[Прелесть химии] Органическая химия

Все статьи из цикла "В чем прелесть предмета"
Другие статьи из цикла "В чем прелесть химии":
  Строительные блоки материи
  Зачем учить физхимию?
  Неорганическая химия
  Полимеры
  Синтез жизни
  Чистый воздух
  Химия и медицина: химическое оружие, аспирин и плесень

Почти каждый учебник химии встречает нас словами: "Химия – наука о веществах, их составе, строении и взаимодействиях между ними". Только-только познакомившись с химической наукой, ученик начинает изучать первые вещества, принадлежащие к неорганическому миру, – кислоты (серная кислота \(H_2SO_4\)), основания (гидроксид натрия \(NaOH\)), а также соли (сульфат калия \(K_2SO_4\)) – продукты взаимодействия последних. Пусть список кислот и оснований немал, они все же описывают лишь малую долю такого огромного мира атомов и молекул. Человеческий организм состоит из множества клеток, но что за молекулы образуют эти самые клетки? Генетическая информация ведь не что-то абстрактное, а реальная молекула. Но если так, то в каком виде она существует? А что за странные, замудренные названия молекул написаны на этикетке любимого йогурта? Ответить на эти и многие другие вопросы может один из самых больших и поистине многогранных разделов химии наших дней – органическая химия.

Главный органический элемент

В неорганической химии в каждом соединении мы могли наблюдать огромное разнообразие химических элементов со всех уголков таблицы Менделеева. В органической химии все немного иначе: органические вещества могут состоять из гораздо меньшего набора элементов, при этом, однако, разнообразие самих органических соединений нисколько не умаляется, а, напротив, остается безмерным.

Дальше ситуация становится куда более интересной. В каждом органическом соединении присутствует химический элемент, без которого органики и не было бы. Этот элемент – углерод, царь-батюшка всея органической химии. Вся органика – это химия соединений углерода, а все органические соединения – углеродные цепочки разных масштабов и форм. Именно благодаря способности углерода образовывать длинные и прочные цепочки на свете существует бесконечное множество органических молекул, которые образуют и полиэтиленовый пакет в магазине, и ферменты, помогающие переваривать вкусный обед.

Разнообразие мира органической химии

На этом достаточно формального представления, давайте познакомимся поближе с самой органической химией! В школе органика начинается с углеводородов (не путать с углеводами). Вспомним, что углеводороды – это простейшие соединения углерода и водорода. Углеводороды могут образовывать линейные (алифатические) и циклические структуры, а также могут формировать различные молекулярные каркасы.

В органических соединениях углерод может связываться только с четырьмя атомами, но для образования молекулы необязательно нужны все четыре атома – углерод вполне независим. Он способен образовывать двойные и даже тройные связи, если это позволяют атомы другого элемента. Это явление описывается понятием кратности связи – количества связей между двумя соседствующими атомами.

Если мы начнем замещать атомы водорода в углеводородных цепочках на другие атомы, скажем, кислород, серу или азот, то мы выйдем за рамки углеводородов, тем самым увеличив разнообразие органических соединений в миллионы раз. Так на свет появляется новое понятие из мира органики – функциональная группа, то есть часть молекулы, отвечающая за её химические свойства.

Хорошим примером разнообразия в химии считаются аминокислоты. Все канонические аминокислоты имеют общий каркас: амино- и карбоксильную группы, разделенные одним атомом углерода. К этому же атому углерода присоединяется радикал, который характеризует каждую аминокислоту по-своему: радикал может позволить аминокислоте раствориться в воде или жирах, или же создать дополнительные связи с другими аминокислотами.

Огромные углеводородные цепочки, каркасы и функциональные группы – разве этого достаточно, чтобы создать то огромное разнообразие молекул, коим известна органика? В органической химии все куда сложнее, чем кажется на первый взгляд. В органической химии большую роль играет расположение связей относительно друг друга. Например, существует две молекулы с общей формулой \(C_2H_6O\), но по своей структуре они совершенно различны. Данное явление называется изомерией.

Следующий фактор, который вносит разнообразие в нашу систему – это та самая кратность связи. Самая обычная одинарная связь позволяет атомам на обоих концах вращаться вокруг своей оси в самых разных направлениях. Однако двойная связь не способна на такую мобильность, в результате чего заместители около неё прочно зафиксированы друг относительно друга. Из-за такого "скованного" вращения, структура молекулы также изменяется, давая начало новому явлению – геометрической изомерии.

Оптическая изомерия

Кажется, структурной и геометрической изомерии уже достаточно для известного разнообразия соединений в органической химии. Не тут-то было, встречайте, оптическая изомерия! Этот вид изомерии сложно заметить на первый взгляд, поэтому давайте рассмотрим следующие \(3\)D модели.

Если мы попытаемся наложить одну молекулу на другую, то обнаружим, что они неидентичны. Хорошая аналогия такому явлению – наши руки. Руки пусть и одинаковые, но никакое их вращение не приведёт к тому, что правая рука идеально наложится на левую. Оптическая изомерия возникает в случае присутствия около атома углерода четырех разных по природе и строению заместителей. Такой атом углерода называется хиральным, а изомеры, являющиеся зеркальными отображениями друг друга, называются энантиомерами. Энантиомеры обладают одинаковыми физическими свойствами, единственное отличное их свойство – направление вращения плоскости поляризованного света: в то время как один оптический изомер вращает плоскость поляризованного света по часовой стрелки, другой – против.

Вот мы и разобрали с вами основные причины огромного разнообразия органических соединений. Но, где есть разнообразие, там есть и специфичность...

Хоть энантиомеры и имеют одинаковые физические свойства, их химические свойства могут значительно отличаться. Оптическая изомерия биологических молекул (в том числе лекарств) очень специфична – в то время как один оптический изомер будет работать в качестве лекарственного препарата, другой – в качестве яда. Хорошим примером этому служит противовоспалительное лекарство (S)-Naproxen.

В то время как (S)-изомер Naproxen-а является лекарственным средством, (R)-изомер – опасный токсин, поражающий почки.

Биологическая специфичность оптических изомеров связана с пространственной специфичностью активных сайтов ферментов: только верная конфигурация молекулы будет эффективно связываться с ферментом, тогда как неверная конфигурация может прочно “связать” фермент и деактивировать его.

Как исследуют органические молекулы

Органическая химия невероятна по своему разнообразию: вкупе с множественными каркасами, разветвлениями, функциональными группами и изомерией, любая связь может сделать молекулу особенной. Однако весь этот бесчисленный спектр молекул не может взяться из ниоткуда. Пусть львиная доля органических соединений синтезируется живыми организмами, существует целый ряд веществ, создающихся человеческими руками в лабораториях. Отсюда рождается вопрос: каким образом учёные манипулируют молекулами и синтезируют из них желаемые вещества – лекарства, суперпрочные материалы и многое другое?

Давайте попробуем разобраться в этом на примере антималярийного лекарственного препарата хинина.

Если бы мы стали первооткрывателями хинина, обладая всем технологическим потенциалом двадцать первого века, то первым же делом нам потребовалось бы получить чистую пробу интересующего нас вещества. В природе хинин встречается в составе коры хинного дерева, из которой путем сушки и промывки растворителями, а затем последующим разделением компонентов смеси можно получить чистое вещество в нужных для химического анализа количествах. Стоит заметить, что под анализом подразумеваются утонченные методы элементного анализа и расшифровка структуры вещества.

Одним из широко используемых методов химического анализа при изучении природных веществ является масс-спектрометрия. Из названия несложно догадаться, что главной целью этого метода есть установление массы интересующей нас молекулы. Масс-спектрометр ионизирует молекулы образца, “выбивая” из них электроны электронными лучами. Затем ионизированное вещество, называемое катион-радикалом, попадает в ускоритель, где под действием магнитного поля его траектория отклоняется от прямого полёта под определенным углом, который напрямую зависит от массы частицы. Таким образом, данное чудо инструментального анализа позволяет измерить точную массу катион-радикала в зависимости от точки столкновения с чувствительной стенкой детектора.

Однако, установив молекулярную массу вещества, ученым необходимо нечто большее, чтобы понять структуру вещества – вспомните о различных изомерах, описанных в первой части. Для получения более детальной картины мира химики прибегают к другим видам анализа, а именно использованию электромагнитного излучения. Например, инфракрасным (ИК) излучением можно измерить частоту колебаний связей между атомами. Так как у каждой химической связи есть своя характерная длина и сила, то частота колебаний для каждой связи будет уникальной, что позволяет проверить наличие функциональных групп в неизвестной для нас структуре. Таким образом ИК-спектрометрия находит чрезвычайно важные фрагменты структурного пазла – функциональные группы.

Помимо этого, среди наиболее распространенных видов анализа стоит выделить ультрафиолетовую (УФ) и ядерно-магнитно-резонансную (ЯМР) спектрометрии. Первая основана на применение УФ–излучения и помогает оценить масштабы сопряженных систем из пи-связей, которые, например, отвечают за цвет органических пигментов. ЯМР, в свою очередь, использует радиоволны, способные взаимодействовать с магнитным моментом ядра каждого атома в магнитном поле спектрометра, давая информацию об относительном расположении атомов в каркасе молекулы. Так, используя и комбинируя разные методики анализа, ученые могут получить наиболее точные данные о строении вещества, включая такие характеристики, как оптическая и геометрическая изомерии.

Органический синтез

Что ж, у нас есть «чертёж» молекулы, теперь нужно разобраться, как её сконструировать из более простых и коммерчески доступных веществ, или, говоря научным языком, синтезировать интересующее нас вещество в лабораторных условиях. Синтез происходит в обычных колбах, где, используя различные химические реактивы, химики шаг за шагом модифицируют исходную молекулу, постепенно подбираясь к ключевым фрагментам целевого продукта. После же остаётся скрепить между собой все детали молекулярного конструктора и внести последние штрихи, дабы в конце получить целевой химический продукт, который ничем не будет отличаться от своего природного аналога.

Важно отметить, что химические реакции не всегда протекают по одной схеме, ведь каждое химическое превращение уникально. К тому же, всегда нужно учитывать особенности строения молекулы, над которой предстоит работать. Так, например, молекулы ацетальдегида в присутствии щелочи (\(NaOH\)) способны вступать в межмолекулярную альдольную реакцию, показанную ниже.

По аналогии с ацетальдегидами, молекулы гептандиаля, в структуре которых присутствуют две альдегидные группы, должны так же вступать в межмолекулярную реакцию друг с другом.

Однако не все так просто, ведь две необходимые альдегидные группы уже присутствуют на обоих концах молекулы, из-за чего протекает внутримолекулярная реакция, в ходе которой два конца молекулы реагируют друг с другом, образуя основной циклический продукт.

Несмотря на наличие одинаковых функциональных групп, молекулы способны реагировать по совершенно разным механизмам, отличных от шаблонных. Только понимая логику превращений, химики могут объяснить образование того или иного продукта. Поэтому органический синтез – это настоящее искусство во всей красе, а для его понимания нужно уметь строить гипотезы, пробовать синтез на практике и детально анализировать происхождение каждого полученного продукта.

Производство искусственных химических веществ завоевало большой интерес на политической арене прошлого века. В частности, американские ученые пытались разработать полный синтез хинина для широкомасштабного обеспечения своих войск медикаментами, так как союзные силы, сражавшиеся во Второй мировой войне, были отрезаны от единственного источника противомалярийного препарата из-за оккупации Юго-Восточной Азии Японской Империей. Благодаря деятельности выдающихся американских учёных Роберта Вудворда и Уильяма Дёринга, в \(1944\) году всё-таки получилось впервые провести полный синтез хинина из доступных реагентов.

Тут-то и начинается вся прелесть органического синтеза, в котором, основываясь на логических принципах взаимодействия валентных электронов между молекулами, химики способны понять механизм органических превращений и даже предугадать ход всей химической реакции.

Основополагающим механизмом органических реакций является взаимодействие нуклеофилов, молекул с большей электронной плотностью, которые так и норовят поделиться лишней парой электронов, с электрофилами, молекулами с низкой электронной плотностью, готовыми принять лишнюю пару электронов. Благодаря такому организованному движению электронов между молекулой-донором и молекулой-акцептором и происходят химические реакции. Именно во множестве таких последовательных шагов и раскрывается логическая цепь полноценных органических превращений.

В самой первой же реакции синтеза хинина механизм начинается с атаки карбонильной группы \(С=О\) (электрофил) неподеленной парой электронов от аминогруппы \(NH_2\) (нуклеофил). Траектория взаимодействия обозначена изогнутыми стрелками на изображении ниже. В ходе взаимодействия нуклеофила с электрофилом выбивается пара электронов, смещенных от двойной связи к кислороду. После последовательного переноса иона водорода \(H^+\) молекула хинина снова подвергается нуклеофильной атаке между теми же атомами азота с углеродом, выбивая гидроксид ион \(ОН^-\). На этот раз протекает внутримолекулярное взаимодействие: молекула реагирует сама с собой, выбивая свой гидроксид ион \(ОН^-\). Наконец, после финальной потери иона водорода \(H^+\) у атома азота в результате всей реакции образуется имин (продукт реакции), который в дальнейшем продолжит синтетическую цепочку превращений вплоть до заветного хинина.

Важно отметить, что на самом деле Р. Вудворд и У. Дёринг открыли путь к синтезу хинотоксина, токсичного изомера хинина, содержащегося в коре того же хинного дерева, положившись на ранее изученный опыт немецких учёных Пауля Рабе и Карла Киндлера, которые в \(1918\) году сумели химическим путем превратить хинотоксин в хинин. Вот так работа из прошлого вдохновила американских учёных собрать синтетический пазл именно в этом направлении!

Несмотря на то, что синтез Р. Вудворда и Дёринга не получил продолжение в виде широкомасштабного производства из-за дороговизны процесса, само научное достижение стало основоположником новой эры органического синтеза, доказав, что человечество способно получить чуть ли не каждое природное вещество искусственным путем.

В последующие десятилетия химики-синтетики один за другим совершенствовали синтез хинина, предлагая стратегии синтеза из альтернативных исходных веществ. Например, синтез хинина из цикличного лактама, открытый Гилбертом Сторком:

Синтез Эрика Якобсена исходя из \(3\)-гидрокси-пропаналя:

Или же синтез группы Юичи Кобаяши, которая выбрала схожий метод синтеза предпоследнего вещества:

Синтез одного и того же вещества можно осуществить множеством разных путей, именно поэтому органический синтез – это сфера, требующая от исследователей креативности и нестандартного мышления, а сам органический синтез можно назвать своего рода искусством!

Заключение

Органическая химия – наука, которая окружает нас повсюду. Многие современные материалы – это синтетические органические полимеры, а лекарства в вашей домашней аптечке – биологически активные органические молекулы. Несмотря на ограниченность состава молекул углеродом, органические соединения разнообразны до бесконечности, а сам органический синтез подобен конструктору LEGO, из которого можно собрать самые разнообразные структуры с самыми различными свойствами, какими только душа пожелает. Но для того, чтобы уметь собрать сложный механизм из многотысячного конструктора, необходимо понимать логику органической химии: почему одни реакции протекают лучше других и как добиться образования стабильного продукта. Это и многое другое открывает врата в бесконечно интересный мир химии. Изучайте органику, она вас не обманет!

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова