Молекулы соединены без химической связи-катенаны

катенаныАпрель 1964 года. В лаборатории Фрейбургского университета осуществлен тщательно спланирован­ный двадцатистадийный синтез соединения, постро­енного из двух циклических молекул, которые свя­заны друг с другом, подобно звеньям цепи. Идея, владевшая умами нескольких поколений химиков, воплощена в катенан 26,28 (катенан — от латинского слова Catena, цепь). Двадцатишести- и двадцативосьмичленные молекулярные циклы соединены без хи­мической связи!

В живой природе до сих пор не встречался строительный принцип цепи, так же как принцип колеса или вала…

НОВЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ ПРИНЦИП ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

«Химия создала свой предмет. Эта твор­ческая способность, подобная искусству, ко­ренным образом отличает ее от остальных естественных и гуманитарных наук»… Зна­менитое высказывание французского хими­ка М. Бертло относится к 1860 году. Про­шедшее с тех пор столетие характеризова­лось не только крушением монополий при­роды, но и более общими созидательными возможностями. Органическая химия созда­ла новый мир веществ. Химики задумали, получили и всесторонне исследуют соедине­ния, не встречающиеся в природе. Идет их многотоннажный синтез!

Но, как это ни странно, два с лишним миллиона известных нам органических веществ — природных и синтетических — построены принципиально одинаково: ато­мы в их молекулах соединены химическими связями. Для образования таких связей при­влекается арсенал великолепно отточенных инструментов — разнообразнейших реак­ций. Соединение атомов и их группировок химическими связями есть фундаменталь­ный строительный принцип органического синтеза.

Однако с давних пор в анналах химии на­капливались странные факты. 150 лет назад Г. Дэви получает гидрат хлора, в котором на молекулу Сl2 приходится шесть молекул воды. Температура разложения соединения + 9° С в то время, как температура кипения хлора —34,6° С. С открытием подобных же гидратов аргона, криптона и ксенона окон­чательно исчезает и без того слабая надеж­да, что соединения построены по общему принципу образования химической связи.

25 лет назад обнаруживается очередное загадочное явление: мочевина с октиловым спиртом образует кристаллическое соедине­ние. О химическом взаимодействии между этими веществами не может быть и речи! Число необъяснимых фактов растет. Неразветвленные парафины (начиная с гептана) и почти все их производные дают в реакции с мочевиной кристаллические продукты.

Невероятные поначалу предположения перерастали в твердую уверенность: в орга­нической химии существует какой-то другой строительный принцип. Во всех случаях мо­лекула-гость (спирта, парафинов) включа­лась в каналы кристаллической решетки мо­лекул мочевины. Гидраты газов построены по тому же принципу: молекулы хлора, ар­гона, криптона и т. д. включены в кристалли­ческую решетку воды, образуя клатратные (клеточные) соединения включения. Во всем этом семействе молекулы объеди­нены без химической связи. Соединения включения существуют только потому, что молекула-гость не может покинуть полость в кристаллической решетке молекул-хозяев.

Обретала новый смысл одна из древней­ших известных человеку реакций — синее окрашивание крахмала иодом. Эта реакция, в которой невозможно представить возник­новение химических связей, тоже могла быть объяснена образованием соединения включения: молекулы иода располагаются в центральном канале спиральной молекулы амилозы крахмала. Осколки амилозы, соот­ветствующие примерно одному витку ее спирали, прекрасно наследуют способность к включению. Соединения-осколки цикло­декстрины (или циклоглюканы) образуются при расщеплении крахмала ферментом амилазой и построены из шести, семи или восьми молекул глюкозы, соединенных в циклы:

соединения-осколки

α-Декстрин, подобно амилозе, дает с ио­дом синее соединение включения. В соот­ветствии с размерами полости в него внед­ряются также молекулы бензола и некото­рых его производных, но молекулу бром- бензола α-декстрин уже вместить не может. β-Декстрин включает в себя бромбензол и даже нафталин, но не способен вместить антрацен, который легко входит в более про­сторную полость γ-декстрина. Таким обра­зом, наблюдается строгий гомологичный ряд полостей.

Молекулярные моделиМолекулярные моделиМолекулярные модели

Молекулярные модели соединений включения (α-декстрина с бензолом (А), β-декстрина с нафталином (Б) и γ-декстрина с антраценом (В)

Молекулярные соединения включения образуют и более простые циклические соединения. Так, молекула бис-тетраметиленбензидина включает в свою централь­ную полость молекулу бензола или диоксана:

формула

Соединения включения ярко показывают, что объемные молекулярные конструкции можно создавать методом вклинивания. Но такие конструкции слишком шатки. Их проч­ность на порядок ниже, чем у обычных мо­лекул. И даже самые удачные из них обра­тимо распадаются в растворах.

декстрин

Упрочнить молекулярные соединения включения можно построением систем:

млдекулярные соединения

Первая система подобна «непостижимо­му для взрослых» образу слона в удаве из сказки Сент-Экзюпери «Маленький принц». Допустим, что удав, действительно, прогло­тил слоненка, но только очень маленько­го,— тот вырастает и уже не может выбрать­ся обратно через пасть. Теперь либо удав переварит слона, либо слон разорвет удава.

слон в удаве

Точно так же, чтобы разобщить систему «гантель в цикле» (а она образуется в ре­зультате разрастания молекулы-«гантели» в цикле другой молекулы), надо разорвать связь либо в цикле, либо в стержне, связы­вающем шары. Пути образования такой мо­лекулярной системы академик А. Н. Несмея­нов обсуждал с 1945 г. на коллоквиумах сна­чала в Институте органической химии, а за­тем в Институте элементоорганических сое­динений АН СССР. В одном из вариантов предполагалось, что стержнеобразная мо­лекула фенилэтинилизоцианата в растворе циклического соединения с некоторой вероятностью включается в это соединение. В таком случае при реакции со спиртом воз­можно образование системы «гантель в цикле»:гантель в циклеБензольный цикл и уретановая группиров­ка — это в данном случае шары «гантели», препятствующие освобождению молекулы- гостя из полости молекулы-хозяина. К сожа­лению, возможность таких построений экс­периментально не проверялась.
В 1958 году появилось сообщение немец­кого ученого Ф. Крамера о предпринятой им и окончившейся неудачей попытке полу­чить систему «гантель в цикле» с примене­нием α-декстрина, включающего линейный диальдегид:
«гантель в цикле»

Расчет строился на том, что остатки наф­талина не смогут проникнуть в полость α-декстрина и будут играть роль шаров «ган­тели». Причина неудачи Крамера была в со­вершенно неожиданном подавлении реак­ции нафтил-гидразина с альдегидными груп­пами.

Система «гантель в цикле» до сих пор так и не синтезирована. Она, несомненно, до­стойна внимания исследователей. Но обстоя­тельства сложились так, что основные уси­лия экспериментаторов были направлены на изучение катенанов, в которых молекулы связаны подобно звеньям цепи.

Подобно элементам системы «гантель в цикле», циклы катенанов также нельзя раз­общить, не разорвав химическую связь хотя бы в одном из них. Следует сразу же отбро­сить мысль о взаимной проницаемости свя­зей в рассматриваемых соединениях. Поэто­му энергия связи циклов определяется энер­гией обычной химической связи. Вот почему катенаны и могут служить прочным строи­тельным агрегатом в молекулярной архи­тектуре. Теперь это подтверждено опытом, и мы можем с полным правом утверждать, что на химическом горизонте появился но­вый строительный принцип.

КАТЕНАНЫ: ИСТОРИЯ, ПУТИ И ПОПЫТКИ СИНТЕЗА

«Ничего действительного в мире не делается без предвзятых идей. Нужно только иметь благоразумие верить тем выводам, которые подтверждена опытом. Верить же в существование вещей лишь только потому, что нам хочется, чтобы они были, — есть величайшее извращение ума».

Л. ПАСТЕР

Теперь трудно установить, кто и когда впервые серьезно высказал идею о катенанах. По воспоминаниям В. Прелога, извест­ный немецкий химик Ричард Вильштеттер об­суждал эту проблему на семинаре в Цюрихе в период между 1900 и 1912 годами.

Идея катенанов привлекала и русских химиков. В 1929—1930 годах И. Л. Кнунянц в лаборатории нынешней Академии химзащиты предпринимал попытки получить катенаны замыканием дигалогенида по реакции Вюрца внутрь циклооктатетраена:
катенан

Однако исследователь выбрал недоста­точный по размеру цикл, а возможности того времени не позволяли рассчитывать на удачу. Только 30 лет спустя предложенный им вероятностный (или статистический) син­тез стал предметом детального исследова­ния и будет рассмотрен ниже.

В 1956—1958 гг. фрейбургская группа А. Люттрингхауза и гейдельбергская группа Ф. Крамера провели серию исследований, подводящих к направленному синтезу катенанов. Они получали макроциклические ы путем окисления соответствующих дитиолов. Например:
дисульфид

Основная трудность этого синтеза обу­словлена тем, что параллельно внутримоле­кулярному процессу идет процесс межмолекулярного взаимодеиствия, который при­водит к димеризации и полимеризации дитиола. Уменьшить вероятность появления этих нежелательных реакции удавалось пу­тем сильного разбавления реакционной смеси.

Далее, зная, что производные бензола могут давать соединения включения с α-декстрином, авторы «загоняли» в его полость дитиол и сводили синтез а к внутри­молекулярному окислению соединения включения (как и в предыдущем случае — в условиях сильного разбавления):

катенан

И все-таки, несмотря на привлекатель­ность научного замысла, катенан получить не удалось. Дитиол, включенный в полость α-декстрина, не окислялся. Но проблема катенана была сформули­рована…

И вот в феврале 1957 года появилось сенсационное патентное сообщение тюбин­генских студентов Колера и Дитриха: «Спо­соб получения соединения со сплетенными циклами». Сообщение вызвало очень боль­шой интерес.
катенан

Однако оказалось, что «сплетенные цик­лы» молекул масла, синтезированного Коле­ром и Дитрихом, существовали только в во­ображении авторов работы —потому, что им слишком хотелось верить именно в это строение полученного вещества. Патент № 1069617 пришлось изъять из указателя «Chemical Abstracts».

СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ

Начиная с 1952 года в некоторых работах высказывались предположения, что катенаны могут образоваться случайно, при реак­ции полимеризации, например, в полисилоксанах и полифосфонитрилхлориде. Однако, первые специальные исследования в области вероятностного (или статистического) синте­за были выполнены Э. Вассерманом и Г. Фришем (США) только в 1960—1962 гг.

Идея их метода состояла в том, что при циклизации линейных молекул имеется не­которая вероятность перехлеста:линейная молекула

а при циклизации линейной молекулы в при­сутствии цикла некоторая вероятность включения:

линейная молекула

Анализ молекулярных моделей и расчеты показали, что для свободного сплетения нужно иметь не менее чем двадцатичленные углеводородные циклы и что минимально возможный — катенан 20,20. Увеличение размеров цикла облегчает сплетение и по­вышает вероятность образования катенана. Но чем больше молекулы, тем труднее их создавать и сложнее с ними работать, так как растворимость вещества с ростом его молекул резко падает.

Э. Вассерман поставил задачу получить катенан 34, 34. В своих исследованиях он опирался на работы известного швейцар­ского химика Леопольда Ружички. В 1926 го­ду при исследовании природных мускусных душистых веществ Ружичка открыл макро- циклические углеводороды и впервые син­тезировал тридцатичетырехчленный углево­дородный цикл — циклотетратриаконтан. Вассерман использовал циклотетратриакон­тан в качестве строительного материала для синтеза своего катенана; он получал этот макроцикл ацилоиновой конденсацией:

катенан

Последующее восстановление с дейтерированной соляной кислотой дало циклотет­ратриаконтан (С34Н63D5) с пятью атомами дейтерия в молекуле. В дальнейшем такую же ацилоиновую конденсацию провели в смеси (1:1) дейтерированного циклотетра- триаконтана и ксилола. Создавалась воз­можность циклизации внутрь готового цикла:

цикл

Полученную смесь разделяли на колонке с окисью алюминия или силикагелем. Угле­водород С34Н63D5 полностью удаляется при промывании колонки пентаном. Затем ацилоин удается смыть смесью эфира с мети­ловым спиртом, но в полученной фракции инфракрасные спектры (полосы 2105, 2160 и 2200 см-1) легко обнаруживают дейтерированный цикл С34Н63D5 . От него не удается избавиться даже многократным повторени­ем процесса. Более того, после расщепления ацилоинового цикла перекисью водорода:

цикл

неизменный цикл С34Н63D5 нацело смывается с колонки пентаном.

молекулярная модель

Молекулярная модель катенана 34,34

Это значило, что цикл Сз4Н6з05 сцеплен с ацилоиновым циклом. Два контрольных опыта подтвердили вывод:

1) смесь цикла С34Н63D5 и ацилоина цели­ком разделяется на колонке,

2) после нагревания смеси цикла и чис­того ацилоина с натрием в условиях синтеза катенана все компоненты разделяются на ко­лонке и получающийся ацилоин не содер­жит дейтерия.

Многократной очисткой исследователи выделили масло, которое должно было быть катенаном 34,34. К 1962 г. у Э. Вассермана было 5,66 мг этого продукта. Однако и до настоящего времени нет сведений о степени чистоты этого первого в мире катенана, нет данных о его молекулярном весе и отсут­ствуют дополнительные доказательства его строения. Кроме того, общий выход стати­стического синтеза составляет 0,0061%. Это необычайно мало для синтетического (пре­паративного) метода получения вещества.

НАПРАВЛЕННЫЙ СИНТЕЗ

«Исследоватьзначит видеть то, что видели все, и думать так, как не думал никто».

Из книги А. Сцент-Дьердьи «Био­энергетик»

 

После неудач 1958 года маленькая фрейбургская группа А. Люттрингхауза и Г. Шилла продолжала упорную работу. Когда ста­ла очевидной препаративная несостоятель­ность статистического метода, исследовате­ли разработали программу направленного синтеза и осуществили ее. 28 апреля 1964 го­да они выступили с сообщением о своем поразительном успехе.

Секрет его состоял в том, что удалось найти такую опорную систему, на основе которой уже сам синтез доказывал образо­вание катенана.

В этой системе бензольное ядро входит в макроцикл (лежит в плоскости А); перпен­дикулярно к нему на «распорках» (в плос­кости В) «крепится» линейная молекула; два ее галоидалкильных хвоста, располагаясь над и под циклом, подходят к аминогруппе с разных сторон. Размер хвоста «выбран» так, чтобы он не дотягивался до аминогруп­пы, например, при попытке верхнего хвоста изогнуться и подойти к ней снизу. Таким образом, найден совершенно однозначный способ замыкания одного цикла внутри дру­гого. После циклизации «остается только» (!) удалить вспомогательные связи (волнистые пинии на рисунке) и катенан готов…

химия

До сих пор никому не удавалось так по­дойти к решению проблемы, несмотря на то, что использованные в эксперименте методы были всем хорошо известны. Авторы опира­лись не только на остроумный замысел, они тщательно характеризовали промежуточные продукты и подробно доказывали строение полученных катенанов.

Назовем только основные стадии синтеза и превращения катенанов.

Из 3,5-пентакозаметилен-пирокатехина и 1,25-дихлорпентакозан-13-она получается кеталь. Его нитруют. Далее следуют новые превращения:

химические превращения

Общий выход кристаллического продукта (температура его плавления 121—125° С) после этих двух реакций равен 29,7%. Вели­колепный результат на самом ответствен­ном этапе синтеза!

 

Расщепление вспомогательных связей проходит почти со 100%-ным выходом и приводит к образованию катенана. Получен­ный продукт впоследствии превращали в диацетат.

Инфракрасные спектры этого соединения доказывают наличие О-ацетильной карбо­нильной группы (1779 см-1) и кетогруппы (1717 см-1). Карбонильные группы хинона и N-ацетила имеют общую полосу около 1650 см-1.

Восстановительным ацетилированием диацетата получили тетраацетат:

тетраацетат

Для него определили такую принципи­ально важную характеристику, как молеку­лярный вес (методом изотермической дис­тилляции найдено 960 и 995 вместо рассчи­танного 1022,5). В инфракрасных спектрах тетраацетата обнаружили характерные поло­сы О-ацетила (1786 см-1), кетогруппы (1715 см-1) и N-ацетила (1650 см-1).

Наконец, тетра­ацетат превратили в моноацетат и иссле­довали его инфра­красные и ультра­фиолетовые спект­ры:

моноацетат

Поглощение в ультрафиолетовой области, обусловленное оксихинонной группой, не от­личалось от поглощения изолированного кольца. На бумажной хроматограмме веще­ство давало одно пятно и совершенно не со­держало примесей.

Итак, Люттрингхауз и Шилл привели убе­дительные доказательства того, что их сое­динения индивидуальны и соответствуют си­стеме «цикл в цикле». Они получили катенан с высоким выходом и доказали, что он может вовлекаться в химические реакции, ха­рактерные для отдельных циклов, не утра­чивая катенановой системы.

Эти исследования окончательно утверди­ли катенаны как класс соединений и дали общий принцип их построения.

ХИМИЧЕСКАЯ ТОПОЛОГИЯ * — НОВЫЙ ТИП ИЗОМЕРИИ

(*Топология — раздел геометрии, изучающий свойства формы и взаимного расположения фигур, а также их преобразования без разрывов и складок.)

Для разобщения циклов катенана необ­ходимо временно разорвать связи хотя бы в одном из них. Связь между циклами кате­нана — чисто механическая. Э. Вассерман предложил для нее термин «топологиче­ская», поэтому два катенановых кольца можно назвать топологическими изомерами отдельных циклов. Топология может под­сказать интересный подход к катенанам.

«Топология включает в себя изучение та­ких объектов, как, например, известный од­носторонний лист Мёбиуса, который можно получить, вырезав полоску бумаги и склеив концы после поворота одного из них на 180°… С помощью такой ленты можно пока­зать эффектный фокус, предложив кому-ни­будь из непосвященных сказать, что про­изойдет, если в середине ленты проколоть отверстие и начать разрезать ленту пополам вдоль всей длины до тех пор, пока разрез не вернется к исходному отверстию… Как это ни невероятно… лента вовсе не распа­дется на два куска, а превращается во вдвое более длинное, но зато вдвое более узкое кольцо, закрученное на 360 вместо исход­ных 180°». (Н. Винер «Я — математик». Изд. «Наука», М., 1964, стр. 19).

Если повторить этот широко известный опыт, но разрезать ленту по трети ширины, то получаются два кольца, связанные как звенья цепи (!), причем одно — в два раза больше другого. Синтез катенана можно представить себе именно этим путем:

Синтез катенана

Кроме двух сцепленных колец возможны и другие формы катенанов:

формы катенанов

При построении молекулярных моделей этих соединений можно убедиться, что для образования дважды закрученного цикла в цикле (А) требуется не менее 33 атомов в молекуле; для трехзвенного катенана (Б)- 20 в крайних циклах и 26 в среднем, а для переплетения трех колец (В) — не менее 30 атомов в каждом. В катенане (А) возможно правое и левое закручивание. Эти формы — зеркальные изображения одна другой и не­совместимы в пространстве, как правая и левая руки. Растворы молекул-антиподов должны по-разному вращать луч поляризо­ванного света. Хорошо известная в органи­ческой химии оптическая активность в дан­ном случае появляется на основе принци­пиально нового типа асимметрии.

Другой пример топологической изоме­рии — простой цикл и цикл с узлом. Простой узел умещается в цикле, состоящем не ме­нее чем из 50 атомов, при этом образуется трилистник, для которого возможны две формы — с правым и левым узлом:цикл

Они, подобно двум формам дважды закру­ченного цикла в цикле, тоже должны обла­дать оптической активностью.

В расчете на случайное образование узла при обычной циклизации Э. Вассерман пы­тался получить шестидесятишестичленный цикл с узлом. Однако выделить его было еще более сложно, чем катенан. Автор на­деялся на то, что свидетельством образова­ния узла будет само наличие оптической активности. Но раствор полученного им цик­ла С66 ею не обладал. Образование правой и левой форм равновероятно, поэтому, если даже узлы и образовались, это могло и не вызвать оптической активности.

ЗАМЕЧАНИЯ АВТОРА

Лет 10 назад, когда студентом я слушал курс органической химии, в вихре осеннего листопада мне пригрезились сплетенные хи­мические циклы… Идея показалась мне со­вершенно новой, с ней я позднее и пришел к И. Л. Кнунянцу. Но академик справедливо решил, что это слишком глубокий водоем для обучения щенка плаванию. И мне при­шлось заняться самыми маленькими из циклов — трехчленными. Они надолго стали темой моего увлекательного разговора с природой.

Со смешанным чувством восторга и грусти встретил я первые работы А. Люттрингхауза, а затем с жадностью следил за исследованиями, о которых рассказал.

Но меня неизменно влекли предельно простые системы, в которых катенаны, как явление, предстают в обнаженном виде. Ка­ким же может быть простейший катенан? Наименьший пронизываемый цикл должен быть, очевидно, жестким и, по возможности, без заместителей, «торчащих» внутрь полос­ти. Удобной строительной основой может стать, по-видимому, 1,8-диэтинилантрацен, окислительная циклизация которого прохо­дит с выходом 90% даже без разбавления. Анса-соединения на его основе могут быть ключом к великолепному по простоте (и воз­можностям) трехзвенному катенану:

Анса-соединения

Неожиданные возможности для химии катенанов таит масс-спектрометрия. Сущ­ность этого бурно развивающегося метода состоит в том, что при бомбардировке элек­тронами молекула раскалывается по всем

возможным направлениям, причем ее поло­жительно заряженные осколки точно реги­стрируются по массе и относительной кон­центрации. Я осмелюсь предсказать для ка­тенанов общую картину масс-спектров:

масс-спектр

Группа пиков в области молекулярного иона соответствует осколкам после отрыва атомов водорода и относительно легких за­местителей. Но после первого же разрыва связи в любом из циклов будет фиксиро­ваться ион, соответствующий массе разор­ванного цикла. За 10-5 секунд шлейф этого иона наверняка выскользнет из уцелевшего кольца. Таким образом, следующая группа пиков появится только в районе массы наи­большего цикла. Подобные рассуждения легко распространить на трех- и многозвен­ные катенаны. Если это так, то масс-спектр станет тем характерным «отпечатком паль­цев» катенана, по которому его можно бу­дет безошибочно опознать.

Можно предполагать, что статическая вязкость катенана будет ближе к вязкости составляющих его однозвенных циклов, а динамическая — к вязкости системы двух жесткосвязанных. Измерение и сопоставле­ние этих величин было бы неплохой пробой. Кроме того, можно было бы пытаться выде­лять получаемое соединение методом цен­трифугирования в сигтеме с градиентом плотности.

Если химический смысл катенанов уже начал проясняться (эти соединения, по край­ней мере, получены), то о физическом и биологическом их смысле можно пока толь­ко догадываться. Читатель легко продолжит мысль о грандиозных потенциальных воз­можностях природы в построении связанных циклов. Достаточно назвать лишь природные циклопептиды, строение которых подтверж­дено полным синтезом: грамицидин содер­жит цикл из 30, инсулин — из 81 атомов. А каков смысл грандиозных циклических мо­лекул вирусной ДНК, построенных из 22 000 атомов! Катенаны нужно искать в природе.

Обменное взаимодействие в максималь­но сближенных, но химически не связанных системах; взаимодействие в перемещаю­щихся сопряженных катенановых витках с неспаренными электронами; упругая дефор­мация и скрытая текучесть в катенановых полимерах — уже эти захватывающие во­просы, связанные с исследованиями кате­нанов, не могут не участить пульс химика и физико-химика.

Кандидат химических наук Р. Г. КОСТЯНОВСКИЙ

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>