Органическая химия построила новый мир веществ рядом с прежним. Химики
задумали, создали и всесторонне исследуют соединения, не встречающиеся в
природе. Они утвердились во всех сферах человеческой деятельности, в
промышленности идет их многотоннажный синтез. В этом действительно
великая творческая способность и могущество органической химии.
Но, как это ни странно, три с лишним миллиона известных нам органических
веществ - природных и синтетических, несмотря на чрезвычайное
разнообразие свойств, посторены принципиально одинаково: атомы в их
молекулах соединены между собой химическими связями. Такой способ
соединения атомов и их группировок - фундаментальный строительный
принцип органической химии.
Однако уже довольно давно в тайниках химии начали накапливаться странные
факты. 160 лет назад Дэви обнаруживает гидрат хлора, в котором на одну
молекулу хлора приходится шесть молекул воды. Температура разложения
этого соединения + 9°Ц, вто время как хлор кипит при -34,6°Ц.
С открытием удивительных гидратов инертных газов (аргона, криптона,
ксенона) и углеводородов (метана, этана, этилена, пропана, циклопропана
и др.) окончательно исчезла и без того слабая надежда на то, что эти
соединения построены по общему, обычному принципу образования химической
связи.
Далее. 120 лет назад Вёлер получает странное соединение гидрохинона с
сероводородом, а 37 лет спустя Милиус выделяет такое же необычное
соединение гидрохинона с муравьиной кислотой. Причем он уже прямо пишет,
что имеет дело с принципиально новым типом связи, когда молекулы одного
компонента полностью включают в себя молекулы другого.
30 лет назад обнаруживается очередное загадочное явление. Немецкий
ученый Бен-ген, определяя с помощью мочевины содержание жира в
пастеризованном молоке, для лучшего разделения эмульсии добавил немного
октилового спирта. Через несколько дней на поверхности жирового слоя
образовались кристаллы. Анализ показал, что они содержат и мочевину и
октиловый спирт. Но всем известно, что эти вещества не вступают в
химическое взаимодействие!
События развивались стремительно. Не-разветвленные парафины и
практически все их производные образовывали с мочевиной кристаллические
продукты. В этих случаях молекула-<гость> была включена в каналы
кристаллической решетки молекул-<хозя-ев> - мочевины (диаметр канала 5 А
). В соединениях тиомочевины диаметр канальной полости несколько больше.
А поэтому он включает уже разветвленные углеводороды и даже такие
крупные молекулы, как ССЦ, декалин и др.
Оказалось, что гидраты инертных газов построены по тому же принципу -
молекулы газов включены в кристаллическую решетку воды и образуют
клеточные соединения включения. С гидрохиноном также получаются
соединения клеточного типа. В громадном семействе соединений включения -
клатратов (от греческого слова - <замок>, соответствует латинскому clat(h)ratus
- <загороженный>) - молекулы соединены между собой без химической связи.
Соединения существуют только потому, что молекула-<гость> не может
покинуть полость в кристаллической решетке молекул-< хозяев>.
Новые вещества быстро нашли практическое применение. Высокая
устойчивость углеводородных газовых гидратов лежит в основе
великолепного способа опреснения морской воды. Пропан при 1,7° под
давлением 4 атм смешивают с морской водой. Часть воды, свободной от
солей, вступает в соединение, образуя кристаллический гидрат,
разложением которого при 7,2° и давлении 5 атм получают питьевую воду.
Физиологически активные вещества способны образовывать гидраты
клатратного типа. Такой способностью обладают соединения, вызывающие
общий наркоз - эфир, хлороформ, ксенон, циклопропан и др. В 1961 г.
известный американский ученый Полинг предложил молекулярную теорию,
объясняющую их действие. Согласно этой теории они образуют
микрокристаллы гидратов в клетках мозга, препятствуя передаче нервных
импульсов.
Гидрохиноновые гидраты газов - совершенно устойчивые на воздухе
кристаллы, в которых газ находится под высоким давлением: в кристаллах
клатрата З-НОСбЬЦОН- Аг давление аргона 91 атм. Этот поразительный факт
открывает интересные возможности для использования клатратов инертных
газов.
Способность мочевины включать только линейные, неразветвленные молекулы
лежит в основе метода <экстрактивной кристаллизации> - разделения смесей
линейных и разветвленных углеводородов, что важно для некоторых
производственных процессов. Непредельные жирные кислоты легко окисляются
на воздухе, но включенные в каналы мочевины, они защищены от окисления,
и в таком состоянии их легко хранить.
К клатратообразованию способны и некоторые неорганические соединения.
Широкое распространение получили макромолекулярные неорганические
соединения - <молекулярные сита>, или цеолиты. Их кристаллические
структуры имеют систему свободных полостей, соединяющихся широкими
щелями. Например, у минералов шабазита и анальцима диаметр полостей
7,ЗА, а щелей - 3,2 А; они могут включать молекулы воды, аммиака и
коротких неразветвленных углеводородов.
Разработаны методы получения цеолитов с заданными размерами полостей и
каналов; они широко применяются в промышленности для сушки газов,
разделения смесей и как ионообменники.
Новый смысл обрела одна из древнейших известных человеку реакций - синее
окрашивание крахмала йодом. Молекулы йода располагаются в центральном
канале спиральной молекулы амилозы крахмала. Такие соединения, в которых
молекула-<гость> внедряется в полость единственной молекулы, называются
молекулярными соединениями включения.
Вещество а-декстрин, подобно амилозе, дает с йодом синее соединение
включения. В соответствии с размерами полости в него внедряются молекулы
бензола и некоторых его производных, но молекулу бромбензола а-декстрин
вместить уже не может. Р-декстрин вмещает в себя бромбензол и даже
нафталин, но не способен вместить антрацен, который легко входит в более
просторную полость у-декстрина. Таким образом, наблюдается строгий ряд
полостей (рис. 1).
Эти соединения хорошо демонстрируют возможности создания объемных
молекулярных конструкций методом вклинивания. Но такие конструкции
слишком шатки: даже самые удачные из них легко распадаются в растворах.
Упрочнить молекулярные соединения включения можно созданием систем
<гантель в цикле> (рис. 2) или <цикл в цикле> (рис. 3). Такие соединения
называются катенанами, от латинского слова catena - цепь.
Первая система напоминает слона в удаве из сказки А. Сент-Экзюпери
<Маленький принц>. Допустим, что удав проглотил слоненка, но только
очень маленького. Слоненок вырастает и уже не может выбраться обратно
(рис. 4). Теперь либо удав переварит слона, либо слон разорвет удава.
Точно так же, чтобы разобщить систему <гантель в цикле>, надо разорвать
связь либо в цикле, либо в стержне, соединяющем шары.
Циклы катенана также нельзя разобщить, не разорвав химическую связь хотя
бы в одном из них. Энергия связи циклов определяется энергией обычной
химической связи. Вот почему катенаны могут служить прочным строительным
агрегатом в молекулярной архитектуре.
Существование этих систем подтверждено опытом, поэтому можно с полным
правом утверждать, что обычный способ соединения атомов химическими
связями оказывается не единственным методом построения химических
соединений.
В 1956-1958 гг. две группы ученых, руководимые Люттрингхаузом и Крамером,
провели чрезвычайно интересные по замыслу исследования.
Зная, что производные бензола могут давать соединения включения с
а-декстриномг авторы <загоняли> в его полость дитиол и сводили синтез
катенана к внутримолекулярному окислению соединения включения (рис. 5).
Несмотря на привлекательность замысла, катенан получить не удалось:
дитиол, включенный в полость а-декстрина, не окислялся.
Оказалось, что характерные для соединения реакции затрудняются при его
включении, что объясняет и неудачную попытку Крамера получить систему
<гантель в цикле>, исходя из линейного диальдегида, включенного в
а-декстрин (рис. 6). Расчет был на то, что остатки нафталина,
присоединенные по концам, будут играть роль шаров гантели. Но
характерная для изолированно-г о диальдегида реакция для включенной
молекулы не шла.
Первый катенан удалось получить американскому ученому Вассерману в 1962
г.
Анализ молекулярных моделей и расчеты показали, что для свободного
сплетения нужно иметь не менее чем двадцатичленные циклы, т. е. катенан
20,20 - минимально возможный. Увеличение размеров цикла облегчает
сплетение и повышает вероятность образования катенана. Но с другой
стороны, чем больше молекулы, тем труднее их создавать и сложнее с ними
работать, так как растворимость вещества с ростом его молекул резко
падает.
Вассерман поставил задачу получения катенана 34,34 в расчете на его
случайное образование при циклизации линейной молекулы в присутствии
готового цикла (рис. 7).
После многократной очистки Вассерман получил 5,66 мг катенана 34,34
(рис. 9). Но выход катенана в этом статистическом методе крайне мал -
только одна из миллиона линейных молекул сплетается с готовым циклом.
Люттрингхаузу и Изеле удалось недавно значительно повысить вероятность
сплетения циклов. В их полустатистическом синтезе линейная молекула
прикреплена к готовому циклу (рис. 10).
При ее циклизации уже 60000 из миллиона молекул сплетаются и после
разрыва связи, скрепляющей циклы (волнистая линия), дают катенан.
Остальные молекулы после разрыва этой связи дают разобщенные циклы. Этим
методом получено 60 мг кате-нана 28,36.
Принципиально теми же методами Харрисон в 1967 г. получил систему
<гантель в цикле> (рис. 11).
связью к поверхности особой смолы, которая жестко ориентировала цикл,
способствуя продеванию в него, как нитки в игольное ушко, линейной
двенадцатизвенной молекулы де-кандиола. К его концевым спиртовым группам
присоединяли объемные трифенилме-тильные заместители, которые и служили
шарами гантели. После разрыва вспомогательной связи получалось
устойчивое соединение, построенное, как <гантель в цикле>, без
химической связи гантели и цикла (рис. 12). Как и в полустатистическом
синтезе катенана, 60 ООО из миллиона молекул готового цикла оказались
продетыми гантелью.
Статистический метод синтеза катенанов в расчете на случайное сплетение
циклов
дает крайне малый выход желаемого продукта. Кроме того, для
доказательства переплетения циклов приходится прибегать к сложным
приемам, которые не всегда дают бесспорные результаты. Поэтому
окончательным решением проблемы катенанов можно считать направленный
синтез катенана 26, 28, о котором сообщили Люттрингхауз и Шилл в апреле
1964 г. Им удалось найти такую опорную систему, на основе которой уже
сам синтез доказывал образование катенана (рис. 13).
В этой системе бензольное ядро входит в макроцикл (лежит в плоскости А),
а перпендикулярно ему на распорках (в плоскости В) крепится линейная
молекула. Два ее <хвоста>, располагаясь над и под циклом, подходят к
аминогруппе (NH2) с разных сторон. Размеры <хвостов> выбраны так, чтобы
Каждый доставал до аминогруппы только со своей стороны - сверху либо
снизу. Таким образом, был найден способ совершенно однозначной
циклизации внутрь готового цикла. После циклизации остается только
удалить вспомогательные связи (волнистые линии на рисунке), и катенан
готов.
До сих пор так не думал никто, несмотря на то что все необходимые
частные методы синтеза хорошо известны. Авторы опирались не только на
остроумный замысел, они тщательно характеризовали промежуточные продукты
и подробно доказали строение полученных катенанов (рис. 14).
Выше было сказано, что приемы доказательства переплетения циклов сложны
и не всегда дают бесспорные результаты. Но в 1965 г. автор этой статьи
обратил внимание на те возможности для химии катенанов, которые таит в
себе масс-спектрометрия. Сущность этого бурно развивающегося метода
состоит в том, что при бомбардировке электронами молекула раскалывается
по всем возможным направлениям, причем совершенно точно регистрируется
масса и относительная концентрация положительно заряженных осколков.
Была предсказана общая для всех катенанов картина массспектров.
Два года спустя это прекрасно подтвердилось. Действительно, в
масс-спектре катенана 3 (рис. 14) наблюдалась группа пиков, отвечающих
молекулярному иону и в основном отщеплению ацетильных групп. Затем
следовал просвет до появления пика, совпадающего с массой большего
цикла. Именно благодаря этому просвету масс-спектр стал характерным
<отпечатком пальца> катенана, по которому его всегда можно безошибочно
опознать.
Для разобщения циклов катенана необходимо временно разорвать химическую
связь хотя бы в одном из них. Связь между циклами катенана - чисто
механическая. 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
такой 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 распадается на два куска, а
превращается в вдвое более длинное, но зато вдвое более узкое кольцо,
закрученное на 360°, вместо исходных 180°>. (Н. Винер, <Я - математик>.)
Если повторить этот широко известный опыт, но разрезать ленту не
посередине, а по трети ширины, то получается два кольца, связанные, как
звенья цепи (!), причем одно - в два раза больше другого.
Синтез катенана можно представить себе именно этим путем (рис. 15).
Кроме двух сцепленных колец, теоретически возможны и другие формы
катенанов (рис. 16).
Для образования дважды закрученного цикла в цикле (А) требуется не менее
33 атомов в каждой 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. Другой тип топологической
изомерии - простой цикл и цикл с узлом. Простой узел умещается в цикле,
состоящем не менее чем из 50 атомов. Легко представить себе, сколь
сложна проблема создания таких катенанов.
Если химический смысл катенанов уже начал проясняться (эти соединения,
по крайней мере, получены), то об их физическом и биологическом смысле
пока только догадываются. Можно лишь гадать и о грандиозных
потенциальных возможностях природы для построения связанных циклов.
Достаточно назвать лишь природные циклопептиды, строение которых
подтверждено полным синтезом: грамицидин содержит цикл из 30, инсулин -
из 81 атома. А каков смысл грандиозных циклических молекул вирусной ДНК,
построенных из 22 000 атомов?!.
До сих пор в живой природе не встречался строительный принцип цепи. Но
судя по некоторым электронномикроскопическим стшкам циклических
хромосом, они содержат сплетенные циклы. Быть гложет, в механическом
соединении циклических молекул кроется какая-то биологическая тайна.
Самые неожиданные свойства скрываются и в синтетических соединениях,
построенных по принципу сплетения. Это новый принцип подвески
физиологически активного
возможны и другие формы катенанов (рис. 16).
Для образования дважды закрученного цикла в цикле (А) требуется не менее
33 атомов в каждой молекуле; для трехзвенного
начала в создании лекарства. Это новый тип полимеров с необыкновенными
свойствами упругой деформации и скрытой текучести. Это, наконец,
совершенно неизведанная химия взаимодействий групп в сплетенных циклах.
З.Г. Костяновский
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
