Эта увлекательная химия

В учебниках органической химии мы постоянно встречаем такие фразы: "эта реакция приводит к получению таких-то продуктов", "в результате взаимодействия таких-то веществ образуются такие-то соединения", "присоединение галогена идет исключительно в такое-то положение"... За этими четкими фразами- огромный труд и долгие размышления многих ученых. Школьникам и студентам обычно предлагаются лишь готовые химические истины.

Но как работают химики, как они проводят все эти простые и сложные реакции, как обращаются с десятками и сотнями тысяч веществ, как они, наконец, узнают формулы этих соединений и их структуру? На такие вопросы мы попытаемся ответить в этой и в следующей главах.

Итак, представим себя химиками-органиками. Вообразим, что нам нужно получить из одного вещества другое и подробно изучить это превращение.

Начало и конец всякого исследования

С чего начать работу? Сомнений тут быть не может — конечно, с ознакомления с научной литературой по интересующему нас вопросу. Ведь все, что делают химики (и другие ученые), они затем описывают в специальных научных журналах. Значит, отправляясь в библиотеку рыться в книгах и журналах, мы преследуем несколько целей. Во-первых, не сделано ли уже другими то, что мы только собираемся сделать (не стоит тратить время на изобретение велосипеда)? Во-вторых, если это не сделано, какие известны похожие реакции с аналогичными соединениями?

Мы пришли в научную библиотеку и глаза у нас разбежались. Кругом сотни, тысячи книг и журналов. Не читать же их все подряд-на это и несколько жизней не хватит. Действительно, научных журналов, а химических в особенности — огромное множество. Так, в наше время во всем мире выходит ежемесячно около шести тысяч журналов, публикующих статьи по химии. Даже свежие журналы один человек не в состоянии просмотреть.

И все-таки ситуация не так безнадежна. Во-первых, мы работаем в довольно узкой области науки о синтетической органической химии. Значит, из журналов по химии нас заинтересуют далеко не все. Но все же журналов для химиков-органиков остается очень много. Например, только на русском языке статьи по органической химии публикуют Журнал общей химии, Журнал органической химии, Журнал ВХО им. Д. И. Менделеева, Журнал физической химии, Известия Академии наук СССР, Доклады АН СССР, Химия гетероциклических соединений, Координационная химия, Биоорганическая химия и т. д., и т. д. И каждый журнал, как правило, выходит ежемесячно. Как же ориентироваться в этом потоке информации? Для этого существуют много-численные и разнообразные справочники. Самый солидный, самый знаменитый, самый полный из них был основан членом Российской Академии наук Федором Федоровичем Бейлыптейном и впервые издан в Германии на немецком языке в 1881-1882 годах. Мы сказали "основан", ибо издание этого многотомного справочника, называемого "Beilsteins Hndbuch der organischen Chemie", еще не закончено и вряд ли когда-либо будет закончено — ведь каждый год синтезируются все новые и новые вещества, ради которых выходят очередные тома справочника. Всего же на сегодняшний день издано более 100 увесистых томов "Бейльштейна", как называют его химики.

Перелистывать все тома справочника в поисках нужного нам вещества тоже совсем незачем: тут нам помогут указатели, в которых вещества расположены по классам, а также по брутто-формулам или названиям.

Итак, мы убедились по справочнику Бейльштейна, что вещество, которое мы хотим синтезировать, в литературе не описано. Можно приступать к работе? Подождите! Справочник Бейльштейна заметно отстает от жизни (ведь не скорое это дело — собрать сведения из всех журналов в одну книгу). Поэтому, просмотрев его, мы сможем утверждать лишь то, что десять-двадцать лет назад это вещество было неизвестно. Но за двадцать лет многое могло измениться.

Что же делать? Теперь нам помогут реферативные журналы. Самые известные из них — это американский "Chemical Abstracts" и отечественный "Реферативный Журнал Химия" (РЖХим). В реферативных журналах приводятся краткие изложения статей- рефераты. Специально издаются формульные указатели и указатели по названиям веществ. Пользуясь реферативными журналами, мы можем "просмотреть" литературу вплоть до прошлого года и даже еще более свежую.

Вот теперь мы можем сказать, что до прошлого года наше вещество не было синтезировано. Его будем синтезировать по какой-то реакции из другого, исходного вещества. Но как получить это исходное вещество?

Все повторяем сначала — "Бейлынтейн", затем реферативный журнал. Предположим, нас интересует 8,9-дихлор-3,4-динитрофлуорантен. Определяем его брутто-формулу (C₁₆H₆CI₂N₂O₄) и по ней находим реферат в "Chemical Abstracts". Реферат на странице 546 тома 84 выглядит так:

84: 105260х 8,9-Dichloro-3,4-dinitrofluoranthene. Zinchenko, V, M.g Burmistrov, S. I. (Dnepropetr. Khim.-Tekhnol. Inst., Dnepropet-rovsk, USSR), Zh. Org. Khim, 1976, 12 (1), 232 (Russ.) Treatment of the sulfonic acid I with concd. HN03 — concd. H2S04 at room temp for 8-10 hr gave 30% dinitro compd. II.

Этот реферат отсылает нас к статье В. М. Зинченко и С. И. Бурмистрова в Журнале органической химии за 1976 год (том 12, выпуск 1, стр. 232). В этой статье находим метод получения интересующего нас вещества и некоторые его свойства. Приведем эту статью целиком.

УДК 547.686

Журнал органической химии том XII, вып. 1 (1976)

8,9-дихлор-3,4-динитрофлуорантен

В. М. Зинченко, С. Я. Бурмистров

В литературе описаны случаи замены сульфогруппы нитрогруппой при наличии в хиногеновых положениях к сульфогрупп в сильно активирующих заместителей первого рода, например окси [1] или амино [2].

При обработке 8,9-дихлор-4-нитрофлуорантен-3-сульфокислоты (I) [3| смесью серной и азотной кислот с целью введения следующего заместителя мы обнаружили наряду с небольшим количеством ожидаемых дихлординитрофлуорантенсульфокислоты и продуктов окисления 8,9-дихлор-3,4-динитрофлуорантен (II),

Аналогичное вытеснение сульфогруппы нитрогруппой при обработке смесью серной и азотной кислот 4,8-динитрофлуорантен-3-сульфокислоты уже описано нами [4].

Вытеснение сульфогруппы нитрогруппой происходит как при наличии только дезактивирующих, мета-ориентирующих заместителей в нафталиновой и бензольной частях молекулы флуорантена, так и при наличии атомов хлора.

Строение соединения (II) доказано получением его из вещества (I), а также подтверждено ИК-спектрами, снятыми на спектрофотометре UR-20 в таблетках с КВг. В ИК-спектрах веществ (I) и (II) наблюдаются полосы поглощения нитрогруппы (1340, 1527, 1360, 1380, 1540, 1565 см^-1) и сульфогруппы, обнаруженные только для соединения (I) (1195, 1046, 1020 см^-1).

8,9- Дихлор-3,4-динитрофлуорантен (II). 10,3 г калиевой соли кислоты (I) внесли при комнатной температуре в 25 мл концентрированной серной кислоты. При непрерывном перемешивании в реакционную колбу добавили нитросмесь из 5 мл концентрированной азотной (d 1,5) и 10 мл концентрированной серной кислот. Разогревание массы предотвращают охлаждением, после чего продолжают перемешивание при комнатной температуре 8-10 часов, затем выливают в холодную воду, добавляют для экстракции 250 мл бутанола. Бутанольный слой промывают горячей водой, отфильтровывают нерастворимый желтый осадок, промывают его на фильтре горячим бутанолом, кипящей водой, раствором бикарбоната, затем вновь водой. Получают 3 г желтого осадка. Продукт растворяют в смеси толуола и ацетона (1 : 1), раствор хроматографируют на окиси магния. Избыток растворителя упаривают, при охлаждении выпадают светло-желтые мелкие иглы. Выход до 30%, т. пл" 289-290°, Найдено ,%: N 7,99, С1₆Н₆N₂Cl₂O₄ Вычислено % N 7,75.

Литература

[1] Г, Э. Фирц-Давид, Л. Бланже. Основные процессы синтеза красителей, ИИЛ, 136 (1957).

[2] К. Райд, Курс физической органической химии. Изд. "Мир", 444 (1972).-

[3] С. И. Бурмистров, В. М. Зинченко. ЖОрХ, 6, 1082 (1970).

[4] С. И. Бурмистров, В. М. Зинченко, Авт, свид. 364602 (1973): Бюлл. изобр., № 5 (1973).

Поступило 26 V 1975

Днепропетровский химико-технологический институт Мелитопольский педагогический институт

Теперь можно приниматься за работу. Когда мы проведем свое исследование, синтезируем новое вещество, то опишем это в статье, которую опубликуем в научном журнале. Затем сведения о нашем соединении поступят в РЖХим, "Chemical Abstracts", в "Beilstein" и, возможно, наш коллега где-нибудь в Австралии или Бразилии прочитает статью и использует наши результаты в своей работе.

Колба — инструмент химика

Мы хотим провести химическую реакцию. Самая обычная, самая типичная органическая реакция — взаимодействие двух компонентов. В результате образуется новое соединение. Часто бывает, что необходим растворитель: в растворах создается лучший контакт между молекулами реагирующих веществ, реакции идут быстрее.

Ионные неорганические реакции протекают мгновенно. Вспомните: к раствору азотнокислого серебра приливают раствор хлористого натрия. Осадок выпадает немедленно. Большинство органических реакций протекают не так быстро. Для того чтобы все молекулы компонентов могли встретиться и образовать молекулы нового сорта, требуется время. Обычно химики проводят в лаборатории реакции, которые требуют для своего завершения от нескольких минут; до нескольких суток.

Скорость реакции сильно зависит от температуры. Как правило, чем выше температура, тем быстрее протекает реакция. Поэтому, чтобы ускорить превращение, химики часто нагревают реакционную массу,

процесс проводят при кипении растворителя. Но бывают и такие реакции, которые удается направить по нужному руслу только при сильном охлаждении. Нагревают колбу на обычной электроплитке, на бане с водой или с маслом. Охлаждают баней с обычным льдом или же с ацетоном, в который бросают кусочки сухого льда, а иногда и жидким азотом.

Типичный прибор химика-синтетика

Излюбленный прибор химика-синтетика — трехгорлая круглодонная колба. Раньше колбы снабжались пробками — резиновыми или корковыми. Но это уже прошедший день лабораторной практики. Теперь применяют исключительно соединения на шлифах-o отдельные части приборов строго стандартного диаметра шлифуются и хорошо прилегают друг к другу, не пропускают ни газ, ни жидкость.

В центральное, широкое горло колбы вставляют ртутный затвор с мешалкой. Для чего нужна мешалка, понятно — чтобы реакция шла равномерно, содержимое колбы необходимо перемешивать. А ртуть в затворе не позволяет выходит из колбы выделяющимся газам и парам растворителя. (В последнее время вместо такой вот довольно громоздкой механической все чаще применяют магнитные мешалки. На дно колбы кладут небольшой железный стержень, запаянный в тефлоновый или стеклянный чехол, а снизу подставляют вращающийся магнит. В этом случае никакой затвор не нужен. Часто в подставку с магнитом монтируют и электроспираль — одновременно обеспечивается и перемешивание и нагревание.)

В другое горло колбы вставляют обратный холодильник. Ведь растворитель в процессе реакции будет кипеть, испаряться. В обратном холодильнике, охлаждаемом проточной водопроводной водой, пары растворителя конденсируются и возвращаются в реакционную колбу.

Далеко не всегда компоненты можно смешивать сразу, как растворы нитрата серебра и хлористого калия. Часто бывает так, что раствор одного вещества прикапывают в течение нескольких часов к кипящему раствору второго компонента. Для этой цели служит капельная воронка, вставленная в третье горло.

Выделение и очистка

Итак, реакция проведена, получилась сложная смесь — искомый и побочные продукты, не прореагировавшие вещества. Все это находится в органическом растворителе — бензоле, хлороформе, гексане, спирте. Теперь наступает не менее интересный и ответственный этап — выделение продукта и его очистка. Какие для этого существуют методы?

В первую очередь, наверное, надо избавиться от растворителя. Проще всего его отогнать. Переливаем содержимое реакционной колбы в другую колбу, при-* соединяем к ней нисходящий холодильник и нагреваем. Растворитель кипит ниже продукта реакции и постепенно весь оказывается в специальном приемнике- колбе, подставленной с другого конца холодильника.

Если продукт реакции — жидкость, то можем ее перегнать в том же приборе и тем самым очистить, поскольку все жидкости имеют строго определенную температуру кипения. Ну а если продукт — твердое вещество? Тогда его после отгонки растворителя лучше всего перекристаллизовать.

В чем суть очистки перекристаллизацией? Каждое вещество растворяется в жидкости не безгранично, Существует какой-то предел, после которого жидкость уже не способна "принять" в себя новую порцию вещества. Но если повысить температуру, то жидкость растворит еще добавочное количество вещества. Когда раствор остынет, этот излишек выделится в виде кристаллов. Но это будут уже кристаллы лишь одного вещества. А примеси останутся в растворе — их количество мало, в осадок они не выпадут.

Есть еще один способ очистки кристаллических веществ — возгонка, Но это только для легко летучих кристаллов. Вспомните иод или нафталин. Некоторые кристаллы для того, чтобы они возогнались, нужно нагреть в вакууме. Кстати о вакууме — многие жидкости кипят при атмосферном давлении лишь при таких высоких температурах, когда они начинают разлагаться. Перегонка в вакууме позволяет понизить температуру кипения и сохранить вещество.

В таком приборе обычно перегоняют жидкости

"Хроматография" означает "цветопись"

В 1903 г. русский ботаник М. С. Цвет сделал изобретение, которое много лет оставалось незамеченным, но затем приобрело такое значение, что сейчас невозможно представить себе, как бы химики работали, не будь этого открытия.

Изобретение называется хроматографией, что буквально означает "цветопись". Но название это происходит не от фамилии изобретателя. Поясним суть этого открытия.

Возьмем длинную стеклянную трубку, укрепим ее вертикально и заполним порошком оксида алюминия, смоченным какой-нибудь жидкостью, например бензолом. Теперь приготовим смесь двух веществ (назовем их А и Б). Пусть эти вещества будут по свойствам похожи друг на друга, но будут отличаться, например, размером молекул (Б больше А).?

Растворим нашу смесь в небольшом количестве бензола и нанесем ее сверху в трубку с оксидом алюминия (этот прибор называется хроматографической колонкой). Оба вещества осядут на зернах носителя — в нашем случае оксида алюминия, адсорбируются; но адсорбируемость у веществ А и Б будет различной. Это свойство молекул зависит от многих факторов: от способности образовывать связи с веществом носителя (например, водородные связи), от геометрии молекулы, от ее электрических, магнитных свойств. Конечно, адсорбируемость в наибольшей мере определяется наличием функциональных групп. Но если в двух молекулах содержатся одинаковые группы, то обычно чем крупнее молекула, тем она прочнее удерживается носителем. Это понятно — чем больше поверхность молекулы, тем большей площадью она соприкасается с носителем, тем сильнее ее взаимодействие с оксидом алюминия. И, кроме того, заметим: чем больше молекула, тем труднее ее "смыть" с зерна носителя.

Добавим теперь сверху в колонку растворитель бензол. Он потечет между зернами оксида алюминия вниз, увлекая за собой молекулы веществ А и Б. Но перемещаться вместе с растворителем молекулы А и Б будут по-разному; вещество А — легко, а молекулы Б — гораздо труднее. Результат — полоса вещества Б движется позже полосы вещества А. Хроматография позволяет разделить вещества, которые другими способами разделить подчас не удается.

Конечно, очень удобно, когда вещества окрашены (Цвет впервые применил хроматографию для разделения зеленых хлорофиллов). Поэтому, например, метод широко применяется в химии ферроцена, все производные которого ярко окрашены. Но все сказанное относится и к неокрашенным веществам. Здесь, конечно, сложнее увидеть полосы или пятна, но некоторые соединения светятся под действием ультрафиолетовых лучей. Или наоборот — светится носитель, а места колонки, где "сидят" полосы веществ, кажутся темными.

Хроматографию можно проводить даже на обычной фильтровальной бумаге. В данном случае носителем будет обычная клетчатка. Очень широко применяется этот вид хроматографии для идентификации отдельных аминокислот в природных смесях. При этом растворитель пропускают несколько раз в различных направлениях. Полученную хроматограмму потом проявляют, опрыскивая специальным раствором.

Здесь условно показан принцип хроматографического разделения веществ. Большие белые кружки -это зерна оксида алюминия, мелкие черные кружочки — маленькие молекулы вещества А, заштрихованные кружки -более крупные молекулы вещества Б

Мы остановились только на одном способе хроматографического разделения, когда разделяемые вещества отличаются друг от друга способностью сорбироваться твердым носителем. Возможны и другие принципы разделения, например, основанные на различиях в растворимости, прочности связей, образуемых разделяемыми веществами и некоторыми носителями, например, ионообменными смолами. Важная ветвь хроматографии — гель-фильтрация — основана на том, что раствор, содержащий вещества различной молекулярной массы, пропускают через колонку с пористыми зернами геля. При этом крупные молекулы, не умещающиеся в порах, проходят свободно между зерен, а мелкие задерживаются гелем, Именно так проводят разделение и очистку белков.

Даже если вещества по своей способности связываться с носителем различаются очень незначительно, увеличивая длину колонки и варьируя растворители (элюенты), можно добиться исключительно высокого разрешения-. Внедрение хроматографических методов в химическую практику создало совершенно новую ситуацию. Раньше синтез считался неудачным;, когда в результате эксперимента получалось' несколько веществ, скажем, более трех-четырех, так что выход каждого из них не превышал 20-30% и возникали иногда непреодолимые трудности при разделении и идентификации продуктов: теперь и десяток компонентов в смеси — не беда. Все они могут быть разделены, очищены и идентифицированы. Более того, разделяя смесь, мы узнаем относительный выход различных продуктов, что чисто позволяет судить о механизме химических превращений, природе отдельных стадий и промежуточных продуктов.

Охарактеризовать вещество

Мы получили чистое вещество. Пусть это красивые красные кристаллы или прозрачная бесцветная жидкость. Но ведь известны тысячи веществ, образующих красные кристаллы, и еще больше бесцветных жидкостей. Как доказать, что мы получили то же вещество, что и описано в методике, по которой мы его получаем?

Существует несколько способов, которые позволяют охарактеризовать вещество. У любого твердого, кристаллического вещества есть одно свойства, которое отличает его от всех других твердых веществ температура плавления. Например, мета-динитробензол плавится при 90°, а пара-динитробензол при 174 °С.

Но ведь температуры плавления двух (или даже нескольких) веществ могут оказаться почти одинаковыми. К примеру, температуры плавления бензил 2-нафтилкетона, 2-бензилгидроксинафталина, мета-ацетилфенола, пара-аминоацетофенона, бензотриазола, 1,2,4-триаминобензола (какие разные вещества!)] находятся в интервале 99-100°С. В таких случаях помогает так называемый метод смешанной пробы. Температура плавления вещества, как мы знаем, сильно зависит от степени его чистоты. Любые примеси — немного другого вещества, просто влага или пыль — понижают температуру плавления на несколько градусов.

Представим, что мы имеем неизвестное вещество, но подозреваем, что это за соединение, или же выделили из реакционной смеси продукт и хотим убедиться, что это именно тот продукт, который мы и хотели получить. В таком случае помещаем в маленькие капилляры порошки трех веществ: полученного нами, заведомо известного вещества и их смесь. Теперь, нагревая одновременно все три капилляра, определяем температуру плавления наших образцов. Возможны такие варианты: все три образца плавятся при разных температурах (значит, мы имеем два разных вещества с разными температурами плавления), образцы чистых соединений плавятся при одной температуре, а смесь — при более низкой (следовательно, имеем два разных вещества, температуры плавления которых случайно совпали), и, наконец, все три образца расплавились одновременно (мы имеем одно и то же соединение).

Жидкости идентифицируют по температурам кипения, показателю преломления, плотности, а также по численным величинам, показывающим, как быстро движется вещество по хроматографической колонке (с данным носителем и данным растворителем).

Но все эти методы используют для идентификации вещества, уже описанного в научной литературе,- или же для того, чтобы охарактеризовать впервые полученное вещество, дать его "словесный портрет". С их помощью нельзя установить формулу нового соединения, "увидеть" его структуру. Тут нужны иные методы; о некоторых из них, без которых, пожалуй, сегодня не обойдется ни одна химическая лаборатория, мы расскажем в следующей главе.

Впрочем, эти методы, заимствованные химиками из физических наук, могут применяться не только для установления структуры молекулы. Посмотрите на рисунки на стр. 146 и 147, Разве нельзя использовать спектры поглощения различных соединений в качестве их "отпечатков пальцев", по которым можно "узнать" вещество?