МОЛЕКУЛЯРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ В ОРГАНИЧЕСКОМ СИНТЕЗЕ

03-11-2022

Наверное, многие студенты, изучающие органическую химию, восхищались эффектным опытом - синтезом диоксандибромида

Если к бесцветному жидкому диоксану прибавить (работу вести в тяге!) по каплям эквивалентное количество брома, то практически мгновенно выпадают ярко-оранжевые крупные кристаллы, напоминающие друзы бихромата калия. Если же оставить их на сутки под тягой, то можно обнаружить исчезновение кристаллов, как будто их и не было вовсе. Причина простая: молекулярный комплекс оранжевого цвета, образованный молекулами диоксана и брома, распался, а оба исходных жидких компонента испарились.

Такие часто "неуловимые" молекулярные комплексы обычно называют комплексами с переносом заряда или донорно-акцепторными комплексами, так как один из партнеров выступает в качестве донора, предоставляя избыточную электронную плотность акцептору, имеющему дефицит электронов [1]. Комплексы, состав которых может быть выражен простейшими мольными отношениями компонентов, во многих случаях так неустойчивы, что их нельзя выделить в чистом виде при обычных условиях. Они часто существуют только в растворах в равновесии с исходными компонентами. Однако их можно распознать по появлению яркой окраски и по спектральным характеристикам (например, спектрам поглощения), отличающимся от свойств чистых компонентов. Энергии взаимодействия исходных партнеров обычно малы, а это свидетельствует о том, что силы координации в этих случаях гораздо слабее сил, обусловливающих образование ковалентных связей.

Так чем же привлекательны эти столь лабильные молекулярные комплексы? Дают ли они что-то для практики? Какова их роль в органической химии? Оказывается, они часто являются предшественниками многих продуктов химических реакций. А в последние годы показано, что они способны активировать исходные субстраты, играя роль "внешних" акцепторов [2]. Действительно, перераспределение электронной плотности в молекулах донора и акцептора при образовании молекулярного комплекса должно приводить к изменению их реакционной способности. Отталкиваясь именно от этой идеи, мы предложили принципиально новый вариант осуществления реакций в ароматическом и гетероароматическом ряду - с использованием донорно-акцепторных комплексов для активации субстратов.

Донорно-акцепторные связи и молекулярные комплексы

Химическая связь - одно из основополагающих понятий в химии. Именно возникновение связей между атомами ответственно за "рождение" молекулы. Разрыв связей и возникновение новых лежит в основе химических превращений, ведущих к получению разных веществ. Одной из самых простых моделей химических реакций представляется взаимодействие двух соединений с образованием третьего - ее продукта

D + A ® D - A (D : A).

Очевидно, для такого "соединения" молекул D и А в единое целое необходимо, чтобы они сблизились на определенное расстояние, при котором электронные оболочки реакционных центров перекроются и станут общими. Одна из причин такого сближения - взаимное притяжение реагирующих молекул, которые в простейшем варианте могут быть уподоблены двум частицам, обладающим дипольным электрическим моментом. Именно такого рода силы притяжения дают возможность представить и связи в молекулярных комплексах, которые отличны от гомеополярных связей не по своей природе, а по способу образования. При донорно-акцепторном взаимодействии наблюдается лишь смещение электронной плотности от одного партнера к другому, но не "обобществление" электронов. Другая существенная особенность связей в молекулярных комплексах - их небольшая энергия: порядка 60 кДж/моль против 250-400 кДж/моль энергии ковалентной связи в органических соединениях. Столь малая энергия позволяет партнерам лишь удерживаться друг возле друга, но ковалентная связь между ними не возникает. (Схематично связь между компонентами в молекулярных комплексах обычно обозначают точкой или стрелкой, направленной от донора к акцептору.)

Необычное строение служит причиной повышенной электрической проводимости многих молекулярных комплексов. Наиболее ярко это свойство выражено в ион-радикальных солях - в них наблюдается не просто смещение электронной плотности, а полный перенос электрона от одного партнера к другому:

D + A ® D+A-.

Довольно часто молекулярные комплексы существуют лишь в растворах:

D + A Û [D, A « D+A-]

Однако это не мешает им быть во многих случаях предшественниками стабильных продуктов реакций. Действительно, и в химии алкенов при обсуждении механизма реакций электрофильного присоединения галогенов, галогеноводородов, спиртов и т.п., и при трактовке электрофильного замещения в ароматическом ряду мы пользуемся представлениями о промежуточном возникновении p-комплексов, в которых наблюдается донорно-акцепторное притяжение партнеров, а не образование классической двухэлектронной ковалентной связи:

Обычно такие комплексы нестабильны, но если подобрать соответствующие заместители в каждом из партнеров, то можно иногда выделить подобные молекулярные соединения в твердом состоянии.

Трудные реакции в мягких условиях

Итак, в ряду гетероароматических соединений, обладающих донорным характером, можно получить довольно устойчивые молекулярные комплексы [3]. Так, например, при взаимодействии N-оксидов хинолинов и броманила (или хлоранила) образуются относительно устойчивые комплексы от ярко-красного до темно-вишневого цвета:

Вполне естественно ожидать, что вследствие смещения в рассматриваемых комплексах электронного облака гетероароматической системы в сторону сильного партнера-акцептора значительно снижается электронная плотность и в четвертом положении гетероароматического кольца. В результате этого вместо заместителей в положении 4 туда можно легко вводить подходящие нуклеофильные частицы (Nu) в очень мягких условиях. Так, 4-хлорпиридин-N-оксид, при 20oС вообще не реагирующий с нуклеофильными реагентами, в составе молекулярного комплекса (например, с тетрацианэтиленом) в этих же условиях гладко вступает в реакцию нуклеофильного замещения. Продукт реакции, образующийся в виде молекулярного комплекса, мгновенно осаждает хлорид серебра при взаимодействии с раствором азотнокислого серебра, в то время как исходный 4-хлорпиридин-N-оксид реагирует с азотнокислым серебром чрезвычайно медленно:

Мы изучили также взаимодействие молекулярного комплекса 4-хлорхинолин-N-оксида (в качестве акцептора при его образовании служил броманил) с такими нуклеофилами, как замещенные гидразины:

Реакция протекает при 20oС в течение 30 мин с выходом 60%. Сам N-оксид 4-хлорхинолина без добавления акцептора образует тот же продукт замещения только при 100oС через 3-4 ч и с выходом лишь 30%.

Для сравнения стоит напомнить, что подобные реакции нуклеофильного замещения очень трудно осуществить в обычных ароматических системах. Так, гидролиз хлорбензола до фенола, в процессе которого одна нуклеофильная группа (Cl) заменяется на другую (ОН), осуществляется в очень жестких условиях - при 300oС, под давлением 300 атм и в присутствии концентрированной щелочи:

Однако, введя в состав хлорбензола три нитрогруппы (в положения 2, 4 и 6), можно повысить активность исходного соединения настолько, что пикрилхлорид превращается в пикриновую кислоту под действием воды уже при комнатной температуре. Иначе говоря, акцепторные заместители, включенные в структуру исходной молекулы, сильно сдвигают в свою сторону электронную плотность, а это увеличивает положительный заряд на атомах углерода ароматического кольца и, соответственно, подвижность атома хлора. Последний легко уходит, освобождая место для гидроксильной группы.

Как видим, для успеха нуклеофильного замещения приходится вводить "внутренние" акцепторы, которые остаются и в образующемся продукте. А если эти дополнительные заместители в дальнейшем не нужны, а возможно, даже будут мешать последующим превращениям? Вот тогда и возникает вопрос: а нельзя ли воспользоваться действием "внешнего" акцептора, не вводя его в исходную молекулу, чтобы не изменять ее структуру? И мы показали, что эту идею можно реализовать с помощью молекулярных комплексов. Вводя в реакцию с исходным донором сильный акцептор и получая донорно-акцепторный комплекс, мы добиваемся сильного снижения электронной плотности в реакционном центре донора, не затрагивая его структуру вообще. Благодаря этому достигается такой эффект активации исходного соединения в реакциях нуклеофильного замещения, что они протекают в очень мягких условиях. Конечный продукт может получиться или тоже в виде комплекса с использованным акцептором (но такой комплекс, как мы знаем, легко распадается) или сразу в виде необходимого продукта замещения.

Таким образом, внешнее окружение исходного субстрата (исследуемой молекулы) может влиять на его активность по отношению к атакующей частице-реагенту. Так что подбор к молекуле-донору подходящего акцептора (или наоборот) позволяет заранее активировать изучаемое соединение, не меняя его состав и строение. Образующийся при этом донорно-акцепторный промежуточный комплекс - это, по сути, активированная система, в которой легко протекает необходимая реакция. А далее этот "тандем", выполнив свою роль, легко распадается.

Роль донорно-акцепторных комплексов подобного рода пока недооценивается. Их удается четко зафиксировать лишь в отдельных случаях, когда они наиболее стабильны. Однако они, несомненно, присутствуют в большинстве химических взаимодействий: ведь любой межмолекулярный процесс (если это не внутримолекулярная перегруппировка, изомеризация или не распад исходного вещества) - встреча по крайней мере двух партнеров.

Сближение донора и акцептора, конечно, должно сопровождаться их внутренним преобразованием: в исходном доноре часть "избыточной" электронной плотности должна сместиться к акцептору. Это приводит к изменению свойств исходного субстрата: он может вступать (будучи связанным в комплекс) в нехарактерные для него (в обычном "уединенном" состоянии) реакции. Например, ароматические соединения, для которых типичны реакции с электрофильными реагентами, будучи связанными в комплекс, становятся способными к взаимодействию с нуклеофилами.

Можно смело предположить, что образование донорно-акцепторных комплексов - это первый шаг на пути химического превращения, даже если в дальнейшем возникает классическая ковалентная связь. Например, при взаимодействии N-оксидов с тринитроанизолом сначала образуется, как нами показано, типичный молекулярный комплекс, в котором электронная плотность лишь смещается от одного партнера к другому, но еще не обеспечивает обобществления электронов и создания ковалентной связи.

Однако далее в молекулярном комплексе происходит преобразование, благодаря которому появляется истинная химическая связь:

В перспективе, может быть, удастся изменять в нужном направлении реакционную способность и других органических соединений, подбирая им соответствующие "внешние" активаторы.

Основное достоинство предложенного варианта проведения химических реакций - это возможность избежать жестких условий, прежде всего длительных термических воздействий на нежные органические соединения. Ведь если говорить о химических реакциях в живой природе, то многие удивительные по сложности природные процессы осуществляются в чрезвычайно мягких условиях. Так что импульсом к взаимодействию должны выступать какие-то особые свойства реагирующих партнеров. По мнению Э.М.Косовера, некоторые межмолекулярные взаимодействия в биологических системах вполне могут осуществляться по типу переноса заряда [4]. В частности, такой перенос, наблюдаемый в N-алкилпиридиний иодидах наводит на мысль, что он возможен и в комплексах, образуемых пиридин-нуклеотидами в ходе метаболизма. Весьма вероятно, что донорно- акцепторные комплексы выполняют важные функции в поддержании процесса превращения энергии в биологических системах, в частности, при фотосинтезе. Эта мысль подтверждается тем, что образование комплексов с переносом заряда особенно легко происходит под действием света.

Успехи, достигнутые химиками-органиками в синтезе сложных природных соединений (полипептидов, стероидов и т.п.), огромны. Однако синтез в лабораторной практике в большинстве случаев реализуется не теми путями, которые использует природа: многие стадии осуществляются при высокой температуре, под давлением и в других жестких условиях, отнюдь не природных. Кто знает, возможно, изучение реакций в молекулярных комплексах и позволит в будущем получать сложные природные молекулы легко и изящно.

Автор: Л. Л. Родина

Другие статьи по теме: