Михаил Левицкий - Карнавал молекул. Химия необычная и забавная

Почти через 100 лет после открытия Гриньяра очередная Нобелевская премия подтвердила, что проблему удалось решить. В 2010 г. за разработку реакций кросс-сочетания, катализируемых палладием, Нобелевскую премию получили американские ученые Ричард Хек и Эйити Нэгиси и японский ученый Акира Судзуки. Как это обычно бывает, премия была вручена спустя много лет после того, как были проведены исследования, которые определили содержание премированной работы.

Первый из лауреатов – Ричард Хек – в 70-е гг. XX в. разработал способ сборки крупных органических фрагментов с помощью палладиевого катализатора. Палладий был выбран не случайно, к этому времени он зарекомендовал себя как катализатор многих органических реакций: например, с его участием был осуществлен промышленный процесс окисления этилена Н 2С=СН 2до ацетальдегида Н 3СС(О)Н. Именно палладий в руках Хека позволил осуществить чистое (без побочных продуктов) кросс-сочетание. Ниже показан пример одной из реакций. На первой стадии (рис. 5.37) бромбензол реагирует с металлическим палладием, образуется палладийорганическое соединение – палладий встраивается между С и Br. Внешне это напоминает реакцию Гриньяра, только вместо Mg участвует Pd.

Затем к этому соединению приближается второй компонент реакции – этилен, возникает координационное взаимодействие между атомом палладия и молекулой этилена, иными словами, палладий «подтягивает» к себе этилен. Двойная связь этилена раскрывается, к одному концу присоединяется бензольное ядро, к другому – PdBr. Возникает переходный комплекс (вторая структура на рис. 5.38), в котором образуется связь между атомами углерода в бензольном цикле и в этилене. Затем атом водорода у этилена и атом брома отрываются от комплекса в виде HBr, который удаляется из сферы реакции (показано пунктирными линиями и стрелками), кроме того, освобождается и атом палладия. В результате бензольное ядро оказывается соединенным с молекулой этилена, получается молекула стирола PhCH=CH 2(его используют, например, для производства широко распространенного полимера – полистирола).

Обратите внимание, весьма реакционноспособная двойная связь в этиленовом фрагменте сохранилась, соединились бензольное ядро и этилен. Первый компонент такой реакции – всегда органогалогенид RHal, где R – алкил, арил, винил. В роли второго компонента этой реакции непременно должен быть олефин – углеводород, содержащий двойную связь RCH=CH 2.

Важное отличие от реакции Гриньяра состоит в том, что атом палладия становится вновь доступным и может принимать участие в последующих таких же превращениях, т. е. играет роль истинного катализатора, а в реакции Гриньяра магний расходуется необратимо, превращаясь в галогенид магния. Достоинство реакции кросс-сочетания состоит в том, что процесс проходит при комнатной температуре, что позволяет получать различные термически нестойкие соединения.

Спустя некоторое время Ричард Хек довел открытую им реакцию до такого уровня, что ее стали использовать в крупнотоннажных производствах, а сам процесс стали называть по имени создателя реакцией Хека.

Второй из нобелевских лауреатов – Эйити Нэгиси – также занимался изучением каталитических реакций на палладии. В 1977 г. он предложил в реакции кросс-сочетания на роль второго компонента (вместо олефина) необычайно эффективный и удобный реагент – цинкорганическое соединение, т. е. содержащее связь Zn – C. Ниже показан пример такой реакции. Все начинается, как и в реакции Хека, со стадии взаимодействия галогеналкила (на рис. 5.39 показан алкилиодид) с палладием. В результате Pd встраивается между углеродом и иодом. Второй вводимый компонент – цинкорганическое соединение. Практически это тот же реактив Гриньяра, только магний заменен цинком. Цинковый аналог реактива Гриньяра в этой схеме играет не основную, а побочную роль.

В результате два атома углерода из двух разных молекул встречаются на атоме палладия и между ними возникает связь (на рис. 5.39 показано утолщенной пунктирной линией). Затем цинк и иод уходят в виде иодида цинка (показано пунктирным овалом и стрелкой), а освободившийся палладий готов к участию в следующем таком же цикле превращений.

Такой тип кросс-сочетания стали именовать реакцией Нэгиси, она проходит исключительно гладко и не приводит к образованию побочных продуктов.

Третий из лауреатов Нобелевской премии 2010 г. по химии – Акира Судзуки – в 1979 г. обнаружил, что роль второго компонента в реакции кросс-сочетания помимо рассмотренных олефинов и цинкорганических соединений могут играть борорганические соединения (содержащие связь С – В). Общая схема процесса близка к реакции Нэгиси. Процесс, названный реакцией Судзуки, еще больше расширил набор соединяемых органических групп, поскольку он проходит гладко даже в тех случаях, когда в R или R′ содержатся различные реакционноспособные функциональные группы. Кроме того, органические соединения бора не токсичны, что сделало эту реакцию популярной в фармацевтической промышленности.

Прежде чем мы разберем применение реакции кросс-сочетания, посмотрим, какие задачи ставит жизнь перед органической химией.

Не следует думать, что химики, разрабатывающие, например, новые лекарственные препараты, заняты только тем, что получают различные соединения и испытывают их биологическую активность на бактериях и мышах. С не меньшей энергией они ищут в окружающем животном и растительном мире вещества, которые могли бы помочь при лечении различных заболеваний.

До сих пор используют различные смеси целебных трав или снадобий в качестве лекарства. Однако, если наблюдается целительный эффект, химики первым делом пытаются выяснить, какой именно компонент вызывает лечебное действие, затем стараются выделить его в виде индивидуального соединения. После этого наступает этап направленного синтеза соединения, и лишь затем начинается получение похожих соединений с несколько измененной структурой для того, чтобы понять, какая часть молекулы оказывает лечебное действие и можно ли его усилить, направленно меняя структуру вещества.

В истории органической химии много ярких достижений, особенно заметны те, которые позволили спасти какой-либо живой организм. Речь идет не только о новых лекарствах, бывают и иные события, тоже по-своему драматические.