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].