Тиофен

ТиофенВсякое xимическое соединение имеет стою «биографию». Судьба тиофена настолько необычна и поучительна, что стоит рассказать о ней подробнее.

Долгое время тиофен был «непрошенным го­стем». Всюду, где бы он ни появлялся, от него ста­рались избавиться, изгнать его, разрушить, уничто­жить. Он, как и другие сернистые соединения, за­труднял химическую переработку нефти и каменно­го угля, изменял ход химических реакций, спутывал расчеты аналитиков, словом, был настоящим «чер­тиком в колбе».

СТРАНИЦЫ ПЕЧАЛЬНОЙ БИОГРАФИИ

Все началось с неудавшегося опыта. На одной из лекций по химии ароматических соединений осенью 1882 года немецкий профессор Виктор Мейер демонстрировал студентам получение бензола из бензойной кислоты. В приемную колбу медленно ка­пала бесцветная прозрачная жидкость. Опыт шел успешно. Оставалось только доказать, что синтези­рован именно бензол.

Ассистент привычно выполнил все манипуляции, ввел изатин и серную кислоту, но полученное веще­ство не приняло ожидаемой синей окраски. Пробу повторил сам профессор — тот же результат. Тогда взяли бензол, выделенный из каменноугольной смо­лы, и проба удалась. Что же получили из бензойний кислоты?

Все анализы однозначно твердили — бензол, а многократно проверенная на каменноугольном бензоле проба упорно не подтверждала данных ана­лиза…

Случай на лекции заставил профессора Мейера начать новое большое исследование. Он, естествен­но, предположил, что в синий цвет изатин окраши­вает не сам бензол, а какое-то неизвестное вещест­во, сопутствующее бензолу при его выделении из каменноугольной смолы. Бензол, освобожденный от этого спутнике, не дал синего окрашивания с изати­ном. Тот факт, что таинственный спутник не отделял­ся от бензола, свидетельствовал о большом сходстве их физических и химических свойств.

В результате большой и трудоемкой работы этот спутник все же был выделен в чистом виде. На основании элементарного анализа В. Мейер опреде­лил его состав и предложил структурную формулу, которой и сегодня пользуются химики:

ТиофенПосоветовавшись с другими учеными, он окре­стил вновь открытое вещество тиофеном. Этим на­званием Мейер хотел подчеркнуть наличие в нем серы (тио) и сходство вещества и его производных с фенильными соединениями (фен), т. е. соединения­ми ряда бензола. Вскоре он же выделил из камен­ноугольного толуола метилтиофен, который назвал тиотоленом, а из ксилола — диметилтиофен или тиоксен. Тем самым В. Мейер показал, что тиофен яв­ляется родоначальником целой группы соедине­ний — гомологического ряда.

Уже первые исследования химических и физи­ческих свойств тиофена и его производных показали их поразительное сходство со свойствами соедине­ний ряда бензола. Действительно, тиофен кипит при 84°, бензол — при 80°; хлортиофен — при 12В°, хлор­бензол — при 132°; температура плавления бензой­ной кислоты — 122°, тиофенкарбоновой — 126°. За­пах ацетотиенона почти невозможно отличить от за­паха ацетофекона — и тот и другой пахнут черему­хой. Сходство это было настолько полным, что В. Мейер в одном из своих писем признавался, что если бы не сера, которая всегда содержится в тиофеновых соединениях, он был бы уверен, что рабо­тает с производными бензола.

В. Мейером и его сотрудниками был заложен фундамент ныне весьма внушительного здания хи­мии тиофена. Причем, фундамент этот оказался на­столько добротным, что по сей день без капитально­го ремонта служит надежной опорой зданию. Одним из участников этой работы был молодой русский ученый, в будущем — выдающийся химик Николай Дмитриевич Зелинский, который в течение трех лег работал в лаборатории Мейера. Первая — магистер­ская — диссертация замечательного ученого была посвящена некоторым вопросам изомерии тиофеновых производных.

В первой половине XX века значительный вклад в изучение тиофена внес немецкий химик В. Штейнкопф.

Он синтезировал тиофен из трехсернистого фос­фора и некоторых нециклических органических со­единений, таких как янтарная кислота:

Янтарная кислотаКаменноугольная смола, из которой тиофен выде­ляется с большим трудом, перестала быть его един­ственным источником.

Вскоре ученые начали искать другие способы искусственного получения тиофена из более деше­вого сырья. С одной стороны, эта работа должна была сделать тиофен и его производные более до­ступными, а с другой — химики хотели выяснить, как о&разуется тиофен в природе и попытаться воспро­извести этот путь.

В конце 40-х годов в США построили полупро­мышленную установку для получения тиофена из бутана и серы.

Бутан и сераВсе это способствовало развитию химии тиофена и его производных.

ЧЕМ «ЗНАМЕНИТ» ТИОФЕН?

Долгие годы ученые не могли понять, почему два совершенно различно построенных соедине­ния — тиофен и бензол — так похожи друг на друга, почему замена СН = СН группы бензольного кольца на атом серы так мало изменяет свойства соедине­ния? Современная органическая химия отвечает на эти вопросы так.

Общность тиофена, бензола и некоторых других циклических соединений объясняется тем, что у их (и только у их!) молекул есть шесть электронов, об­разующих единую систему — электронный секстет. Особенности строения молекул, естественно, сказы­ваются на свойствах этих соединений. Для них характерны значительная устойчивость кольца и особая склонность к реакциям замещения, а не присоеди­нения. При этом, у бензола для образования элек­тронного секстета каждый из шести углеродных ато­мов поставляет по одному электрону, а у тиофена четыре атома углерода, естественно, дают только четыре электрона, а атом серы — два недостающих:

ТиофенУ пятичленных азот- и кислородсодержащих ци­клов — пиррола и фурана недостающие для дострой­ки секстета электроны дают азот или кислород. Ли­шившись своих «собственных» электронов и отдав их в «общее пользование», атомы серы, кислорода или аэота, естественно, теряют свои обычные свойства. Зато молекула в целом приобретает те свойства, ко­торые принято называть ароматическими.

Первое время химия тиофена развивалась, в ос­новном, «под флагом» сходства с бензолом. При та­ком подходе некоторые особенности тиофенового кольца продолжали оставаться скрытыми…

Ученые, конечно, понимали, что, хотя сера и от­дала два электрона на достройку секстета, ее при­сутствие, ее особенности должны каким-либо обра­зом проявиться.

В. Мейер Определенное влияние серы на свойства тиофенового кольца отметил еще В. Мейер. Например, более высокую реакционную способность тиофена по сравнению с бензолом он объяснял влиянием ато­ма серы. Сера «виновата» и в том, что тиофен спосо­бен давать две ряда производных, а то время как у бензола все атомы углерода равноценны. В зави симости от того, у какого из атомов углерода, α- или β-{более удаленного от серы) произойдет замеще­ние водорода, получатся различные по свойствам со­единения. С годами число полученных в лаборатори­ях производных тиофен росло. Но, несмотря на это, тиофен не приобрел того значения, на которое мог бы претендовать, благодаря своей высокой реакци­онной способности. Главная причина этого была в том, что почти все исследователи видели в нем лишь бензолоподобное вещество.

НАПРАВЛЕНИЯ ПОИСКА

Для нашей страны вопросы химии тиофена иг­рают особую роль. Ни одна страна в мире не рас­полагает таким количеством уникальных высокосер­нистых сланцев, как наша В легких продуктах пере­гонки сланцев некоторых месторождений Поволжья содержание тиофена и его гомологов достигает де­сятков процентов. Таким образом, чисто познава­тельная задача — изучение химии тиофена — в на­шей стране приобретает большое практическое зна­чение.

В 1951 г. вопрос о комплексном использовании сланцев стал достоянием лаборатории гетероцикли­ческих соединений Института органической химии им. Н. Д. Зелинского Академии наук СССР. Работу возглавил доктор химических наук, профессор Я. Л. Гольдфарб. Для него тиофен не был «таинственным незнакомцем». Еще в 1928 г. никому тогда не известный молодой ученый нашел, что из хлор- ангидридов карбоновых кислот и бензольного рас­твора тиофена в присутствии хлорного олова можно получать тиофеновые кетоны. Это ли не способ раз­деления химических «близнецов»?Получение тиофенаБензол в этой реакции не участвует, потому что хлорное олово для него слишком малоактивный ка­тализатор. Отделить бензол от полученного тиофенового кетона значительно проще, чем от самого тиофена.

И вот, почти через четверть века ученому вновь предстояла работа с тиофеном…

В отличие от своих предшественников, Гольд­фарб видел в тиофене, прежде всего, соединение серы. Он был убежден в том, что наиболее интерес­ные в познавательном и практическом отношении факты следует искать именно в тех превращениях тиофена, которые обусловлены особенностями его строения. А количество этих фактов росло стреми­тельно. Тиофен, его производные и гомологи с каж­дым годом занимали все большее место в планах и работах лаборатории. Выявились два основных на­правления: синтез и изучение тех превращений тио феновых соединений, которые не связаны с раскры­тием тиофенового кольца, и получение на основе тиофена и его гомологов нециклических соединений.

Те, кто когда-либо изучал органическую химию, знают какие широкие синтетические возможности для химика открыва.от реакции Гриньяра. Помните? Это реакции с участием магний органических соеди­нений. В органическую молекулу вводится ион маг­ния, который потом легко заменить практически лю­бой функциональной группой. Но реакции Гриньяра можно проводить только с теми соединениями, в ко­торых водород частично или полностью заменен га­лоидами.

Тиофеновую молекулу можно «металлировать» без промежуточных операций. Правда, вместо маг­ния здесь берется элементоорганическое соедине­ние — бутиллитий. Образовавшийся тиениллитий спо­собен превращаться в те же классы органических соединений, что и гриньяровские полупродукты.

Тиенилсульфиды, полученные этим методом, оказались весьма интересными соединениями. Одни из них намного ускоряют вулканизацию каучуков, другие оказались антиокислителями полимеров, третьи — гербицидами Бензольные аналоги этих ве­ществ не обладают такими свойствами.

Вскоре был открыт совершенно новый класс со­единений — меркаптоальдимины. Как ни старались в лаборатории заставить бензол образовать подобные соединения, он оказался неспособным к этому. Тиофеновые меркаптоальдимины, по-видимому, могут существовать только благодаря возникающей внутри молекул водородной связи:

Тиофеновые меркаптоальдиминыМолекула как бы берет сама себя левой рукой за правую и, благодаря этому, становится устойчивее. А что, если дать этим «рукам» схватить какой-либо посторонний атом, скажем, атом металла? Такие со­единения были получены:

ХимлайфНекоторые из них заинтересовали химиков-аналитиков.

Присутствие в тиофеновой молекуле атома серы вызывает те же последствия, какие в бензольном ядре вызывает первый заместитель атома водорода. Он не только облегчает последующие реакции заме­щения, но и исполняет функции диспетчера, направ­ляя в определенное положение «вновь прибывшие» заместители.

Некоторые производные тиофена — физиологически активные соединения. Наиболее эффективны те из них, у которых функциональная группа нахо­дится в β-положении (дальше от серы).

Но активность α-положений тиофеновых молекул примерно в 1000 раз выше, чем β-положений. Поэтому β-ззмещенные производные тиофена значи­тельно менее доступны. До последнего времени ни одному ученому не удавалось направить функцио­нальную группу в β-положекие, если хоть один угле­родный сосед серы не заблокирован радикалом.

Профессор Я. Л. Гольдфарб и его сотрудники использовали для получения β-замещенных тиофе­нов метод комплексообразования. Образование ком­плексов вообще часто изменяет природу молекулы и заставляет реакцию идти необычным путем. Хими­ческая интерпретация этого сложного явления пока еще не совсем ясна, но, тем не менее, химики часто пользуются им.

HimlifeДля пробы был взят α-ацетилтиофен. Его сме­шали с хлористым алюминием, взятым в большом избытке, без растворителя. Затем к полученному комплексу прибавили бром. Комплексообразование, во-первых, блокировало боковую цепь, в которую должен был бы встать бром, во-вторых, заставило его вступить в накрестлежащее β-положение. То же удалось проделать с α—тиофеновым альдегидом. Вы­ход β-замещенных тиофенов превысил 90%! Так впервые появился метод непосредственного введе­ния заместителя в β-положение тиофенового кольца при свободном соположении. «Принудительный ас­сортимент» был отброшен. Молекула тиофена стала полностью управляемой.

ТИОФЕН ОСТАЕТСЯ БЕЗ СЕРЫ

Ну, а что будет, если каким-нибудь образом воз­действовать на кольцевую серу тиофена, скажем, окислить ее? Как это отразится на свойствах систе­мы? Некоторые производные тиофена удалось окис­лить до сульфонов, т. е. присоединить к их сере по два кислородных атома. Полученные соединения по своим свойствам оказались совершенно отличны­ми от своих тиофеновых предков. Причину этого превращения нетрудно понять.

Для образования новых связей с кислородом сера была вы­нуждена забрать свою пару электронов из «общего котла».

Секстет электронов распался, исчезли ароматические свой­ства молекулы, получились диены — соединения с двумя ненасыщенными связями, способные вступать в реакции конденсации

А можно серу просто убрать из молекулы про­изводного тиофена. Зачем? Есть много органических соединений, обладающих замечательными свойства­ми, очень нужных химикам и очень трудно получае­мых. А поэтому дорогих, недоступных. Получение этих соединений из тиофена и его производных — вот, пожалуй, главная заслуга профессора Я. Л. Гольдфарба и его сотрудников.

ТиофенЕще в 1939 г. была открыта реакция восстанови­тельной десульфуризации. Первоначально ее исполь­зован» лишь для установления строения некоторых природных соединений, в частности, пенициллина и биотина. Но если в ней участвуют тиофен и его про­изводные, эта аналитическая реакция приобретает огромные синтетические возможности.

Как это происходит? В молекулу тиофена вводят различные заместители. Затем ее подвергают вос­становительной десульфуризации, при которой коль­цо разрывается, и сера уходит из молекулы. Полу­чается алифатическое соединение, в котором сохра­няются функциональные группы, ранее введенные в тиофеновое кольцо. Тиофен здесь играет роль ак­тивного посредника. Своей феноменальной реакци­онной способностью он помогает собрать в проме­жуточном продукте совершенно недостижимые со­четания Функциональных групп, а затем сера отщеп­ляется, и получаются молекулы, не имеющие ничего общего с тиофеновыми. «Мавр сделал свое дело, мавр может уйти». Примером «благородства» тио­фена может служить следующая реакция:

ТиофенС помощью реакции ацилирования получают тиофен с длинным «хвостом» хлорангидрида кисло­ты. Когда на следующей стадии реакции отщепляют .хлористый водород, этот «хвост», как хвост скорпио­на, загибается и «жалит» свое тело — ацилирует яд­ро в свободное α-положение. Получается бициклический кетон, в котором атом серы играет роль пе­ремычки. Достаточно убрать эту перемычку, и готов макроциклический кетон. Уже получены циклы, со­держание до 28 звеньев. А макроциклы — это и ан­тибиотики, и искусственный мускус. Как правило, та­кие сложные соединения получают длинным, много­стадийным путем. А с помощью тиофена их можно синтезировать буквально в несколько приемов.

Реакция восстановительной десульфуризации по­зволяет получать не только макроциклы, но и разно­образные алифатические соединения, в частности, новые аминокислоты и лактамы — мономеры пласти­ков типа капрона и энанта.

Ю. Б. ВОЛЬКЕНШТЕЙНТак, на наших глазах, тиофен из вредного спут­ника бензола превращается в источник сырья для производства лекарств, стимуляторов роста, гербици­дов, душистых веществ, полимеров и многих других продуктов органического синтеза.

Кандидат химических наук Ю. Б. ВОЛЬКЕНШТЕЙН

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>