Расширение круга известных органических соединений
Это — одна из традиционных и наиболее скромных сторон деятельности химиков-синтетиков. Скромных потому, что большинство таких синтезов носит весьма заурядный характер, и уже давно никого не удивляют работы, итогом которых является синтез десятков или даже сотен новых веществ. Понятно, что такой путь саморазвития был естественным и необходимым в эпоху становления органической химии. Однако в настоящее время, когда описаны миллионы органических соединений и их основные классы изучены достаточно подробно, такой «синтез ради синтеза» может показаться недопустимым излишеством. Стоит ли, в самом деле, отвлекать силы от целенаправленных исследований на синтез еще миллионов* новых соединений, не зная, зачем они могут понадобится, вернее, даже зная наверняка, что сведения о большинстве из них просто застынут без движения в справочниках?
Как и все фундаментальные науки, органическая химия исследует неизвестное. Поэтому не представляется возможным предсказать открытия в той или иной ее области (или их невозможность) и тем более практическую значимость будущих открытий. С уверенностью, однако, можно утверждать, что если остановить развитие органической химии вширь, то не будет открытий как новых областей исследования, так и новых возможностей применения получаемых веществ.
Химики, получившие более 100 лет назад бензоат холестерина —типично рутинный (даже для того времени) синтез нового производного хорошо известного соединения, не могли подозревать, что открывают путь к созданию невероятного разнообразия устройств, в которых применяются жидкие кристаллы — новое состояние вещества, которое неожиданно было открыто на примере бензоата холестерина. Вспомним также, что составившее эпоху в химиотерапии открытие сульфаниламидных препаратов явилось абсолютно непредсказуемым следствием широких исследований, направленных на синтез сотен и сотен ароматических производных, потенциально полезных для создания новых азокрасителей.
Типичным примером искусственного создания совершенно новой области для исследования может служить химия фторорганических соединений. Эта область возникла из чисто академического вопроса, сродни детскому любопытству: а как будут выглядеть органические соединения, если в них все большее число атомов водорода замещать на атомы фтора? В свое время (в 1920—30-х годах) это была довольно трудоемкая область исследования, и сложность синтеза перфторированных органических соединений, казалось бы, навсегда предопределяла их судьбу — остаться в сфере интересов «чистой науки», без перспектив практического использования. Однако именно в этой области исследователей ожидали не только открытия в области теории, но и появление новых классов веществ с уникальными физико-химическими свойствами. Среди этих веществ следует упомянуть фторопласты [34], полимеры с исключительным набором полезных свойств, не заменимые в этом отношении никакими из известных природных или искусственных материалов; фреоны, на протяжении десятилетий служившие основой холодильной и аэрозольной техники; перфторированные производные типа перфтортетрагидрофурана, неожиданно оказавшиеся великолепными растворителями — переносчиками кислорода (на основе последних и были разработаны искусственные кровезаменители, знаменитая «голубая кровь»). Несколько позднее была открыта еще одна область возможного практического применения фторпроизводных, на этот раз в медицине. Было обнаружено, что фторсодержащие аналоги природных метаболитов, которые почти неотличимы от нефторированных соединений по своим базовым структурным характеристикам, являются хорошими антиметаболитами — ингибиторами соответствующих ферментных систем, так что результатом их воздействия на клетку является блокирование определенных биохимических функций. Многие сотни такого рода соединений были синтезированы и использованы в биохимических и медицинских исследованиях [35]. Один из наиболее известных представителей этого семейства, 5-фторурацил (фторированный аналог одного из нуклеиновых оснований, остатки которых входят в состав ДНК), нашел применение в качестве высокоактивного противоопухолевого препарата.
Искусственно созданные органические вещества могут служить также источником открытий в областях науки, казалось бы, никак не связанных с органической химией. Наглядным примером могут служить работы, направленные на создание органических проводников и сверхпроводников. Неспособность типичных органических соединений проводить электрический ток известна с давних пор. Действительно, именно изолирующие свойства полимеров обусловили их широчайшее внедрение в практику в качестве всевозможных покрытий. Однако в последние десятилетия было найдено, что некоторые типы полимеров могут проявлять свойства проводников. Так, полимеры обшей формулы -(СН=СН)п, получаемые полимеризацией ацетиленов условиях реакции Циглера—Натта, приобретают свойства металлических проводников при допировании (частичном окислении мягкими окислителями типа иода). Электропроводность допированного полиацетилена может быть очень значительной (104 См/см), всего лишь на два порядка меньше, чем, например, у серебра(106 См/см; ср. с величиной 10-8 См/см для почти идеального изолятора, тефлона). Важность этого открытия была очевидной, и за ним последовал взрывоподобный рост активности в области поиска других органических соединений с подобными свойствами [36]*. Помимо полиацетиленов, другие полимеры, содержащие длинные сопряженные цепи, такие, как поли-фенилен, полипиррол или полианилин**, также обнаружили способность проводить электрический ток в различных условиях [37J.
В исследованиях несколько иного плана было обнаружено еще более интересное физическое свойство органических соединений, а именно способность некоторых органических веществ служить сверхпроводниками. Так, например, комплексы с переносом заряда тетратиафульвалена (81) и тетрацианохинодиметана (82) состава 1:1 (схема 1.24) способны не только проявлять свойства металлических проводников при комнатной температуре, но и становятся сверхпроводниками при низких температурах. Синтезированы и изучены многочисленные соединения этого и сходных типов. Среди них особенно интересными оказались комплексы с переносом заряда, полученные из бис(эти-лендитио)тетратиафульвалена и неорганических анионов. Некоторые из этих комплексов обнаруживали сверхпроводящие свойства при температуре 10,4 К.
Схема 1.24 |
Хотя рассмотренные выше результаты еще не позволяют говорить о применении органических металлов как о немедленной практической перспективе, они, тем не менее, позволяют вести в дальнейшем уже не случайный, а целенаправленный поиск соединений, обладающих требуемыми структурными характеристиками. Таким образом, в число целей органического синтеза оказывается включенной задача получения структур, оптимальным образом приспособленных для решения чисто физических проблем — задача, которая еще недавно находилась исключительно в поле компетенции неорганической химии и собственно физики.
В заключение хочется сделать еще одно замечание, касающееся своеобразия органического синтеза. Присущий этой области науки созидательный характер проявляется еще и в том, что здесь любой грамотный результат, в том числе и неудачный с точки зрения первоначального замысла, представляет собой вклад в сокровищницу человеческих знаний. Действительно, синтез нового соединения, независимо от того, отвечают или нет его свойства ожиданиям экспериментатора, в любом случае остается синтезом нового, ранее неизвестного объекта природы, т. е. открытием*.
В настоящей главе рассмотрены лишь некоторые из общих вопросов, относящихся к целям и задачам органического синтеза. Читателю, желающему более глубоко познакомиться с общими вопросами истории, философии и методологии, а также мотивации органического синтеза, мы можем порекомендовать книгу Хоффмана «Такой одинаковый и разный мир» [38]. Чрезвычайно интересный материал, относящийся как к достижениям современного органического синтеза, так и к рассмотрению основных тенденций его развития имеется в великолепно написанном обзоре Зибаха под названием «Органический синтез. Что дальше?» [39].
Литература
1.(а) Более подробно о химической истории «королевского» пурпура см. обзор: McGovem P. E., MichelR. Н. Асе. of Chem. Res., 23,152 (1990);см. также: Hoffmann Я American Scientist, 78, 308 (1990); (b) Bayer A Ber., 11,2128 (1878).
2. Grebe C, Liebemm С Ber., 2, 332 (1869).
3. Корана X. Г., цитировано по лекции: «Полный синтез биологически функционального гена», в сб.: «Итоги и перспективы развития биоорганической химии и молекулярной биологии», Овчинников Ю. А., Колосов М. Н. (ред.). — М.: Наука, 1378, ее. 203 - 209.
A.Reichstein Т. A., GussnerA. Helv. Chim. Acta,18, 608 (1935).
5.(a) Bergstrom S. Science,157,382 (1967); (b) Обзоры в сб.: Curtis-Prior P. В. (ed.),
Prostaglandins: Biology and Chemistry of Prostaglandins and Related Eicosanoids,
Churchill Livingstone, Edinborough, 1988.
6. (а) Популярное изложение истории таксола см.: Bowman S. Chem. Eng. News, 1991, Sept.2, 11; см. также: Freemantle M., там же, 1994, Aug. I; (b) обзоры см.: Cuenard D., Gueritte- Voegelein K, Potter P. Ace. Chem. Res., 26,160 (1993); Nicolaou K. C, Guy R. K., Dai W. M. Angew. Chem., Int, Ed. Engl., 33,15 (1994); (c) Holton R. A., Kim H. В., Somoza C, Liang F, Biediger R. J., Boatman P. D. Shindo M,, Smith С. С, Kim S., Nadizpdeh H., Suzuki Y., Tao C, Vu, P., Tang S., Zhang P., Murthi К. K, Gentile L. N.. Uu J. H. I. Am. Chem. Soc, 116, 1599 (1994); (d) Nicolaou K. C, Claibome С F., Nantermet P. G, Couladorous E. A, Sorensen E. J. J. Am. Chem. Soc., 116, 1599 (1994); (e) см., например: BlechertS, Kleine-Klausing A. Angew, Cherr,., Int. Ed. Engl., 30,412(1991).
7. (а)О проблеме иммуномодуляторов см.: KesslerH., Mierke D. F., Donald D., FurberM. Angew. Chem., Int. Ed. Engl, 30, 954 (1991); (b) об истории проблемы см.: Stinson S. Chem. Eng. News, 1989, Feb. 6, 30; (c) Jones T. K, Mills S. G., Reamer R. A., Askin D., DesmondR., Ryan K. M., Volame R. P., Shinkai I. J. Am. Chem. Soc, 111, 1157 (1989); (d) Nakatsuka M., Ragar, J. A., Sammakia Т., Smith D. В., Uehling D. E., Schreiber S. L., J. Am. Chem. Soc, 112,5583 (1990); (e) Goulet M.T., Hedkey D. W. Tetrahedron Lett., 32, 4627 (1991); (f) Andrus M. В., Schreiber S. L. J. Am. Chem. Soc, 115,10420 (1993).
8. (а) Обзор см.: Siddal J. B. Chemical Aspects of Hormonal Interactions, Chemical Ecology, веб.: Chemical Ecology, Academic Press Inc., New York, 1970, Ch. 11, p. 281; (b) TrostB. M. Ace. Chem. Res., 3, 120 (1970).
9. (a) Gibberellins and Plant Growth, Krishnamurthy H. N. (ed.), Wiley, New York, 1975; (b) Corey E. J., DanheiserR. L., Chandrasekaran S., Keck G. E., Gopalan В., Larsen S. D., Siret, P., GrasJ. L J. Am. Chem. Soc, 100,8034 (1978).
10. Addicott E. Т., Lyon J. L, Ohkuma K., Thiessen W. E., Cams H. R., Smith O. £., Comforth J. W., MillborrowB. V., Ryback G, WareingP. F. Science, 159, 1493 (1968).
11. (a) ButenandtA., Hecker E., ffopp M., Koch W. Ann., 658, 39 (1962); (b) Truscheit £., EiterK. Ann., 658, 65 (1962).
12. Обзор см.: Kelly D. R., Chemistry in Britain, 1990,124.
13. (а) Выделение см.: Butler С. G., Callow R. K., Johnston S. С Nature, 184,1871 (1959); (b) синтез см.: Bellassoued M., Majidi A. Tetrahedron Lett., 32, 7253 (1991) и цитированные в этой статье работы.
14. Обзор см.: Pheromones, Birch M. С. (ed.), North-Holland Research Monographs, Frontiers in Biology, v.32, 1977, 595 pp.; см. также научно-популярные статьи: «Slave-making ants», Topqff H. American scientist, 78, 520 (1990); «Empire of the ants», Wilson E. D. Discoverer, № 3, 44 (1990).
15. (а) Об истории открытия и механизме действия, см.: Jaenicke L, Boland W. Angew. Chem., Int.Ed. Engl., 21,643 (1982); (b) синтез: Abraham W. D., Cohen T. J. Am. Chem. Soc., 113, 2313 (1991); Сгоше G. D., PaguetteL. A. J. Org-Chem.,46,4272(1981) и цитированные л этой статье работы.
16. Синтез см.: Corey Е. /., Achiwa К., Katzenellenbogen J. A. J. Am. Chem. Soc,, 91, 4318 (1969).
17. MacMorris Т. С, Barksdak A. W. Nature, 215, 320 (1967); Arsenault G. P., Biemann K., Barksdak A.W., MacMorris Т. С J. Am. Chem. Soc., 90, 5635 (1968).
18. (а) Выделение см.: Cook С. E., Whichard L. P., Turner В., Wall M. E., Egley E. H. Science, 154, 1189 (1966); (b) синтез см.: Johnson A. W., Govda G., Hassanali A., Knox J., Mcnako S., Razavi Z., Rosebery G. J. Chem. Soc, Perkin Trans I, 1981, 1734; (c) ChangM., Netzly D. If., Butler L. G., Lynn D. G. J. Am. Chem. Soc, 108, 7858 (1986).
19. Подробнее об этом см.: Барбье М. Введение в химическую экологию. — М.: Мир, 1978, 229 с; см. также: Levinson G. Naturwissenshaften, 59,477 (1972); Gerout V., в сб.: Progress in Photochemistry, v.2, J. Wiley & Sons, London, 1970, p. 143.
20. Обзор по ангифидантам и возможностям их использования в защите растений см.: LeyS. V., TcogoodP. L. Chemistry in Britain, 1990, January, 31.
21. Eisner Т., MtinwaldJ. в сб.: Pheromone Biochemistry, Prestwich G. D., BloomquistG. J. (eds.), Academic Press, Orlando, 1987, ch. 8, p. 251; очень живое наложение истории этих работ можно найти в популярной статье: Meinvrald J. Engineering & Science, 49, №5, 14(1986).
22. (a) CoreyE. J., DittamU. P. J. Am. Chem. Soc, 107, 256 (1985); (b) Corey E. J., Guzman-PerezA., NoeM. С J. Am. Chem. Soc., 116, 12109 (1994).
23. Об истории открытия см.: Roberts R. M. Serendipity, J. Wiley, New York, 1989, ch. 24, p. 159.
24. (a) Sarrett, L. H. J. Biol. Chem., 162, 591(1946); (b) краткая история работ по созданию стероидных препаратов изложена в обзоре: Hirschman R. Angew. Chem., Int. Ed. EngL, 30, 1278 (1991); (с) обзор см.: Шоппи К. У. «Стероиды», в сб.: Перспективы развития органической химии. — М.: ИЛ, 1959, с, 223.
25. (а) Обзор см.: УокерД. «Химиотерапия», ссылка [24с], с. 301; (Ъ) Klayrran D. L. Science, 228, 1049 (1985); (с) см., например: Avery M. A., Chong W. К. М., lennings-White С. J. Am. Chem. Soc, 114, 974 (1992); см. также: Ye В., Wu Y.-L J. Chem. Soc, Chem. Comm., 1990, 726; (d) Posner G. N.. Oh С H,, Milhous W. K. Tetrahedron Lett., 32, 4235 (1991) и цитированные в этой статье работы.
26. (a) Still W. С. J. Am. Chem. Soc, 101, 2493 (1979); (b) Hauptman H., Muhlbauer G., Sass H. Tetrahedron Lett., 27, 6189 (1986); (c) Mori M., Okada K., Shimezaki K., Chwnan T. Tetrahedron Lett., 31, 4037 (1990).
27. (а) Популярное изложение истории открытия и исследования см.: Stinson S. Chem. Eng. News, 1995, Apr. 17, 22; (b) Barret/A. G. M., Kasdorf K., Tustin G. J., Williams D. J. J. Chem. Soc, Chem. Comm., 1995, 1143; (c) Kuo M. S., Zielinsky R. J., Cialdella J. I., Marschke С. К., Dupuis M. J., Li G. P., Kloosterman D. A., Spilman С. Н., Marshall V. P.i. Am. Chem. Soc, 117, 10629 (1995).
28. (а) Основные ссылки и общий обзор см.: Cross P. E., Dickinson R. P. Chemistry in Britain, 1991, 911; (b) BhagwatS. S., Hamann P. R., Still W. C, BuntingS., FitzpatrickF. A. Nature, 315, 511 (1985); (c) Bundy G. L, Tetrahedron Lett., 1975, 1957; см также: Nicolaou К. С, Magolda Я L, Smith J. B,, Aharony D., Smith E. F., LeferA. M. Proc Natl. Acad. Sci. USA, 76, 2566 (1979).
29. Bydeopd Р.Б. «Синтез», ссылка [24c], c.l 19.
30. Corey E. J., Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 30, 455 (1991).
31.(a) Gomberg M., J. Am. Chem. Soc, 22, 757 (1900); (b) обзор см.: Gomberg M Chem. Rev., 1, 91 (1925); (c) Lankamp H., Nauta W. Т., MacLean С Tetrahedron Lett., 1968, 249: (d) изложение поучительной истории загадки гексафенилэтана можно найти в обзоре: McBride J. M. Tetrahedron, 30, 2009 (1974).
32. (a) Sachse H. Ber., 23, 1363 (1890); (b) Barton D. И. R. Experientia, 6, 315 (1950); (с) Бортом Д. Р. «Стереохимия», ссылка [24с], с. 57.
33. Цитировано по ссылке [29], с. 133.
34. История открытия тефлона увлекательно изложена в книге: Roberts R. M. Serendipity. Accidental Discovery in Science, J. Wiley & Sons, New York, 1989, p. 187.
35. Характерные примеры можно найти в обзорах: Mann J. Chem. Soc. Rev 16 381 (1987); Welch J. Т. Tetrahedron, 43, 3123 (1987).
36. Краткое изложение истории основных направлений в изучении проводящих полимеров см.: Kanatzidis M. G. Chem. Eng. News, 68, № 49, 36 (1990).
37. Обзор см.: Williams J. M., Beno M. A., Wang H. П., Leung P. С. W., Emge T. J., Geiser U., Carlson К. D. Асе. Chem. Res., 18, 261 (1985).
38. Hoffmann R. The Same and Not the Same, Columbia University Press, New York, 1995 (имеется перевод: Хоффман Р. Такой одинаковый и разный мир. — М.: Мир, 2001).
39. Seebach D. Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 29, 1320 (1990).
Глава 2
Тактика синтеза
Дата добавления: 2015-04-05; просмотров: 971;