1808

Стандартная атомная масса: 10.806

Температура плавления: 2349 К

Температура кипения: 4200 К

Плотность при стандартных условиях: 2.08 г/cм3

Скорость звука в боре: 16200 м/с

Число стабильных изотопов: 2

Кристаллическая решётка: ромбоэдрическая (как правило)

Кристаллы буры

Ситуация со знакомством людей с нашим сегодняшним героем очень похожа на то, как человечество познакомилось с его соседом по таблице Менделеева: бериллием. Бериллы были известны издавна, но бериллий открыли только в конце XVIII века. Соединениями бора тоже пользовались с давних времен, а бор как химический элемент открыли и выделили через десять лет после открытия бериллия. К слову, процессы образования ядер бора и бериллия во Вселенной тоже схожи: они оба в основном образуются в реакциях скалывания более тяжёлых ядер атомов в космических лучах.

Человечество знакомо с соединениями бора уже как минимум 1700 лет: уже тогда соединение состава Na₂B₄O₇ · 10Н₂О, более известное как бура, использовалось в Китае в качестве плавня – вещества, добавляемого при обжиге глины для заполнения пор и лучшего скрепления частиц между собой. В XVII веке отец современной минералогии Георг Бауэр, более известный как Агрикола, уже писал о применении буры в качестве флюса в производстве железа.

Жозеф Луи Гей-Люссак

Тем не менее, только в 1808 году два французских химика, Луи Тенар и Жозеф Луи Гей-Люссак сначала получили борную кислоту, затем обезводили ее, а потом на получившееся вещество подействовали металлическим калием. В результате получилась некая субстанция, в которой они распознали новый элемент. Через несколько месяцев сэр Хэмфри Дэви провел электролиз расплава оксида бора (из которого восстановили бор калием Тенар и Гей-Люссак) и снова получил то же вещество. Проведя обратную реакцию с кислородом, Дэви показал, что получившийся оксид – именно то вещество, с которым работали французы. Дэви назвал элемент «борацием». А уже потом возникло привычное нам «бор» (boron по-английски, все равно от арабского بورق‎ – «бура») Кстати, в России в начале того века новый элемент называли вообще боротвором и бурием.

Хэмфри Дэви

Впрочем, бор «открывали» много-много раз. Например, в 1828 году его снова получил Йенс Якоб Берцелиус. Причин тому много, но главных – две. Во-первых, далеко не сразу удалось получить чистый бор, а в зависимости от примесей бор как простое вещество может иметь совсем разные свойства. Причем даже небольшие примеси кардинально меняют его внешний вид. во-вторых, поскольку атомы бора, подобно нашему следующему герою, углероду, легко образуют между собой ковалентные связи, существует много аллотропных модификаций бора, тоже кардинально отличающихся внешним видом.

Боросферен B₄₀

Существует аморфный бор, темно-коричневого цвета. Существует кристаллический – который чуть-чуть мягче алмаза (твердость по шкале Мооса – 9,5 при 10 у алмаза). А в 2014 году в Nature Chemistry описали боросферен, аналог фуллерена, но построенный только из атомов бора и имеющий формулу B₄₀, годом позже уже в Nature Communications вышла статья с описанием плоской молекулы B₃₆, первого шага к «борофену» – аналогу графена, но только с бором вместо углерода.

Борофен B₃₆

Любопытный факт: бор – элемент редкий как во Вселенной, так и на Земле, его содержание в земной коре – всего 4 грамма на тонну. Тем не менее, он образует более сотни минералов, в которых он – «главный» элемент, и почти не встречается в «чужих» минералах. Кстати, в крупнейшем в нашей стране месторождении бора в приморском Дальнегорске содержится около трех процентов всех мировых запасов.

Применения бора в современном мире весьма многочисленны. Более того, не всегда можно догадаться, что в материалах с уникальными свойствами присутствует бор. Например, один из самых сильных постоянных магнитов – неодимовый магнит, который используется в огромном количестве электромеханических устройств, например, в актуаторах аппаратов МРТ. Казалось бы, причем тут бор? Но если мы посмотрим на его формулу, то… Nd₂Fe₁₄B. Вуаля!

Существует огромное количество сверхтвердых соединений бора (бор-углерод-кремний или нитрид бора имеют сотни применений в технике и промышленности), боросиликатное стекло ценят в лабораториях за термическую стойкость и повышенную устойчивость к механическим воздействиям, активированный нитрид бора оказался прекрасным люминофором, который светится под действием ультрафиолета, диборид магния MgB₂ – высокотемпературный сверхпроводник первого рода… И это мы не говорим о различных «атомных» применениях соединений бора – от замедлителя нейтронов в реакциях до детектора тепловых нейтронов.

Исследования химии и структуры бора и его соединений ведутся и по сей день с огромной интенсивностью.

Например, германские исследователи в своей статье в Chemical Communications сумели, наконец-то заставить «пожать» друг другу руки соседей по таблице Менделеева: если карбораны и карбиды бора известны давно, то соединения со связью «бор-бериллий» так и не удавалось получить. В 2015 году это удалось: авторы получили соединение со связью B-Be-B.

Структура вещества со связью B-Be-B

Более того, именно бор стал первым элементом, из которого получилось полностью неорганическое – и самое маленькое ароматическое кольцо. Про боразин B₃N₃H₆ мы знаем уже больше 90 лет, а вот в том же 2015 году химики синтезировали устойчивый триборациклопропенил-дианион. Трёхчленный ароматический цикл. Потрясающе, не правда ли!

Еще одно удивительное свойство бора проявилось в легированных бором наноалмазах. Оказалось, что такие наночастицы под действием лазера могут селективно нагреть и уничтожить раковую клетку. Этот метод очень неплохо будет дополнять боро-нейтронозахватную терапию, при которой в клетках опухоли накапливается бор-10, который, как мы уже знаем, имеет сечение захвата нейтронов в тысячу раз больше, чем у других атомов (не считая гадолиния). После облучения нейтронами района опухоли в раковых клетках происходит ядерная реакция: в результате поглощения нейтрона атомом ¹⁰В образуется возбужденное ядро ¹¹В, которое за 10⁻¹² секунды распадается на ядро ⁷Li и альфа-частицу, разлетающиеся с большой энергией, разрушающей опухоль. Особенно эффективна такая терапия для работы с опухолями мозга. Установка для боро-нейтронозахватной терапии была собрана в новосибирском Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера. Дальше, как в фильме «Операция Ы», провели опыты на кошках (только живых – и сумели добиться полной ремиссии опухолей). Сейчас же эта установка переехала в Москву и готовится в 2025 году принять первых пациентов.

Установка для боро-нейтронозахватной терапии

Впрочем, не так давно (с 2008 года) вышло в клиническое применение и первое борорганическое лекарство. Вещество бортезомиб применяется при множественной миеломе и мантийноклеточной лимфоме – поскольку это противораковый препарат и первый терапевтический ингибитор протеасом.

Формула бортезомиба

Так что можно сказать, что химическая история бора только начинается. И мы будем за ней следить.

Следите за нашими публикациями в наших пабликах в VK, Телеграм, Дзен и ЖЖ.

Текст: Алексей Паевский

Проект «Новая популярная библиотека химических элементов» реализуется совместно порталами Mendeleev.info и «Виртуальный музей химии» в рамках инициативы «Работа с опытом» Десятилетия науки и технологий.

Материал подготовлен ИОНХ РАН для Виртуального музея химии при грантовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-508 от 02.05.2024