Карнавал молекул. Химия необычная и забавная

Именно идею таких заранее намеченных «вытачек» использовали авторы, создавая тиофеновую спираль. При этом они проявили большую изобретательность, наметив с помощью простых связей «вытачки» в различных местах, что позволило получить две спиральные молекулы, закрученные в правую и левую стороны. На рисунке 7.12 простые связи между тиофеновыми циклами – места будущих «вытачек» – для наглядности отмечены черными кружками, а спиральная изогнутость полученных молекул подчеркнута утолщенными линиями. Поскольку получение таких спиралей воспроизводит последовательность операций, показанных на рисунке 7.11, то схемы синтеза приведены в сокращенном виде – вторая и третья стадия объединены.

Подобные спиральные молекулы именуют гелиценами (от англ. helix – спираль), они представляют особый интерес для химиков, так как обладают исключительно высокой оптической активностью, т. е. вращают плоскости поляризованного света не на несколько градусов, а на несколько полных поворотов. Верхняя из показанных на рисунке 7.12 спиралей вращает плоскость поляризованного света влево, а нижняя – вправо. Справедливости ради отметим, что даже здесь тиофену не удалось обойти бензол, который умеет делать то же самое. Впервые такие спирали были созданы из спаянных бензольных циклов (рис. 7.13), тем не менее получение тиофеновых гелиценов, безусловно, можно отнести к своеобразному достижению органической химии.

Нельзя не отметить ту изобретательность и разнообразие методов, с помощью которых химики формировали тиофеновые циклы в составе молекулы. Все это вместе замечательная демонстрация возможностей органической химии при решении одной частной задачи.

Тем не менее остается ощущение, что по крайней мере одна, может быть самая интересная, задача пока не решена.

Молекула-подсолнух

Химиков всегда привлекали соединения, которые в определенном смысле возглавляли отдельное направление, символизируя целый класс соединений. Таких соединений, естественно, немного, и они хорошо известны: бензол, ферроцен, карборан, фуллерен (рис. 7.14).

Эти соединения во многом определили развитие химии в ХХ в., за исключением бензола, который начал царствовать еще в середине ХIХ в., но «не померк» и поныне.

Отличительные признаки показанных соединений: молекула стабильна, симметрична, сравнительно просто устроена, изящна и внешне привлекательна. Чисто эстетические аспекты, такие как красота и элегантность молекулярных структур, всегда играли важную роль в развитии химии, чему даже посвящены специальные статьи в серьезных научных журналах. Впрочем, изящная структура не основное качество. Стабильную высокосимметричную молекулу несравненно проще изучать современными методами, и она дает существенно больше информации. Появление такой молекулы сразу привлекает внимание большого числа исследователей, что приводит к появлению потока работ. В результате соединение оказывается всесторонне изученным и его наиболее интересные свойства становятся известными.

Рассматривая тиофеновые спирали вы, скорее всего, догадаетесь, какое именно соединение могло бы достойно символизировать химию тиофена. Естественно, это замкнутый цикл из спаянных молекул тиофена. Получить такое соединение было совсем непросто, это удалось в 2006 г. профессору В.Г. Ненайденко (рис. 7.15) с сотрудниками на химическом факультете МГУ.

Отличительная черта работы современного химика – сочетание эксперимента и квантовохимических вычислений, определяющих, например, энергетические параметры не полученной пока молекулы. Современные компьютерные программы позволяют проводить такие вычисления химику-экспериментатору самостоятельно, за основу берут нарисованную структурную формулу соединения. Вначале предстояло решить вопрос, из какого количества тиофеновых молекул следует собирать кольцо. Заранее было ясно, что проще всего получить то соединение, которое наиболее устойчиво. Наиболее устойчива та молекула, которая энергетически более выгодна. Авторы провели предварительный расчет для циклов, содержащих от пяти до 12 тиофеновых фрагментов. Выяснилось, что наиболее энергетически выгодны циклы, содержащие восемь и девять фрагментов. Оба эти цикла практически плоские, в отличие от них цикл из семи фрагментов стянут в виде корзины, а десятифрагментный цикл приобретает извитость, т. е. десяти тиофенам в таком цикле «тесновато» (рис. 7.16).