Расцвет химии тиофена

 

Если бы все люди думали одинаково,
никто не играл бы на скачках.
Марк Твен

Судьба некоторых молекул необычна: яркое, эффектное появление, затем следует долгое прозябание, иногда даже полное забвение, и потом возникает неожиданный расцвет. Далее речь пойдет о давно известном соединении – тиофене.

Конфуз привел к открытию

Немецкий химик А.Байер, заложивший основы химии красителей, в 1905 г. был удостоен за свои работы Нобелевской премии. К наиболее ярким его достижениям можно отнести то, что он установил строение природного красителя индиго и затем сумел синтезировать это соединение. Один из результатов работы Байера, далеко не самый известный, имел неожиданное продолжение. Изучая в 1879 г. строение индиго, он получил продукт его окисления – изатин, который, как оказалось, обладал интересным свойством – при смешивании с бензолом в присутствии серной кислоты изатин давал интенсивное синее окрашивание. В результате это соединение стали использовать как очень удобный реагент для качественного обнаружения бензола. В определенном смысле это было заблуждением, которое продолжалось сравнительно недолго. В 1882 г. другой немецкий химик – В.Мейер – во время чтения лекции решил показать студентам этот эффектный опыт, позволяющий обнаружить бензол с помощью цветной качественной реакции, однако у него под руками не оказалось бензола. Не растерявшись, Мейер решил на глазах у студентов вначале получить бензол, а затем подтвердить его наличие, подействовав изатином. Бензол он получил, нагревая бензойную кислоту (рис. 1, см. с. 2).

Добавив к свежеполученному бензолу серную кислоту и изатин, он с изумлением убедился, что никакого окрашивания нет. Можно себе представить последовавшее за этим веселое оживление студентов, увидевших такой неудачный результат. Тем не менее, Мейер сумел сделать из этого наблюдения очень интересный и, как оказалось, абсолютно правильный вывод. То, что он получил из бензойной кислоты именно бензол, сомнения не вызывало. Более того, бензол, полученный таким образом, был абсолютно чистый, а вот бензол, который обычно использовали химики для работы, был получен из каменноугольной смолы. Следовательно, как предположил Мейер, «каменноугольный» бензол содержит какую-то примесь, которая дает окрашивание с изатином. Мейер сумел выделить из каменноугольного бензола это соединение, которое он назвал тиофеном. Название (корень «фен») оказалось на редкость удачным, оно указывало на родство с фенильными соединениями, т.е. соединениями ряда бензола, спутником которого был тиофен; в дальнейшем оказалось, что у них есть более глубокое сходство.

Тиофен – это бесцветная жидкость с температурой кипения 84,2 °С, близкой к бензолу. В сыром бензоле, полученном из каменноугольной смолы, его содержится 1,3–1,4 %. Долгое время тиофен рассматривали как «загрязнитель» бензола, мешающий при проведении некоторых спектральных исследований и измерений молекулярных масс. Вполне естественно, что упомянутый ранее изатин стали использовать для обнаружения и фотометрического определения тиофена в бензоле.

Тиофен и ароматичность

Последующее изучение тиофена показало, что его объединяет с бензолом не только совместное присутствие, но и нечто большее, а именно комплекс свойств, обобщенно называемых ароматичностью. Кратко напомним, что означает это понятие. Термин «ароматичность» ввел Ф.А.Кекуле, установивший в 1865 г. строение бензола и предложивший для него циклическую формулу (рис. 2). Название «ароматический» связано с тем, что некоторые производные бензола – бензальдегид, бензиловый спирт, эфиры бензойной кислоты – были выделены из ароматических масел и бальзамов; кстати, нитробензол имеет запах миндаля. Кекуле обратил внимание на то, что двойные связи в бензоле и в его производных заметно отличаются по свойствам от двойных связей в большинстве ненасыщенных соединений. Для бензола оказались крайне затруднены реакции присоединения по двойным связям, которые в случае ненасыщенных соединений проходят легко.

Говоря иначе, бензол, в отличие от обычных ненасыщенных соединений, в процессе различных реакций старается сохранить свою циклическую форму с чередующимися простыми и двойными связями. Наиболее характерны для бензола реакции замещения атомов водорода, причем замена атома Н в его молекуле на какую-либо группу предсказуемым образом влияет на реакционную способность остальных атомов водорода.

Некоторое время ароматичностью считали набор указанных химических свойств, но постепенно были найдены более точные признаки, основанные на особенностях строения ароматических соединений. Электронное строение бензола и родственных ему соединений в современном понимании выглядит следующим образом. В образовании двойных связей участвуют р-электроны атомов углерода, орбитали (область наиболее вероятного расположения электрона в пространстве) этих электронов имеют форму объемных восьмерок. В случае бензола шесть р-орбиталей взаимоперекрываются, образуя кольцевые молекулярные -орбитали, на которых располагаются р-электроны молекулы (рис. 3).

В результате появляется единая замкнутая -электронная оболочка, система приобретает высокую стабильность. Фиксированные простые и двойные связи в бензоле отсутствуют, все связи С–С усреднены и эквивалентны, поэтому в настоящее время для обозначения ароматичности обычно используют кольцо, помещенное внутри цикла (рис. 4). Именно замкнутая электронная оболочка служит причиной того, что заместитель (например, метил или галоген), введенный вместо одного атома водорода, способен передать свое влияние на остальные атомы водорода и повлиять на их способность к последующему замещению.

Постепенно были сформулированы общие признаки ароматических соединений: это плоские циклические молекулы, при этом количество электронов, объединенных в единую циклическую систему, должно быть строго определенным. Немецкий химик Э.Хюккель в 1931 г. на основании квантово-химических расчетов вывел правило, указывающее, сколько электронов должно быть в циклической молекуле, чтобы она стала ароматической. В общем виде число электронов, удовлетворяющее правилу Хюккеля, рассчитывают по формуле х = 4n + 2 (где n – число натурального ряда: 0, 1, 2, 3 и т.д.). Таким образом, циклические молекулы, имеющие 2, 6 (бензол) или 10 электронов, обладают ароматичностью.

Со временем круг соединений, причисляемых к ароматическим, расширился. Этот термин оказался применимым также к соединениям, не содержащим бензольных колец, но обладающим в то же время набором структурных признаков, характерных для бензола, иными словами, это циклические структуры с чередующимися простыми и двойными связями. При этом они удовлетворяют правилу Хюккеля. Например, в некоторых соединениях, где в состав цикла помимо углерода входят атомы O, S или N (гетероциклические соединения), например в фуране, тиофене, пирроле так же, как в бензоле, существует устойчивая – в соответствии с правилом Хюккеля – шестиэлектронная замкнутая система. Оказалось, что неподеленная электронная пара у гетероатома (O, S, N) также способна участвовать в образовании замкнутой электронной системы (рис. 5). Четыре р-электрона (показаны на рисунке точками) предоставляют двойные связи цикла, а два р-электрона дают атомы кислорода, серы или азота (точки у соответствующего гетероатома), имеющие неподеленную пару электронов (рис. 5).

Если основные структурные признаки соблюдены (плоское кольцо и необходимое количество р-электронов), то появляются и соответствующие химические признаки ароматичности: молекула стабильна, реакции присоединения, разрушающие замкнутую электронную оболочку молекулы, затруднены, но зато легко протекают реакции замещения, замкнутая электронная система при этом сохраняется. Число атомов в цикле (5 – у гетероциклов, 6 – у бензола) в этом случае решающего значения не имеет.

Итак, «герой» нашего повествования – тиофен – пока никак не проявил себя особым образом, он оказался в ряду похожих соединений. Бензолу совместно с некоторыми членами «команды» гетероциклов удалось, например, показать свои способности при решении одной важной технической задачи – создании электропроводящих полимеров. Химия всегда умела ломать сложившиеся представления: оказалось, что полимеры, долгое время считавшиеся эталонными диэлектриками, можно превратить в проводники.

Ароматичность и электропроводность

Взаимоперекрывание р-орбиталей в бензольном кольце (см. рис. 3) приводит к тому, что электроны, находящиеся на этих орбиталях, создают кольцевой электрический ток, который может быть обнаружен с помощью магнитных измерений. Вполне естественно, что возникла идея использовать это явление для создания токопроводящих мостиков из подобных молекул, соединенных в цепочку. Замысел удалось реализовать, были созданы полимеры, цепи которых собраны из циклических ароматических молекул (рис. 6).

Правда, сами по себе эти полимеры тока не проводят, для того чтобы их сделать проводящими, необходима некая активация, цель которой – объединить циклы в единую электронную систему. Это удалось достичь различными методами. Например, если подействовать на полимер галогеном, то атом галогена, присоединяясь к фрагменту цепи полимера, образует комплекс. Известно, что атом галогена всегда стремится дополнить свою электронную оболочку до 8 электронов (правило октета), для этого он забирает электрон от полимера. В результате у полимерной молекулы появляется электрон без пары, т.е. она становится радикалом. Кроме того, поскольку исходная полимерная молекула была электронейтральна, то, потеряв один электрон, она приобретает положительный заряд и становится катионом (а галоген, естественно, – анионом). В итоге образуется молекула, представляющая собой и катион, и радикал одновременно. Такую частицу именуют катион-радикалом и обозначают точкой (неспаренный электрон) и знаком «плюс» (катион) (рис. 7). Подобные комплексы, при образовании которых заряд переходит с одного атома на другой, называют комплексами с переносом заряда.

По существу, это окислительно-восстановительная реакция, протекающая в пределах одного комплекса, полимерный фрагмент окисляется, а галоген восстанавливается. Окисление полимера можно проводить не только с помощью реагента (галогена), но также электрохимически.

В образовавшемся комплексе система простых и двойных связей перестраивается – возникает иной порядок их чередования, и электрон (обозначен точкой) получает возможность передвигаться вдоль цепи, что и обеспечивает электропроводность (рис. 8).

Электропроводность подобных полимеров почти такая же, как у металлической меди. В этой области политиофен сумел проявить свою индивидуальность. В сравнении с остальными проводящими полимерами он имеет ряд достоинств – достаточно стабилен и в течение долгого времени сохраняет проводящие свойства, кроме того, растворим, что позволяет формовать из него пленки и волокна. Это открыло путь к созданию на основе политиофена тонкопленочных электронных устройств, светодиодов, полупроводников, а также элементов для аккумуляторных и солнечных батарей.

Упомянем еще одну область, где тиофен оказался полезен. Он входит в состав некоторых лекарственных препаратов, например антибиотиков – цефалотина, цефалоридина. Однако все перечисленные «заслуги» тиофена пока нельзя отнести к эффектным достижениям, поскольку в той или иной степени подобных результатов сумели «достичь» и иные соединения. Для того чтобы какое-либо соединение стало заметным на фоне миллионов других, необходимы яркие научные результаты. Они часто возникают после того, как накопится обширный экспериментальный материал в результате поисков в самых разных направлениях. Тиофен сумел пройти этот трудный путь.

Начало расцвета

Достаточно хорошо разработанная химия тиофена позволила исследователям начать поиск необычных структур. Движущей силой этих исследований было не только желание получить принципиально новые конструкции, но и расширить диапазон электронных свойств производных тиофена.

На рис. 9 (cм. с. 6) представлена молекула сверхразветвленного олиготиофена. Это – дендример (т.е. древообразный), содержащий 30 тиофеновых циклов, после нанесения на поверхность слюды или графита молекула способна самоорганизовываться, образуя тонкие слои за счет межмолекулярных взаимодействий. Мастерство, проявленное при синтезе такого «дерева», не вызывает сомнений, однако принципиально новые свойства этого соединения пока только ожидаются.

Не меньшие надежды возлагают на политиофен, цепным молекулам которого придана дополнительная жесткость за счет невалентных взаимодействий (показаны пунктиром) между фрагментами –О–СН₂–СН₂–О– и атомами серы (рис. 10). Выпрямленная цепь облегчает перекрывание соседних р-орбиталей, что важно для обеспечения электропроводности, однако заметный эффект можно ожидать лишь при существенном увеличении длины цепи.

Часть исследователей пошла по иному пути: взамен разветвленных и линейных структур они сосредоточили внимание на синтезе циклических соединений, добившись при этом весьма эффектных (с точки зрения химиков-синтетиков) результатов. Рассмотрим схему образования цикла с восемью тиофеновыми звеньями (рис. 11). В качестве исходного было взято соединение, содержащее три тиофеновых цикла, соединенных в цепочку, на концах которой располагались ацетиленовые фрагменты. С помощью Pt-содержащего катализатора две исходных молекулы объединяются в цикл, при действии I₂ катализатор удаляется, а ацетиленовые фрагменты попарно соединяются. Последняя стадия – изящное превращение сдвоенных ацетиленовых фрагментов в тиофеновый цикл под действием сульфида натрия.

Методика оказалась достаточно универсальной: если в качестве исходного взять соединение, содержащее не 3, а 5, 7 или 8 тиофеновых заготовок, то получаются соответственно крупные циклические молекулы с 12, 16 или 18 тиофеновыми фрагментами. Такие соединения можно рассматривать как своеобразные аналоги широко известных краун-эфиров, содержащие вместо атомов О атомы S, причем размер цикла можно планировать в зависимости от размера молекулы, которая должна будет входить внутрь цикла.

От разобщенных циклов к спаянным

Во всех рассмотренных до этого момента соединениях тиофеновые циклы были соединены между собой простой связью С–С. Из общих соображений было понятно, что циклы тиофена могут быть спаяны, т.е. иметь два общих атома подобно тому, как соединены бензольные циклы в нафталине или антрацене:

Такие циклы обычно называют конденсированными. Наращивание цепочки из конденсированных тиофеновых циклов удалось осуществить по следующей схеме. В исходном соединении, содержащем три спаянных цикла и два атома Br (их присутствие необходимо для того, чтобы можно было проводить последующие превращения), один из атомов Br блокируют, точнее, заменяют группой i-Pr₃Si (Pr – пропил). Второй атом Br вместе с таким же атомом другой молекулы реагируют с оловосодержащим сульфидом (Bu₃Sn)₂S, образуя соединяющий сульфидный мостик. На последней стадии создают перемычку между вторым и третьим тиофеновыми циклами, т.е. отнимают два атома водорода от двух циклов действием бутиллития BuLi (рис. 12, см. с. 8).

Фактически получен фрагмент гипотетического полимера полидикарбосульфида, имеющего состав [C₂S]_n. Этот пока не созданный полимер считают многообещающим, поскольку предполагают появление в нем электропроводимости, к тому же он должен обладать повышенной устойчивостью к окислению и, благодаря этому, сохранять свойства проводника в течение долгого времени.

Если атомы серы «глядят» в одну сторону

Современные возможности синтетической органической химии таковы, что позволяют получить почти все, что может быть нарисовано на бумаге (при условии, что нарисовано грамотно). В молекуле рассмотренного карбосульфида атомы серы направлены вверх и вниз относительно вытянутой цепи. Можно ли прикладывать тиофеновые пятиугольники друг к другу так, чтобы атомы серы располагались по одну сторону от растущей молекулы? Простые геометрические соображения подсказывают, что в этом случае растущая цепь должна замыкаться в кольцо. К решению этой задачи приступил в 2004 г. профессор С.Райка с коллегами. Для этого было взято соединение, содержащее три тиофеновых фрагмента, расположенных нужным образом; атомы брома, как и в предыдущем примере, предназначены для того, чтобы соединять молекулы. Такое связывание осуществили с помощью бутиллития BuLi, забравшего по одному атому Br от каждой молекулы. Затем действием литийсодержащего амида i-Pr₂NLi в образовавшуюся молекулу ввели два атома Li, которые при взаимодействии с бис(фенилсульфонил)сульфидом (PhSO₂)₂S помогли сформировать сульфидный мостик. При этом появился новый тиофенильный фрагмент (рис. 13). В полученной молекуле присутствуют еще два атома Br, казалось бы, вполне пригодные для того, чтобы с их помощью полностью замкнуть цикл по той же методике, как это было сделано с первыми двумя атомами Br, однако это сделать не удается. Собранная из семи тиофеновых фрагментов лента стала закручиваться в спираль (отмечено на рис. 13 утолщенной линией), в результате атомы Br далеко отошли друг от друга. Это показано дополнительно на схематическом рисунке (справа внизу) с помощью спирально свернутого жгута (см. рис. 13).

Полученный результат авторы сочли весьма интересным и продолжили достраивать намечающуюся спираль. При этом они учли следующее обстоятельство: промежуточное соединение А (см. рис. 13), где два тиофеновых фрагмента связаны простой связью:

может быть расположено на плоскости, поскольку простая связь допускает поворот связанных с ней фрагментов. Когда же на месте этой связи оказывается сформированный тиофеновый фрагмент (соединение В, рис. 13), вся молекула немного стягивается, выходит из плоскости и начинает закручиваться в спираль. Это можно условно сравнить с известным приемом, используемым при пошиве одежды. Если на плоском куске ткани сделать вытачку – вырезать треугольный сектор, а затем сшить края разреза – то плоское изделие приобретает объем.

Именно идею таких заранее намеченных вытачек использовали авторы, создавая политиофеновую 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 рис. 14 простые связи между тиофеновыми циклами – места будущих «вытачек» – отмечены для наглядности черными кружками, а спиральная изогнутость полученных молекул подчеркнута утолщенными линиями. Поскольку получение таких спиралей воспроизводит последовательность операций, показанных на рис 13, то схемы синтеза приведены в сокращенном виде – вторая и третья стадия объединены (см. рис. 14, см. с. 10).

Подобные спиральные молекулы именуют гелиценами; они представляют особый интерес для химиков, т.к. обладают исключительно высокой оптической активностью, которую экспериментально обнаруживают по вращению плоскости поляризации проходящего света. Верхняя из показанных на рис. 14 спиралей вращает плоскость поляризации 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 конденсированных бензольных циклов (рис. 15, см. с. 10), впрочем, получение тиофеновых гелиценов безусловно можно отнести к своеобразному достижению органической химии.

Нельзя не отметить изобретательность и разнообразие методов, с помощью которых химики формировали тиофеновые циклы в составе молекулы: один из способов – сульфидирование двух связанных фрагментов ацетилена (см. рис. 11), другой способ предполагает создание вначале сульфидного звена с последующим замыканием в цикл простой связью (см. рис. 12). Возможен и обратный порядок: вначале создают простую связь, а затем формируют сульфидный фрагмент (см. рис.13, 14). 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 главная, задача пока не решена. На это указывает подпись под рис. 13.

Молекула-подсолнух

Химиков всегда привлекали молекулярные структуры, которые, в определенном смысле, возглавляли отдельное направление, символизируя целый класс соединений. Таких молекул, естественно, немного, и они хорошо известны. Это, например, бензол, ферроцен, карборан, фуллерен. Структуры этих соединений, во многом определивших развитие химии в ХХ в., показаны на рис. 16.

Их отличительные признаки: молекула стабильна, симметрична, сравнительно просто устроена, изящна и внешне привлекательна. Изображения молекул таких соединений появляются в качестве эмблем многих конференций. 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, изящество структуры – не основное качество. Стабильную высокосимметричную молекулу несравненно проще изучать современными методами, получая при этом 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.

Если вы еще раз посмотрите на рис. 13, то, скорее всего, догадаетесь, какое именно соединение могло бы достойно символизировать химию тиофена. Естественно, это замкнутый цикл из спаянных молекул тиофена. Получить такое соединение удалось в 2006 г. профессору В.Г.Ненайденко с сотрудниками (химфак МГУ).

Отличительная черта работы современного химика – сочетание техники эксперимента и квантово-химических вычислений. Современные компьютерные программы позволяют проводить многие такие вычисления химику-экспериментатору самостоятельно, за основу берут структурную формулу соединения. Вначале авторам предстояло решить вопрос, из какого количества тиофеновых молекул следует собирать кольцо. При этом заранее было ясно, что проще всего получить то соединение, которое наиболее устойчиво. Естественно, что наиболее устойчива молекула, энергетически более выгодная. Авторы провели предварительный расчет для циклов, содержащих от 5 до 12 тиофеновых фрагментов. Выяснилось, что наиболее энергетически выгодны циклы, содержащие 8 и 9 фрагментов. Оба эти цикла практически плоские, в отличие от них цикл из 7 фрагментов стянут в виде корзины, а десятифрагментный цикл приобретает извитость, т.е. десяти тиофенам в таком цикле «тесновато» (рис. 17, см. с. 12).

Проведенные расчеты указали авторам, что синтез следует начинать с 8-звенного цикла. Тактика синтеза была ими выбрана несколько иной, нежели в рассмотренных нами ранее работах по получению спиралей. Вместо того чтобы собирать молекулу из нескольких блоков, авторы решили сразу использовать заготовку, содержащую 8 углеродных атомов (внутренний цикл), а затем достроить внешний цикл, создавая в нужных местах тиофеновые фрагменты (см. рис. 17). На исходную заготовку, содержащую четыре тиофеновых цикла, подействовали литийсодержащим амидом i-Pr₂NLi точно так же, как это было сделано ранее для того, чтобы ввести атомы лития (см. рис. 13). При этом в реакционной смеси находилась также элементная сера. В результате получилось соединение, обрамленное полисульфидными фрагментами –S_nH. Следующее действие – обработка HCl, после чего последовала возгонка при 450–500 °С в вакууме, в итоге удаляется избыток серы (в виде H₂S и элементной серы) и образуется нужное соединение (рис. 18, см. с. 12). Итак, был реализован совершенно иной, не упоминавшийся ранее путь формирования тиофеновых циклов в молекуле. Конечный продукт представлял собой темно-красный порошок.

В результате получена эстетически совершенная структура органического соединения, брутто-формула которого поражает своей простотой – (C₂S)₈. Примечательно, что молекула этого органического вещества не содержит ни одного атома водорода, кроме того, оно не разлагается вплоть до 500 °С. Авторы предложили для нового соединения замечательное название. Поскольку форма молекулы напоминала цветок подсолнечника (англ. – sunflower), они назвали соединение несколько измененным английским словом-гибридом sulflower, объединив слова sulfur (сера) и flower (цветок). Итак, перед нами молекула-подсолнух, или сульфловер.

Окончание следует

М.М.ЛЕВИЦКИЙ,
Д.С.ПЕРЕКАЛИН