Структуры-призраки

ХИМИЯ СТРУКТУРЫ-ПРИЗРАКИ В. И. ВЫСОЦКИЙ Дальневосточный государственный университет, Владивосток

В науке признание ошибки не позор. Даниил Гранин

PHANTOM STRUCTURES V. I. VYSOTSKII

It is shown how the mistakes made during determination of the structure of organic compounds had become the starting point for the new studies which eventually led to the discovery of new phenomena.

© Высоцкий В.И., 2001

Показано, как ошибки при установлении структур органических соединений послужили исходной точкой для исследований, приведших к открытию новых явлений.

www.issep.rssi.ru

При чтении учебников иногда возникает впечатление, что исследователи прошлого не ошибались. Упорный труд в лаборатории вознаграждался открытием истины; ошибки же, если они и случались, оставались только в лабораторных журналах исследователя. Тем не менее время от времени в научных журналах появляются структуры соединений, “которых не было”, ошибочные структуры, структуры-призраки. Проходит время, появляются статьи, в которых ошибки исправляют, и призраки исчезают или материализуются в реальные структуры. Казалось бы, вопрос исчерпан, истина установлена, но почему происходили ошибки? Этот вопрос интересовал автора по чисто эгоистической причине – чтобы самому не ошибаться. Это удавалось не всегда, но всегда оказывалось, что анализировать ошибки исследователей весьма поучительно. Довольно часто причиной ошибки является использование метода исследования на границе его применимости. В качестве примера можно привести определение содержания углерода и водорода в органических веществах. Со времен Лавуазье это делают так: навеску исследуемого вещества сжигают в атмосфере кислорода и взвешивают выделившиеся углекислоту и воду. Ошибка метода составляет в лучшем случае ± 0,2%. Иногда приходится мириться и с величиной ± 0,5%. Так что если анализ дает содержание водорода в молекуле органического вещества, допустим, 6,5%, то это может отвечать реальному содержанию водорода от 6 до 7%. Если молекулярная масса вещества составляет 200, то в ошибку укладываются как раз два атома водорода и, следовательно, невозможно с помощью только элементного анализа сказать, содержит ли вещество 12 или 14 атомов этого элемента. Кроме того, предположение о том, что всякое органическое вещество сгорает до СО2 и воды, не всегда верно. Может случиться, что часть углерода окислится до СО и не будет учтена. Еще более значимые ошибки могут произойти, если неизвестен качественный состав вещества, как это произошло в приводимом ниже примере.

В Ы С О Ц К И Й В . И . С Т Р У К Т У Р Ы - П Р И З РА К И

59

ХИМИЯ O

“ДИОКСАЦИКЛОБУТАН” ТОЛЛЕНСА На рубеже XIX и ХХ столетий профессор Гёттингенского университета Бернгард Толленс изучал реакцию кетонов с формальдегидом. Схема реакции выглядела очень просто, например RCOCH3 + CH2O

RCOCH2CH2OH

Реакция требовала участия катализатора. Толленс перебирал вещество за веществом – едкий натр, едкое кали, гашеная известь, сода. Реакция оказалась капризной – с кетоном могла реагировать одна молекула формальдегида, а могли и семь. Продукты реакции внешним видом тоже не радовали – это были некие подобия карамели, и в одном случае Толленсу пришлось ждать два года, пока продукт закристаллизуется. Наконец, появился просвет: получились прекрасные кристаллы. Это случилось, когда в качестве катализатора был использован хлористый аммоний. Продукт был должным образом очищен и проанализирован, исследователи определили содержание в нем углерода и водорода. И после основательных размышлений приписали веществу формулу 1:

PhCOCH3 + CH2O

[NH4Cl]

Ph

HOCH2CH2 + NH4Cl

O O

N

O

3

H

Далее было обнаружено, что пропись, по которой Байер получал изатинхлорид, не была достаточно детальной. Как выяснилось, существенную роль играли и температура реакции, и концентрации реагентов, и продолжительность реакции. Обнаружилось, что при действии на раствор изатина в бензоле пятихлористого фосфора при комнатной температуре образуется соединение, имеющее в молекуле два атома хлора; его структура была определена как 4 :

Cl

O

Три года спустя Толленс сам исправил ошибку. Он догадался, что хлористый аммоний в этой реакции отнюдь не катализатор, что атом азота вступает в молекулу продукта реакции и действительная структура вещества описывается формулой 2. Что здесь было причиной ошибки? Уверенность в том, что катализатор не принимает непосредственного участия в реакции – что, кстати, вполне соответствовало теоретическим взглядам того времени. Толленс исправил ошибку и продолжил свои исследования. А спустя шесть лет Карл Манних повторил работу Толленса и до своей смерти в 1947 году развивал ее. Сейчас одним из важнейших методов органического синтеза является реакция Манниха, а соединения типа 2 называют основаниями Манниха. “ИЗАТИНХЛОРИД” БАЙЕРА В 1878 году Адольф Байер в ходе поиска путей синтеза индиго нагревал изатин с пятихлористым фосфором. При этом был получен коричневый кристаллический продукт, для которого Байер предложил структуру 3 :

Cl

P C l5 / C6H6

N

N

O

H

2

Cl

После Байера 26 исследовательских групп опубликовали 37 статей и получили четыре патента, имевшие отношения к этому соединению. Казалось, что для сомнений в структуре этого соединения повода нет. Однако сомнения появились в 1924 году, когда началось исследование реакций соединения Байера с аминами: результаты, полученные разными исследователями, оказались трудно объяснимыми.

CH(CH2OH)2

(PhCOCH2CH2)3N+HCl−

60

N

Ph

1

O P C l5

4

O

H

Если же эту реакцию проводить при длительном кипячении смеси, то удается выделить вещество, имеющее тот же элементный состав, что и хлоризатин, но удвоенную молекулярную массу. Рентгеноструктурный анализ привел к формуле 5 :

O Cl Cl

O

N N 5

Воспроизведение методики Байера показало, что соединение 5 преобладает в реакционной смеси (∼ 75%), однако около 25% относится на долю других веществ. Великого немецкого химика Адольфа Байера, лауреата Нобелевской премии по химии 1905 года, вряд ли стоит упрекать за изатинхлорид. Ведь в 1878 году рентгеноструктурного анализа еще не было. Отсутствие метода или отсутствие возможности использования адекватного проблеме метода исследования также может привести к ошибке в истолковании экспериментальных данных.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 4 , 2 0 0 1

ХИМИЯ ПРИЗРАК МАТЕРИАЛИЗУЕТСЯ В 1877 году Шарль Фридель и Джеймс Крафтс изучили реакцию между галогенопроизводными углеводородов и ароматическими углеводородами в присутствии хлористого алюминия, известную ныне как реакция Фриделя–Крафтса. Очень ценным ее вариантом является взаимодействие хлорангидридов карбоновых кислот с бензолом, приводящее к ароматическим кетонам: RCOCl + C6H6

RCOC6H5 + HCl

метилглутаровой кислоты 10 с избытком фениллития. Дикетон оказался вполне ординарным соединением, структура его на этот раз была доказана безукоризненно. ПОЧЕМУ НЕ ПРИСОЕДИНИЛАСЬ ВТОРАЯ МОЛЕКУЛА ЦИКЛОГЕКСАНОНА Присоединение молекулы кетона 11 к молекуле непредельного кетона 12 приводит к 1,5-дикетону 13. Это хорошо известная реакция Михаэля: R–CO–CH3 + CH2=CH–CO–R'

В приложении к хлорангидридам двухосновных кислот эта реакция приводила к дикетонам жирно-ароматического ряда:

Строение этих соединений было строго доказано и сомнений не вызывало. По-видимому, это придало уверенности Штеттеру и Краузе. Они ввели в реакцию с бензолом хлорангидрид 3,3-диметилглутаровой кислоты 6 и приписали полученному соединению структуру 1,5-дикетона 7, ограничившись лишь данными элементного анализа и не приведя никаких функциональных реакций:

COCl

H3C

COCl

C 6H 6/AlCl3

H3C

COC6H5

H3C

COC6H5

6

H3C

COOH

H3C

COOH 10

Cl O

H3C

C 6H 6/AlCl3

H5C6 H3C

C6H5 O

H3C O 8

Резонно было ожидать, что соединение 14 будет присоединять циклогексанон 15 по обеим двойным связям. Однако вторая молекула циклогексанона не присоединялась. Реакция останавливалась, как полагали исследователи, на стадии образования соединения 16.

Ph

Ph

+

Ph

O

O

14

15

O OH

C6H5Li

Cl

R–CO–CH2CH2CH2–CO–R'

O

Ph O 16

Ph

7

H3C

12 13

ClCO(CH2)nCOCl + 2C6H6 C6H5CO(CH2)nCOC6H5 + 2HCl

H3C

11

O 9

Стоило только сделать качественную реакцию на кетонную группу, как стало ясно, что структура 7 для продукта Штеттера и Краузе неверна. Тщательное исследование показало, что хлорангидрид диметилглутаровой кислоты 6 существует в равновесии со своей циклической формой 8 ; она-то и вступает в реакцию с бензолом. Реальная структура продукта реакции описывается формулой 9. Причиной ошибки послужило существование неизвестного ранее явления – хлоротропии. Ну а призрак в наши дни стал вполне реальным соединением: дикетон 7 получили по реакции самой ди-

18

Ph Ph

O

Ph OH 17

Структура 16 была опубликована, однако вещество вело себя “не так” – характерные реакции 1,5-дикетонов с ним либо не шли, либо требовали жестких условий и приводили к сложным смесям продуктов. Вещество отпугивало исследователей до тех пор, пока не был проведен детальный анализ его инфракрасного спектра, в котором отсутствовало поглощение карбонильных групп, но обнаружилась полоса поглощения гидроксила. Возникла гипотеза, что дикетон 16, образующийся как промежуточный продукт, через стадию енола 17 превращается в производное ксантена 18. После того как для вещества были определены спектр протонного магнитного резонанса и масс-спектр, структура 18 была доказана. Как и в предыдущих примерах, причиной появления фантомной структуры 16 было использование неадекватных методов исследования. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Обращаясь к участникам III Всесоюзной конференции по химии фосфорорганических соединений, академик

В Ы С О Ц К И Й В . И . С Т Р У К Т У Р Ы - П Р И З РА К И

61

ХИМИЯ А.Е. Арбузов заметил, что “для химика-экспериментатора нет большего удовлетворения, как стоять непосредственно за рабочим столом и видеть, как шаг за шагом распутывается клубок противоречий и загадок, как рождается новое вещество” [1]. Распутывать клубок противоречий и загадок, искать истину чрезвычайно интересно. Я бы сравнил научное исследование с чтением увлекательного детективного романа. Отличие только в том, что ученый не имеет возможности, перевернув несколько страниц, заглянуть в конец книги и узнать развязку. Весь путь он должен пройти сам. Конечно, на этом пути возможны ошибки. Но прелесть ситуации состоит в том, что эти ошибки подчас являются исходными точками для новых открытий. О том, как подобные открытия в химии происходили, можно узнать из книги [2]. Современные методы исследования во много раз мощнее тех, которыми пользовались наши предшественники. Однако это не означает, что ошибки при установлении структур новых органических соединений ныне исключены. Структуры-призраки еще будут по-

62

являться на страницах научных журналов и будут исчезать по мере установления истины. ЛИТЕРАТУРА 1. Арбузов А.Е. // Химия и применение фосфорорганических соединений: Тр. III конф. М.: Наука, 1972. С. 3. 2. Физер Л., Физер М. Органическая химия: Углубленный курс. М.: Химия, 1966. Т. 1, 2.

Рецензент статьи В.А. Островский *** Владимир Иванович Высоцкий, профессор, доктор химических наук, зав. кафедрой органической химии Дальневосточного государственного университета (Владивосток), заслуженный химик РФ, действительный член РАЕН. Область научных интересов – тонкий органический синтез, химия фосфорорганических соединений. Автор более 150 научных работ и изобретений.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 4 , 2 0 0 1