Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №15/2002

Летопись важнейших открытий

Понять, почему современная наука достигла столь выдающихся успехов, можно, лишь зная ее историю. В течение нескольких предыдущих лет в газете «Химия» публиковались очерки под рубрикой «Летопись важнейших открытий» в области химии (части 1 и 2), посвященные истории развития этой области знания с древнейших времен до середины XX столетия. В них освещались важнейшие моменты формирования химических теорий, возникновение основных представлений и понятий этой области знания, открытие первых элементов и соединений, химических законов и т. п. Начиная с этого номера редакция приступает к публикации третьей части очерков этой рубрики.
Перед авторами очерков стояла чрезвычайно трудная задача: рассказать о прогрессе химии за последнее пятидесятилетие прошедшего столетия, по сути, о современной химии в историческом ракурсе.
Современная химия являет собой сложнейший конгломерат, в котором сосуществуют разнообразные направления. Новые теории относятся к совершенно различным уровням обобщения экспериментального материала (от микро- до макроуровня), кроме того, часто противоречат друг другу. Исследования биологических процессов на молекулярном уровне, пересмотр физических основ мироздания – все это нашло свое отражение в изменении химических понятий, теорий и основных концепций этой науки за последнее пятидесятилетие. Эти моменты с большой полнотой будут отражены в тематических очерках.
В отличие от предыдущих этапов развития химической науки в современный период часто не удается скоррелировать важнейшие достижения с какой-то датой их открытия. Многие события невозможно строго определить во времени. Поэтому в новой части «Летописи» порой будут фигурировать открытия, приходящиеся на целые десятилетия развития науки (например, ретросинтетический анализ, разработка Х.Г.Кораной методов синтеза ДНК и т. п.).
Мы надеемся, что продолжение публикации очерков «Летописи важнейших открытий» будет полезным как для преподавателей химии средних школ, так и для всех читателей, интересующихся этой областью знания.

Развитие основных положений
конформационного анализа

В 1969 г. ученые – норвежец Одд Хассель и англичанин Дерек Бартон – были удостоены Нобелевской премии «за вклад в развитие конформационного анализа и его применение в химии». Однако исследования, так высоко оцененные Нобелевским комитетом, были выполнены в 1940-х (Хассель) и 1950-х (Бартон) годах. Работа же Бартона, в которой он, основываясь на трудах норвежского коллеги, излагает основные принципы конформационной теории, увидела свет в 1950 г.

Химия второй половины XX столетия, как и многие современные науки, развивается быстрыми темпами. Достаточно лишь вспомнить красноречивые цифры, которые иллюстрируют скорость открытия новых органических соединений в конце 1980-х гг. В то время насчитывалось 10 млн открытых органических соединений, и каждый год эта цифра вырастала на ~100 тыс.

Создание конформационного анализа связывают с именем американского химика Д.Бартона, который в 1950 г. опубликовал свои первые работы на эту тему. Прошло всего 15 лет бурного развития этой области химии, и в 1965 г. группа профессоров (Э.Илиел и др.) из американских, английского и австралийского университетов в предисловии к своей книге «Конформационный анализ» так оценили предмет исследования: «Химик, не понимающий конформационного анализа, не понимает органической химии». Уже спустя четыре года эта книга вышла в русском переводе под редакцией доктора химических наук А.А.Ахрема. Отечественный специалист по конформационному анализу отметил, что за предшествующие 20–25 лет своего развития учение о пространственных формах молекул превратилось в стройную теорию, без знания которой невозможно дальнейшее успешное развитие органической химии. Однако, как это часто бывает, у так ярко вспыхнувшей и быстро завоевавшей умы теории была достаточно долгая и непростая предыстория, в процессе которой ученые не только собирали фактический материал, но и предлагали первые гипотезы.

Что же это такое – конформационный анализ?

Согласно современным представлениям, конформационный анализ – это изучение зависимости свойств соединений от строения и соотношения конформаций, в которых оно может существовать. В свою очередь под конформациями подразумеваются идентичные расположения атомов в молекуле, получаемые при вращении вокруг одной или нескольких простых связей (без разрыва последних). Так, например, в молекуле этана при вращении вокруг оси С–С группы СН3 могут принимать друг относительно друга различные положения (рис. 1).

Рис. 1. Конформации молекулы этана

Если все функциональные группы в молекуле одинаковы, то получающиеся конформации также не отличаются друг от друга. Однако в случае, например, с 1,2-дихлорэтаном картина несколько другая. При вращении вокруг связи С–С мы получим отличающиеся друг от друга формы (рис. 2):

Рис. 2. Конформации молекул 1,2-дихлорэтана ClCH2CH2Cl

Однако даже в этом случае конформационные переходы имеют очень низкий энергетический барьер и происходят практически без специальных внешних воздействий, самопроизвольно, так что в веществе имеет место равновесная смесь самых разных конформаций этих молекул.

Картина существенно изменится, если в этан в качестве заместителей ввести какие-то объемные функциональные группы, скажем, бензольные кольца или разветвленные цепи. Тогда существование заторможенных конформаций станет практически невозможным – заместители будут просто мешать друг другу.

К истокам

Собственно говоря, истоками здесь стали пространственные представления, введенные в химию в 1874 г. голландцем Я.Х.Вант-Гоффом и французом Ж.А.Ле Белем. Именно стереохимия позволила предсказывать пространственные изомеры, а также объяснить факт цистрансизомерии непредельных соединений невозможностью вращения вокруг двойной связи (в отличие от ординарной).

Однако для последнего случая – ординарной связи – немецкий химик Й.Вислиценус уже в 1888 г. предположил, что вращению вокруг нее могут препятствовать имеющиеся заместители, и это приводит к возникновению неких предпочтительных расположений атомов. Немного позже (1890–1891) К.А.Бишоф на опыте показал, что в молекулах замещенных этанов внутреннее вращение вокруг ординарной связи углерод–углерод заторможено. Таким образом, можно сказать, что этим двум ученым принадлежит идея внутримолекулярных невалентных взаимодействий.

Еще одним направлением логического развития стереохимических представлений стала теория напряжений, предложенная в 1885 г. известным немецким ученым Адольфом Байером. Он исходил из того положения теории Вант-Гоффа, что нормальным валентным углом для ординарных связей С–С является величина 109°28' (тетраэдрический угол). Рассматривая циклические соединения, Байер указал отклонения валентных углов в циклах от идеального тетраэдрического и связал с этим отклонением относительную устойчивость каждого из них. (Чем больше отклонение, тем сильнее напряжение в молекуле и тем меньше устойчивость.) Значение угла отклонения вычисляют как половину разности между 109°28' и величиной внутреннего угла правильного многоугольника. Например, для трехчленного цикла этот угол равен: (109°28' – 60)/2 = +24°44' (рис. 3, см. с. 2).

Рис. 3. Отклонения валентных углов от тетраэдрического
в циклических соединениях с разным числом атомов углерода в кольце (по Байеру)

Однако уже на первом этапе существования теории возникли противоречия с наблюдаемыми фактами. Согласно теории Байера, наиболее устойчивыми (свободными от напряжения) должны быть пятичленные циклы (наименьшее отклонение от тетраэдрического угла), в то время как максимальной стабильностью (и наибольшей распространенностью в природе), как известно, обладают шестичленные циклы — производные гексана.

Эти противоречия в теории Байера, выросшие из исходной гипотезы о плоском строении насыщенных циклов, удалось преодолеть спустя несколько лет (1890–1892) немецкому химику Х.Заксе. Опираясь на два положения – тетраэдрическую координацию атома углерода и стремление к минимальной деформации валентных углов, – он предположил возможность существования неплоских колец. В этом случае многозвенные соединения, вопреки теории Байера, оказывались свободными от напряжения. Согласно теории Заксе (к которой спустя год присоединился и Бишоф), циклогексан мог существовать в двух ненапряженных формах (впоследствии названных «кресло» и «ванна», рис. 4).

Рис. 4. Конформации молекулы циклогексана: а – «кресло»; б – «ванна»

В фундаментальном «Руководстве по стереохимии» Бишофа (1893) были детально изложены взгляды автора и Заксе по этой проблеме. Более того, рассуждая о возможности существования «динамических изомеров» (этот термин ввел Бишоф, имея в виду то, что в современной химии называется конформационными изомерами, или конформерами), он приводит и примеры двух монозамещенных кресловидных циклогексанов с заместителями в различных положениях – аксильном и экваториальном (современные названия) (рис. 5).

Рис. 5. Различное положение заместителей
в пространственных изомерах метилциклогексана: а – аксиальное; б – экваториальное

Однако концепция Заксе выросла не из экспериментальных данных, а из анализа противоречий теории напряжения Байера и в течение более двух десятилетий не находила экспериментального подтверждения (более того, некоторые эксперименты ее «опровергали»). Поэтому почти до 1920-х гг. большинство химиков считали насыщенные циклы плоскими, а внутреннее вращение вокруг ординарной связи – свободным.

Действительно, конформационная изомерия обычно сказывается на тонких деталях механизмов органических реакций, поэтому методы классической органической химии конца XIX – начала XX в. оказались для ее исследования слишком грубыми.

Двадцать лет спустя

Возрождению теории Заксе способствовало развитие физических методов исследования. Так, с помощью рентгеноструктурного анализа в 1913 г. отцом и сыном У.Г. и У.Л.Брэггами была изучена кристаллическая решетка алмаза. Ознакомившись с этими работами, немецкий ученый Э.Мор понял, что их результаты подтверждают теорию неплоских циклов Заксе: ведь в кристалле алмаза наблюдается тетраэдрическая координация углеродных атомов. В то же время из модели алмазной решетки можно вычленить скелеты насыщенных карбоциклических соединений, свободных от байеровского напряжения. Эти рассуждения приводили к концепции Заксе.

Взгляды Мора получили известность в 1918 г. после публикации его работы в «Journal fur praktische Chemie». В ней он показал, что две формы «кресла» замещенного циклогексана должны легко превращаться друг в друга за счет вращения вокруг простых связей. Предполагалось, что такое превращение осуществляется либо свободно, либо с небольшими затруднениями, поэтому Мор считал невозможным разделение конформационных изомеров производных циклогексана (его и вправду не удалось осуществить). Кроме того, он распространил эти взгляды на соединения с несколькими циклами и предсказал существование декалина в двух изомерных формах – цис- и транс- (причем последняя предполагалась более устойчивой), что в 1925 г. было подтверждено Э.Хюккелем (рис. 6).

Рис. 6. Конформационные изомеры декалина

В 1926 г. английские ученые О.Спонслер и У.Дор применили теорию Заксе–Мора для интерпретации рентгенограмм целлюлозы и пришли к выводу, что в данном случае имеет место кресловидная форма пиранозной единицы. А спустя три года вышла книга их соотечественника Уолтера Хеуорса «Строение сахаров», где он применяет эти представления к биополимерам и впервые вводит термин конформация, понимая под ней не произвольное, а определенное, оптимальное расположение атомов в пространстве. Однако теории неплоских циклов опять не очень повезло – в последующие двадцать лет широкого распространения она не получила.

Прошло еще двадцать лет...

Следует сказать, что годы прошли не зря. В этот период были выполнены многочисленные исследования с помощью различных методов – химических, физико-химических, инструментальных (физических – с помощью спектроскопических методов, электронографии, рентгеноструктурного анализа и т. д.) и теоретических (расчетных). Так, первые свидетельства в пользу того, что циклогексан существует в форме «кресла», были получены методом дифракции рентгеновских лучей для его гексахлор- и гексабромпроизводных. Спустя некоторое время нашла подтверждение форма «кресла» для самого циклогексана в кристалле, а через десять лет – в газообразной и жидкой фазах. К середине 1940-х гг. энергетическое преимущество кресловидной формы циклогексана стало твердо установленным фактом.

Кроме того, в 1936 г. К.Кольрауш обратил внимание на неэквивалентность связей С–Н в циклогексановом «кресле», из чего следовали и различия кресловидных производных циклогексана.

В результате серии электронографических исследований в начале 1940-х гг., выполненных норвежским физикохимиком Оддом Хасселем, было показано, что для монозамещенных циклогексанов действительно возможны две отличающиеся друг от друга конформации «кресла». Обусловлено это тем, что в каждой группе СН2 имеются связи двух типов: одни – направленные как бы параллельно оси симметрии молекулы (эти связи впоследствии были названы аксиальными) и другие – направленные как бы в сторону от нее (эти связи были названы экваториальными)* (рис. 7).

Рис. 7. Аксиальные и экваториальные связи в молекуле циклогексана

В 1943 г. было показано, что не только для циклогексана, но и для его производных преимущественными являются кресловидные конформации с максимальным числом экваториальных заместителей. Позднее Хассель распространил этот вывод на конденсированные системы циклогексановых колец.

Кроме того, был предпринят ряд работ по расчету термодинамических функций, например, для молекулы этана (Питцер и сотрудники). Выяснилось, что при прохождении через заслоненную конформацию молекула преодолевает энергетический барьер. Энергетически наиболее выгодной (а следовательно, и наиболее стабильной) является трансформа.

Теоретическое объяснение изомерии, обусловленной торможением внутреннего вращения, стало возможным лишь к концу 1940-х гг., когда появились необходимые экспериментальные и расчетные методы. С их помощью удалось уловить небольшую разность конформационной энергии, составляющей ничтожно малую часть полной энергии молекулы.

Расцвет конформационного анализа

Период истинного расцвета конформационного анализа принято относить к началу 1950-х гг., когда были опубликованы работы Хасселя (о большей стабильности экваториальных изомеров по сравнению с аксиальными) и английского химика Бартона. Последний в своей знаменитой статье 1950 г. на примере циклогексана показал, что экваториально ориентированный заместитель термодинамически стабильнее ориентированного аксиально, а два соседних заместителя отщепляются легче, если они оба ориентированы аксиально. Ионное отщепление легче всего происходит при диаксиальной ориентации связей
С–Н и С–Сl (это верно как для циклических, так и для соединений с открытой цепью).

Кроме того, Бартон подробно рассмотрел возможность применения этих закономерностей в исследованиях таких сложных природных соединений, как стероиды и терпены. Он показал, что различие в реакционной способности одинаковых заместителей обусловлено их разными конформационными состояниями.

После появления этой статьи Бартона химики начали понимать значение конформационного анализа для оценки реакционной способности соединений. Дальнейшее развитие исследований в этой области происходило взрывообразно.

Для многозвенных циклов (более 7–8 атомов С в цикле) обусловленная неплоским строением «складчатость» больших колец послужила объяснением такого явления, как трансаннулярное взаимодействие (внутримолекулярное взаимодействие группировок, формально удаленных друг от друга). Например, если посмотреть на формулу десятичленного циклического дикетона, записанную без учета истинной формы цикла:

то невозможно догадаться, почему при его восстановлении протекает еще и такой побочный процесс, как трансаннулярная циклизация:

.

В 1960-х гг. конформационные представления сложились в стройную систему и получили широкое распространение. Этому способствовало и наблюдавшееся в послевоенное время бурное развитие физических методов исследования. Наиболее важным здесь было превращение их в обиходный инструмент химика-органика.

Так, например, ядерный магнитный резонанс, ставший доступным в середине 1950-х гг., спустя десятилетие превратился в наиболее распространенный экспериментальный метод конформационного анализа. Со временем интересы специалистов здесь сместились в область высокомолекулярных соединений, в частности биополимеров. Исследования показали тесную связь между биологической функцией и пространственным строением природных соединений. Вопросы конформационного анализа синтетических полимеров также оказались существенными вследствие связи их технически важных свойств с пространственными особенностями цепей. Нет необходимости упоминать о подобной зависимости в синтетических лекарственных средствах.

Литература

Илиел Э., Аллинжер Н., Энжиал С., Моррисон Г. Конформационный анализ. Пер. с англ. Под ред. А.А.Ахрема. М.: Мир, 1969, 592 с.;
Дашевский В.Г. Конформационный анализ органических молекул. М.: Химия, 1982, 272 с.;
Быков Г.В. История органической химии. (Структурная теория. Физическая органическая химия. Расчетные методы). М.: Химия, 1976, 359 с.;
Шевченко С.М. Молекула в пространстве. Л.: Химия, 1986, 144 с.

* * *

Бартон Дерек Гарольд Ричард (8.IX.1918 – 16.V.1998) родился в г. Грейвзенд (Великобритания). После окончания школы стал посещать Джиллингемский технический колледж. Однако в 1938 г. он перешел в Королевский колледж (Лондонский университет), где в 1940 г. получил степень бакалавра естественных наук, а в 1942 г. – степень Doctor of Philosophy по органической химии (примерно соответствует степени кандидата наук в России). В последующие два года он принимал участие в химических исследованиях, связанных с обороной, после чего недолгое время работал инженером-химиком и исследователем в бирмингемской компании «Олбрайт энд Уилсон».

После войны, в 1945 г., Бартон стал ассистент-профессором кафедры химии Королевского колледжа. Выделенная ему здесь в 1946–1949 гг. стипендия для проведения научной работы позволила осуществить исследования, за которые он в 1949 г. получил докторскую степень. В 1950–1955 гг. и 1957–1978 гг. Бартон преподает в Лондонском университете (с 1953 г. – профессор). После выхода в отставку в 1978 г. он был приглашен на должность директора Института химии природных соединении в Жиф-сюр-Ивете (Франция).

В 1949–1950 гг., будучи приглашенным лектором в Гарвардском университете, Бартон заинтересовался различиями в скоростях реакций у разных видов стероидов – класса природных соединений, которые содержатся в желчных кислотах, гормонах и др. Он задался вопросом, зависят ли эти различия от пространственного строения молекул. Как известно, структура стероидов включает одно или несколько шестичленных углеродных колец. Зная о работах Хасселя в области определения конформаций циклогексановых колец, Бартон попытался применить этот метод и к сложным природным соединениям. В работе «Конформация стероидного ядра», опубликованной в 1950 г. в журнале «Еxperientia», ученый объяснил различия реакционной способности одинаковых заместителей, находящихся в одном и том же окружении, их разными конформационными состояниями, положив тем самым начало активному применению конформационного анализа. В 1950-е гг., вернувшись в Англию, он использовал этот вид анализа для исследования разнообразных природных веществ, в том числе алкалоидов, терпенов и т. д.

С 1960 г. его интерес к конформационному анализу сменился интересом к таким областям, как фотохимия и биосинтез. Так, ученый обнаружил фотохимическое расщепление колец аренонов (1960), предложил метод синтеза тетрациклина, имитирующий его продуцирование микроорганизмами, изучал роль ферментов в процессе биосинтеза и пути их биогенеза.

Ученый часто выступал с лекциями в США и Канаде, был удостоен многих научных наград. Член Лондонского и Эдинбургского королевских обществ, он удостоен почетных степеней Колумбийского, Оксфордского, Манчестерского и многих других университетов.

Бартон был дважды женат, имеет сына от первого брака. Его второй женой стала Кристиана Коне, профессор французского лицея в Лондоне.

Похоронен в Техасе (США).

Хассель Одд (17.V.1897 – 11.V.1981) родился в г. Христиания (ныне Осло) в семье врача. По окончании средней школы изучал химию, математику и физику в университете Осло, который окончил в 1920 г. Через год свои исследования продолжил в Мюнхенском университете, затем перевелся в Берлинский университет – ведущий центр в области физики и химии.

После получения в 1924 г. в Берлинском университете докторской степени Хассель в 1925 г. вернулся в Осло. Он стал здесь преподавателем университета, а на следующий год – ассистент-профессором физической химии и электрохимии. В 1934 г. Хассель перешел на созданный в то время факультет физической химии университета Осло и стал его руководителем.

Еще в 1930 г. он начал искать подходы к точному определению пространственной структуры молекул, полагая, что эти знания могли бы пролить свет на природу химических реакций. Хассель заинтересовался молекулами органических соединений, особенно структурой циклогексана. Он освоил новый метод исследования строения молекул – рентгеноструктурный анализ, стажируясь в Институте физической химии и электрохимии кайзера Вильгельма в Берлине. Используя этот метод, ему удалось подтвердить данные более ранних исследований о том, что шестичленное углеродное кольцо циклогексана может иметь структуры, обычно называемые «ванна» и «кресло». Позднее, в 1938 г., применяя метод электронографии (дифракции электронов), он обнаружил, что молекулы циклогексана переходят из состояния «ванна» в состояние «кресло» и обратно со скоростью до миллиона раз в секунду, причем конфигурация «кресло» энергетически выгоднее.

Когда началась вторая мировая война, Хассель отказался публиковать свои работы в немецких научных журналах, и его труды были какое-то время неизвестны химикам Западной Европы и Америки. В период оккупации Норвегии Германией университет Осло был закрыт. Хассель вместе с другими патриотами был арестован нацистами и оставался в заключении до конца оккупации.

Продолжив свои работы после войны, ученый в 1950 г. доказал, что не только циклогексан, но и его производные существуют преимущественно в конформации «кресло» с максимальным числом экваториальных заместителей. Такое расположение обусловливает минимальную энергию взаимодействия не связанных между собой атомов. В дальнейшем ему удалось распространить этот вывод на конденсированные системы циклогексановых колец и сахара.

С 1953 г. Хассель изучал строение комплексов с переносом заряда.

В 1964 г. Хассель официально подал в отставку из университета Осло, однако еще несколько лет продолжал активную научную деятельность.

В 1969 г. при вручении ему Нобелевской премии член Шведской королевской академии наук Арне Фредга в своей речи сказал: «Искусная работа Хасселя с шестичленными кольцами послужила фундаментом для создания динамической стереохимии».

Хассель был замкнутым, малообщительным человеком, редко присутствовал на международных научных конференциях и, по свидетельствам современников, едва ли лично знал большинство своих коллег по научной работе. Он не был женат. Ученый умер 11 мая 1981 г. в Осло, не дожив нескольких дней до своего 84-летия.

Хассель был почетным членом Норвежского и Британского химических обществ, а также членом Норвежской, Нидерландской и Шведской королевских академий наук. С 1967 г. в его честь в университете Осло проводятся международные «Хасселевские лекции».

Т.В. Богатова
Рейтинг@Mail.ru