Текст книги "Карнавал молекул. Химия необычная и забавная"

Диалог с атомом

Спорить умеют многие,

мало кто умеет просто беседовать.

АМОС БРОНСОН ОЛКОТТ

Смысл любого исследования – задавать вопросы природе, и если они поставлены удачно, то природа, скорее всего, сумеет по достоинству оценить проявленный к ней интерес. Такой диалог всегда имеет продолжение: завершенное исследование заканчивается не только готовыми результатами, но и появлением новых вопросов, что делает сам процесс исследования еще более увлекательным. Прежде чем начать беседу с атомом, проведем небольшую разминку.

Кирпич весит полкирпича плюс 1 кг. Сколько весит кирпич (естественно, в килограммах)? Большинство отвечает сразу, не задумываясь: 1,5 кг, проверьте это на своих знакомых. Ответ неправильный, а решить задачу без ошибки проще всего зрительно. Поставьте мысленно на одну чашку весов кирпич, а на другую – полкирпича и гирю в 1 кг (как по условию задачи). Теперь так же мысленно уберите гирю. Что надо поставить вместо нее, чтобы весы остались в равновесии?

Разумеется, еще полкирпича (рис. 3.21).

Такая замена нас убедит, что полкирпича имеет ту же массу, что и килограммовая гиря. Если полкирпича весит 1 кг, то целый кирпич – 2 кг.

Основой промышленного синтеза громадного числа органического соединений, а также базой для производства полимеров служит главный сырьевой источник – нефть, не менее значим также природный газ, использование которого для процессов органического синтеза предпочтительнее, но пока менее развито. Третий широко известный источник углерода – каменный уголь.

К сожалению, следует признать, что природа заготовила для нас запасы углерода не в самом удобном виде. Известно, что чем инертнее вещество, тем оно лучше сохраняется, и именно потому существуют большие запасы нефти в земной коре. Нефть почти на 80 % состоит из насыщенных углеводородов – парафинов (в их названии содержится указание на химическую инертность: parum affinis – лишенный сродства) и нафтенов (циклических углеводородов).

Возможно, некоторые полагают, что нефть и газ не такие уж инертные вещества, они же очень легко сгорают. Этот процесс полезен с точки зрения энергетика, но химик считает, что сжигание – это разрушение, а не созидание полезных веществ.

Если мы хотим использовать нефть и газ как сырье для синтеза, то должны научиться превращать исходные углеводороды в соединения с реакционноспособными группами. Для этого необходимо уметь разрывать связи С – Н и С – С (рис. 3.22).

На сегодня существуют достаточно хорошо разработанные методы таких превращений, однако большинство из них, такие, например, как крекинг (разрыв связи С – С) или галогенирование (разрыв связи С – Н), очень энергоемки и неселективны (неизбирательны), они дают широкий набор различных продуктов.

Итак, существует потребность в деликатной и селективной переработке углеводородов в различные полезные продукты. Решить проблему может катализ, который в химии сравним с современными хирургическими инструментами в медицине. Речь идет не о скальпеле, а скорее об эндохирургических методах, позволяющих проводить операцию, не вскрывая брюшную полость, а подводя инструмент к нужному месту по кровеносным сосудам.

Исследования прежних лет показали, что каталитическое расщепление связи С – Н можно осуществить в присутствии комплексов благородных металлов, и потому до определенного момента ученые полагали, что справляться со столь трудной задачей могут только соединения подобных металлов (родий, рутений, платина).

Интенсивные исследования комплексов переходных металлов косвенно указывали на то, что в первую очередь интересны в этом отношении элементы IV группы Ti, Zr и Hf, однако их каталитическая активность должна проявиться только в том случае, если они находятся в низкой степени окисления (ниже четырех). Основная трудность состоит в том, что в низких степенях окисления эти металлы крайне нестабильны. Опыт работы с благородными металлами в этом случае использовать не удастся, поскольку у элементов IV группы химия несколько иная.

Конструирование нужной молекулы – процесс увлекательный, требующий знаний, воображения и настойчивости. Познакомимся с тем, как решал поставленную задачу профессор Д.А. Леменовский (рис. 3.24), работающий на химическом факультете МГУ.

Вначале были получены циклические лиганды С₅Н₅, содержащие нужные хелатные «хвосты», на концах которых расположены O, N, S, или P, они должны координировать центральный атом металла и тем самым защитить его. Получение таких молекул было результатом заранее тщательно продуманных трех– или четырехстадийных синтезов.

В качестве каталитического центра был выбран цирконий, поскольку в этом случае можно было ожидать более высокую активность, что, впрочем, не означает, что исследования Ti и Hf менее интересны. Присоединение лиганда к атому металла традиционное – взаимодействием литийпроизводного цикла С₅Н₅ с галогенидом металла ZrCl₄. При замещении одного атома Cl у Zr происходит образование полусэндвича (однослойный бутерброд), а при замещении следующего – полный сэндвич (двухслойный бутерброд) (рис. 3.25).

Именно такая простая реакция приводит к сэндвичевым соединениям, где атом металла связан не с конкретным углеродным атомом в лиганде, а со всем циклом сразу; в данном случае все определяет химическая природа лиганда. Обратите внимание, циклопентадиенильные циклы расположены у атома циркония не параллельно, они приоткрывают металл «с одного бока», приглашая к цирконию хелатные группы или иные реагенты.

Поскольку речь идет о новых соединениях, то невозможно заранее угадать, насколько плотно следует укрывать атом Zr, чтобы защитить его от возможного окисления, вполне вероятно, что одной хелатирующей группы будет вполне достаточно, а потому следовало запланировать различные варианты. Можно, например, синтезировать полусэндвич с одним C₅H₅-циклом, а из полусэндвича можно также получить «полные» сэндвичи, причем с одной или двумя хелатирующими ветвями (рис. 3.26).

Далее в рисунках будем обозначать метильные группы у циклического лиганда упрощенно, в виде валентных черточек (не указывая символ Ме).

«Примерив» разнообразное облачение, цирконий обнаружил особенности своего характера. В полностью завершенных сэндвичах (с двумя циклическими лигандами) цирконий чувствовал себя вполне комфортно и не проявлял интереса к хелатирующим группам, двух присоединенных атомов хлора ему было вполне достаточно.

Пройденный этап – это половина работы: получены соединения с хелатной защитой, но пока атом циркония не надо защищать, поскольку он находится в своей «любимой» степени окисления Zr⁴⁺. Впереди более интересный этап – восстановление полученных комплексов, т. е. превращение Zr⁴⁺ в Zr²⁺, для этого у него необходимо забрать два атома Cl. Именно Zr²⁺ будет, как ожидается, очень активным и сможет разрывать различные связи. Восстановление проводили амальгамой магния (сплав Mg и Hg), этот реагент легко забирает атомы Cl от Zr⁴⁺, превращая его в Zr²⁺. Забегая вперед, можем сказать, что цирконий полностью оправдал проявленный к нему интерес, а в некоторых случаях сумел удивить.

Одно свойство циркония проявилось сразу: образующийся при восстановлении Zr²⁺ крайне неустойчив, стремится перейти в исходное состояние Zr⁴⁺ и использует для этого все, что находится рядом, т. е. в первую очередь расположенные рядом группы Chel.

В том случае, когда Chel = ОМе, цирконий отрывает метильную группу от атома кислорода и присоединяет ее к себе, как и наполовину освободившийся атом кислорода, т. е. заполняет те пустые места, на которых ранее находились атомы Cl (рис. 3.27).

В тех случаях, когда Chel = SМе, цирконий присоединяет два атома серы и делает все крайне энергично. На это указывает одно обстоятельство: две освободившиеся метильные группы, взаимодействуя с амальгамой магния, образуют реактив Гриньяра MeMgCl как побочный продукт реакции (указан под стрелкой). Можно себе представить, сколь энергетически выгодно присоединение к цирконию двух атомов серы, если при этом дополнительно образуется исключительно реакционное вещество – реактив Гриньяра (рис. 3.28).

В том случае, когда Chel = NМе₂, цирконий демонстрирует иное поведение: он не отрывает метильную группу от азота, а разрывает связь С – Н именно в этой метильной группе (рис. 3.29).

Это уже достаточно близко к поставленной цели, но все же метильная группа у азота не аналогична той же группе в углеводородах.

Наиболее интересные превращения можно наблюдать при восстановлении комплексов, где Chel = РМе₂. Цирконий не стал привлекать для взаимодействия метильные группы, связанные с фосфором, а использовал другую метильную группу, ту, что находится рядом – в обрамлении циклопентадиенильного цикла. В данном случае произошел разрыв «настоящей» связи С – Н.

Интересно, что здесь хелатная группа работает по прямому назначению: не участвует в реакциях с цирконием, а только прикрывает его, заполняя координационную сферу металла (координационная связь обозначена пунктирной стрелкой на рис. 3.30).

Все рассмотренные превращения показывают, что комплексы Zr²⁺ неустойчивы и переходят в соединения Zr⁴⁺, реагируя с теми группами, которые ему услужливо протягивают «клешни», или привлекая метильные группы СН₃ у цикла.

Тем не менее уберечь от взаимодействия Zr²⁺ все же возможно, когда атом циркония ничего не присоединяет к себе, а лишь подтягивает хелатные группы. Это удалось реализовать, когда для восстановления было взято соединение не с одной, а с двумя «клешнями», содержащими РМе₂. Степень окисления циркония в исходном и конечном соединении указана римскими цифрами, стоящими у символа Zr (рис. 3.31).

Теперь поведение восстановленного циркония в общих чертах понятно. Действительно, как следует из всего рассмотренного выше, единственная метильная группа в хелате, которую цирконий «не трогает», – та, что связана с фосфором.

Итак, цирконий вполне успешно начинает вторгаться в область, где уверенно лидировали благородные металлы, и при этом он демонстрирует большие возможности: восстановленные комплексы циркония могут разрывать связи O – C, S – C, C – H. В этом весьма представительном наборе не хватает, пожалуй, только связи С – С, но можно полагать, что будут найдены способы решить и эту проблему. Обратите внимание, как своеобразно поставил эксперимент автор работы. Он «протягивал» атому циркония различные группы и наблюдал, что он с ними делает, причем все происходило в пределах одной молекулы. Это напоминает кормление аквариумной рыбки, когда владелец хочет выяснить, какую пищу она предпочитает.

Далее следует научиться проводить превращения не с группами, входящими в состав комплекса (не внутримолекулярно), а с реагентами, приближающимися к комплексу извне (рис. 3.32).

Как это часто бывает, полученные результаты сами формулируют новые задачи, что вносит некоторый азарт в исследование и делает его интереснее.

Каталитические этюды

Просто не хочется верить,

что целое не знакомо

со своими частностями.

Е. ЛЕЦ

Современное учение о катализе представляет собой гигантское живописное полотно, на котором с большого расстояния можно различить два частично пересекающихся сюжета. Первый рассматривает процессы, с помощью которых химики стремятся научиться делать то, что давно умела делать природа. Речь идет в первую очередь о синтезе разнообразных органических веществ, получаемых живыми организмами буквально из земли, воды и воздуха. Не пытаясь в точности воспроизвести природу, наши великолепные предшественники достигли многого, особенно при получении лекарственных веществ и различных биологически активных препаратов.

Теперь мы переходим ко второму сюжету упомянутой картины. Он охватывает те процессы, которые природа делать не умеет, скорее всего, за ненадобностью: например, ни в органическом, ни в минеральном мире мы не встречаем процессов хлорирования, нитрования, полимеризации и т. п. Однако реакции такого типа крайне необходимы для получения многих продуктов, без которых современная цивилизация обойтись не может. О нескольких небольших зарисовках, дополняющих эту часть большой картины, далее пойдет речь.

Модифицированием свойств натурального каучука химики занялись довольно давно. Один из самых удачных результатов был получен, когда в молекуле изопрена H₂C=CH – C(CH₃)=CH₂ (мономер, из которого образуется натуральный каучук) метильную группу заменили хлором H₂C=CH – C(Cl)=CH₂, получив хлоропрен (рис. 3.33).

Полимерный хлоропрен, называемый обычно хлоропреновым каучуком, исключительно устойчив к действию бензина и масел. Получают хлоропрен по следующей цепочке процессов: вначале галогенируют бутадиен (углеводород с двумя двойными связями), при этом одна из двойных связей раскрывается, присоединяя два атома хлора, в результате возникают два продукта: а) симметричный, у которого атомы хлора расположены на концевых атомах углерода, и б) несимметричный, когда атомы хлора находятся у соседних атомов углерода (рис. 3.34).

Симметричный продукт для получения хлоропренового каучука не годится, нужен только несимметричный. От него отщепляют HCl действием щелочи, при этом возникает новая двойная связь – образуется хлоропрен, который затем полимеризуют с получением хлоропренового каучука (рис. 3.35).

На всех стадиях, кроме самой первой, выход составляет 95–98 %, узкое место – первая стадия (результат галогенирования), поскольку несимметричный продукт, необходимый для дальнейших превращений, образуется в количестве почти вдвое меньшем, чем симметричный. В связи с этим в технологическую цепочку включают еще одну стадию, которая позволяет симметричное соединение перевести в несимметричное. Фактически это изомеризация, но провести ее можно только в присутствии катализатора, потому процесс и называют каталитической изомеризацией. Процесс обратимый, что обозначено сдвоенными стрелками. Таким образом, 100 %-ное превращение осуществить невозможно, система дойдет до равновесия, и образуется смесь обоих соединений, что уже неплохо, так как часть нужного продукта мы все же получим (рис. 3.36).

Катализатор не может сдвинуть равновесие: если в его присутствии увеличивается скорость прямой реакции, то соответственно возрастает скорость и обратного процесса. Таким образом, задача катализатора – ускорить обе реакции одновременно, т. е. сократить время, необходимое для достижения равновесия. Далее задача решается чисто технически: после того как равновесие достигнуто, из реакционной массы отгоняют несимметричный продукт, а в оставшейся реакционной смеси вновь восстанавливается его равновесная концентрация. Чем быстрее с помощью катализатора достигается равновесие, тем лучше работает катализатор и, следовательно, тем эффективнее процесс.

Применяемые для этого катализаторы – нафтенат меди либо ее галогенид – малоэффективны и довольно быстро теряют активность. В поисках новых катализаторов ученые обратились к металлоорганосилоксанам – соединениям, содержащим группировки – RSi – O-M – О – RSi – O–. Они привлекательны тем, что позволяют вводить в их структуру различные атомы металлов, плавно регулируя атомное соотношение M/Si, кроме того, они растворимы в большинстве органических растворителей, что увеличивает диапазон их использования.

Металлоорганосилоксаны, содержащие фрагменты – SiR – O – M–, в роли катализаторов ранее не изучались в процессах такого типа, но они оправдали возлагаемые на них надежды: конверсия (степень превращения) симметричного продукта в несимметричный (в течение 1 часа) составила 72 %, что почти в четыре раза выше, чем на использованных прежде катализаторах.

Наиболее заметное отличие нового катализатора от изученных прежде – исключительно высокая стабильность каталитических свойств: многократное использование такого катализатора (6–10 раз) не приводит к заметному снижению его активности.

Хлорсодержащие углеводороды служат исходными соединениями при получении самых разнообразных органических веществ, в связи с чем галогенирование входит в круг многотоннажных процессов органического синтеза, однако такие процессы экологически неблагоприятны из-за использования элементарного хлора.

Существуют иные пути получения хлоруглеводородов: например, обменное галогенирование CCl₄ с алканами, когда алкан «забирает» хлор у хлорсодержащего соединения (рис. 3.37).

Взаимодействие пары реагентов декан С₁₀Н₁₂ – четыреххлористый углерод CCl₄ катализируют различные комплексы меди, однако в процессе работы они быстро теряют активность. Медьсодержащий силоксан по каталитической активности заметно уступает комплексам меди (в 4–5 раз), но превосходит по стабильности каталитических свойств, его активность практически не снижается после пятикратного использования, в то время как эталонный катализатор полностью теряет работоспособность в течение одного цикла.

Подробное изучение процесса показало, что увеличение содержания катализатора не приводит к существенному возрастанию конверсии (превращение исходного соединения в конечный продукт). То же самое наблюдали в другом похожем процессе.

В процессе обменного галогенирования хлор присоединяется к любому из атомов углерода в декане, в результате образуется смесь монохлорированных соединений (не затрагиваются практически лишь концевые СН₃-группы). Такая низкая селективность (избирательность) обычно не удовлетворяет химиков, частично проблему можно решить, изменив строение исходного реагента. Если вместо алкана взять алкен (углеводород с двойной связью), то положение двойной связи само укажет то место, куда должен присоединиться Cl и, соответственно, фрагмент CCl₃. Это было проверено с использованием октена C₆Н₁₃CН=CH₂ (рис. 3.38).

Так же, как в предыдущих двух процессах, катализатор сохранял стабильность каталитических свойств при многократном использовании. Интересно, что вновь подтвердилось отмечавшееся явление: максимальная активность катализатора (определяемая как степень превращения, приходящаяся на один каталитический центр) наблюдается только при очень малом его содержании.

Явно прослеживалась закономерность, с которой необходимо было разобраться. Это нельзя было объяснить тем, что часть каталитических центров находилась в глубинных слоях катализатора и была недоступна для процесса. Объяснение получили при изучении особенностей строения самого катализатора, о чем речь пойдет ниже.

То, что заметная часть атомов меди оказывается «выключенной» из каталитического процесса, удалось объяснить с помощью магнитных измерений и спектральных исследований исходных металлоорганосилоксанов. Выяснилось, что значительная часть атомов металла связана в межцепные координационные кластеры. Металл стремится заполнить свою координационную сферу, привлекая атомы кислорода соседних фрагментов – Si – O – M– (координационные взаимодействия показаны пунктирными линиями на рис. 3.39).

В результате атом Cu оказывается координационно-насыщенным и его взаимодействие с реагентом CCl₄ затруднено. Как предотвратить образование межцепных кластеров? Можно, например, «укрыть» металл каким-либо лигандом, что, безусловно, затормозит межцепную координацию, но не поможет решить основную задачу – лиганд в свою очередь затруднит приближение реагента. Все же решение удалось найти, когда привлекли к участию органическую группу, связанную с кремнием. Жесткая и малоподвижная фенильная группа, обрамляющая кремний в исследованных металлоорганосилоксанах, не может препятствовать координационному взаимодействию атомов меди в соседних цепях. Если заменить фенильную группу Ph нонильной C₉H₁₉, то ситуация меняется (сетчатая поверхность на рис. 3.40 условно обозначает так называемые ван-дер-ваальсовы радиусы – ту часть пространства, которую реально занимает фрагмент молекулы).

Объемистая алифатическая группа эффективно препятствует координационному взаимодействию атомов меди в соседних цепях, «окутывая» металлические центры, но в реакционной среде она обладает подвижностью и не препятствует приближению реагента ССl₄ к каталитическому центру. Таким образом, четыреххлористый углерод может отодвинуть нонильную группу и приблизиться к каталитическому центру, но этого не может сделать атом меди в соседней цепи.

Результаты экспериментов оказались весьма убедительными: при каталитическом присоединении CCl₄ к октену-1 активность медьсилоксанов, обрамленных нонильными группами, оказалась вдвое выше, чем у медьфенилсилоксанов.

Автор работ, о которых здесь было рассказано, – профессор В.В Смирнов (рис. 3.41), работавший на химическом факультет МГУ. Он любил повторять: «Найти катализатор – половина дела. Не менее важно научиться им управлять».

То живописное полотно, о котором мы говорили в самом начале этой главы, постоянно расширяется и дополняется, что не мешает нам смотреть с интересом на всю картину в целом, а также всматриваться в ее отдельные фрагменты, наблюдая за тем, как развивается замечательная область химии, именуемая катализом.