Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Реакционная способность и внутренняя динамика молекул органических соединений

Голосов: 0

Показаны возможности и достижения современных спектральных методов регистрации быстрых движений атомов и атомных групп в связи с реакционной способностью молекул. Отмечена высокая эффективность нового направления исследований - моделирования обычных межмолекулярных, в том числе важных биохимических реакций внутримолекулярными перегруппировками простых таутомерных систем.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                                  REACTIVITY                    РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ
                              AND INTERNAL
                              DYNAMICS OF ORGANIC           И ВНУТРЕННЯЯ ДИНАМИКА
                              COMPOUNDS                     МОЛЕКУЛ ОРГАНИЧЕСКИХ
                              MOLECULES
                              L. P. OLEKHNOVICH
                                                            СОЕДИНЕНИЙ
                                                            г. и. йгЦпзйЗау
                              Potentialities and achieve-
                                                            кУТЪУ‚ТНЛИ „УТЫ‰‡ ТЪ‚ВММ˚И ЫМЛ‚В ТЛЪВЪ, кУТЪУ‚-М‡-СУМЫ
                              ments of modern spectral
                              methods at the study of
                              rapid atom’s and atomic              ЗЗЦСЦзаЦ. ейгЦдмгькзДь СазДеадД

                              groups movements in                     Успехи химии в удовлетворении потребностей
                                                                   общества зависят от наших способностей управлять
                              connection with reactivity
                                                                   химическими превращениями. Эффективность та-
                              of the organic molecules             кого управления определяется уровнем знаний о
                              are enlightened. High effi-          строении и свойствах молекул, а в конечном счете
                                                                   уровнем нашего понимания химической реакцион-
                              ciency of new direction of
                                                                   ной способности. Сегодня это понимание углубляет-
                              investigation – modelling            ся и расширяется с удивительной быстротой благо-
                              of common intermolecu-               даря появлению новых мощных экспериментальных
                                                                   методов, а также совершенствованию вычислитель-
                              lar (including biochemi-
                                                                   ной техники, необходимой для теоретического мо-
                              cal) reactions by means of           делирования строения и превращений веществ. Хи-
                              intramolecular rearrange-            мическую реакцию на молекулярном уровне можно
                                                                   представить как перегруппировку конкретного на-
                              ments of simple tauto-
                                                                   бора атомов от исходного пространственного их
                              meric systems deriva-                взаимного расположения к конечному расположе-
                              tives – is shown.                    нию. Раздел химической науки, который занимается
                                                                   изучением перегруппировок, называют молекуляр-
                                                                   ной динамикой. Молекулярная динамика предусма-
                              иУН‡Б‡М˚ ‚УБПУКМУТЪЛ                 тривает изучение молекулярной структуры, то есть
                              Л ‰УТЪЛКВМЛfl ТУ‚ ВПВМ-               наиболее предпочтительных вариантов межатом-
                                                                   ных расстояний и общей формы (конфигурации,
                              М˚ı ТФВНЪ ‡О¸М˚ı ПВЪУ-               конформации) молекул реагентов и продуктов;
                              ‰У‚ В„ЛТЪ ‡ˆЛЛ ·˚ТЪ-                 энергетических соотношений – уровней энергии,
                               ˚ı ‰‚ЛКВМЛИ ‡ЪУПУ‚ Л                соответствующих предпочтительным вариантам
                                                                   строения реагентов и продуктов; переходных состо-
                              ‡ЪУПМ˚ı „ ЫФФ ‚ Т‚flБЛ Т              яний – характеристик строения в промежуточных
                               В‡НˆЛУММУИ ТФУТУ·МУТ-               состояниях реагентов; энергетических барьеров,
                              Ъ¸˛ ПУОВНЫО. йЪПВ˜ВМ‡                отделяющих реагенты от продуктов и определяю-
                                                                   щих химическую кинетику, то есть скорости проте-
                              ‚˚ТУН‡fl ˝ЩЩВНЪЛ‚МУТЪ¸                кания изучаемых превращений, реакций.
                              МУ‚У„У М‡Ф ‡‚ОВМЛfl ЛТ-                  Теория строения молекул, их превращений ос-
                              ТОВ‰У‚‡МЛИ – ПУ‰ВОЛ У-               нована на квантовомеханическом описании. Соот-
                              ‚‡МЛfl У·˚˜М˚ı ПВКПУ-                 ветствующий математический аппарат разработан
                                                                   Э. Шрёдингером и В. Гейзенбергом в 20-е годы
     © йОВıМУ‚Л˜ г.и., 1998




                              ОВНЫОfl М˚ı, ‚ ЪУП ˜ЛТОВ              нашего столетия. Хотя с тех пор прошло уже око-
                              ‚‡КМ˚ı ·ЛУıЛПЛ˜ВТНЛı                 ло 70 лет, использовать большую часть возможнос-
                               В‡НˆЛИ ‚МЫЪ ЛПУОВНЫ-                тей квантовой механики в химии до сих пор не уда-
                                                                   валось, поскольку математические задачи, которые
                              Оfl М˚ПЛ     ФВ В„ ЫФФЛ-              нужно было для этого решить, слишком трудны. В
                               У‚Н‡ПЛ Ф УТЪ˚ı Ъ‡ЫЪУ-               то же время экспериментальная органическая хи-
                              ПВ М˚ı ТЛТЪВП.                       мия развивалась чрезвычайно быстро. Об этом
                                                                   красноречиво свидетельствует тот факт, что к на-
                                                                   стоящему времени синтезировано более 107 новых


40                                                                     лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹1, 1998


соединений, причем 95% из них после 1965 года [1].     (10−14 с = 10 фемтосекундам). В диапазоне 0,1 пс
Кроме того, наши знания о скоростях химических         точность настройки частоты излучения составляет
реакций были ограничены, так как некоторые их          около 50 см−1. Это ограничение задается фундамен-
стадии протекают слишком быстро и не могли на-         тальным принципом неопределенности Гейзенберга
блюдаться.                                             [2] (уменьшение длительности импульса понижает
   Теперь началась новая эра. Теория химического       точность настройки частоты и наоборот), но оно все
строения, опирающаяся на мощные современные            же позволяет химикам изучать реакции в таком вре-
компьютеры, вышла из стадии эмпирического мо-          менном диапазоне, который короче времени жизни
делирования. Появились и новые эксперименталь-         возможных промежуточных состояний молекул.
ные методы, которые позволяют наблюдать за раз-
                                                           Поглощение кванта видимого или ультрафиоле-
витием химических превращений во времени. В
                                                       тового света сообщает молекуле энергию, которая
последующие десятилетия мы станем свидетелями
                                                       достаточна для изменения распределения электрон-
столь же значительных успехов в понимании реак-
ционной способности органических соединений,           ной плотности, ослабления тех или иных химичес-
какие достигнуты в понимании молекулярного стро-       ких связей и для перехода к новым геометрическим
ения в предшествующие 30 лет.                          конфигурациям, которые труднодостижимы в реак-
                                                       циях, осуществляемых при термическом воздейст-
                                                       вии. Молекула может избавиться от избыточной
ЕхлнкхЦ икйсЦллх З ейгЦдмгДп                           энергии, введенной в нее поглощенным светом, ис-
а щдлиЦкаеЦзнДгъзДь нЦпзадД                            пуская свет, длина волны которого обычно отлича-
ап кЦЙалнкДсаа                                         ется от длины волны поглощенного света. Если та-
   Химическая реакция начинается со смешивания         кое испускание происходит быстро, то оно носит
реагентов и заканчивается образованием конечных        название флуоресценции. “Быстро” означает, что с
продуктов. Между этими событиями может прохо-          момента поглощения до момента излучения прохо-
дить несколько последовательных стадий, в том          дит от микросекунды до пикосекунды. Голубой свет
числе и таких, которые протекают чрезвычайно быс-      бунзеновской газовой горелки и красочная картина
тро. Чтобы полностью описать реакцию, необходимо       северного сияния – это примеры флуоресценции.
иметь отчетливое представление о ее промежуточ-        Если же высвечивание протекает медленнее, то его
ных (элементарных) стадиях, в частности необходи-      называют фосфоресценцией. “Медленно” означа-
мо определение всех (или важнейших, ключевых)          ет, что испускание от поглощения отделяют милли-
промежуточных состояний исходной молекулы              секунды, секунды или даже минуты. Примеры фос-
(молекул) и структурных перестроек, которые реа-       форесценции – свечение циферблатов некоторых
лизуются на пути от начального к конечному ре-         типов часов в темноте и продолжающееся некото-
зультату реакции.                                      рое время свечение экрана телевизора после его вы-
                                                       ключения.
    Полтора-два десятилетия назад можно было
проследить только за такими промежуточными мо-            Известно, в чем главная причина различия этих
лекулами, время жизни которых достигало по край-       явлений. Два электрона, участвующие в образова-
ней мере одной миллионной доли секунды. Много-         нии химической связи, должны в соответствии с
численные интересные исследования, выполненные         принципом Паули иметь противоположные на-
в этом временном интервале, лишь разожгли любо-        правления собственных магнитных моментов (спи-
пытство химиков, поскольку стало ясно, что суще-       нов). Но поскольку вместе со светом поглощается
ствует целый мир процессов, протекающих слиш-          достаточно большая энергия, взаимная ориентация
ком быстро, чтобы их можно было наблюдать при          электронных спинов уже не лимитируется принци-
таких интервалах измерений. Наиболее ясно это          пом Паули. Как и раньше, они могут остаться ори-
проявилось при изучении природы горения, то есть       ентированными противоположно друг другу, по-
быстрого окисления химических соединений – са-         добно двум магнитам, поля которых компенсируют
мого важного из известных типов химических ре-         друг друга. Такое состояние называется синглетным
акций, составляющих основу работы двигателей           или синглетом. Электронные спины могут стать и
внутреннего сгорания, реактивных двигателей со-        параллельными друг другу, так что их магнитные
временных самолетов и космических ракет.               поля складываются и усиливают друг друга. Такое
    Лазерные источники излучения, разработанные        состояние называется триплетным или просто
в последние десятилетия, обладают уникальной           триплетом. Флуоресценция наблюдается при испус-
способностью испускать настолько короткие свето-       кании света молекулами, находящимися в синглет-
вые вспышки (импульсы), что открывается возмож-        ном возбужденном состоянии. Для фосфоресцен-
ность изучать химические процессы, протекающие         ции, напротив, необходим переход из синглетного
за время от одной миллионной доли секунды вплоть       состояния в триплетное или наоборот. Именно не-
до пикосекунды (1 пс = 10−12 с). Более того, удается   обходимость изменить ориентацию электронного
получать импульсы длительностью всего 0,01 пс          спина сильно задерживает фосфоресценцию.


йгЦпзйЗау г.и. кЦДдсайззДь лийлйЕзйлнъ а ЗзмнкЦззьь СазДеадД ейгЦдмг йкЙДзауЦлдап лйЦСазЦзав                41


         Имея импульсные лазеры и тщательно устанав-                                   почки. При n = 4 смещение энергии и возбуждение
     ливая длину волны излучаемого ими света можно                                     колебаний хвоста происходят за время от 2 до 100 пс,
     получать строго определенные возбужденные состо-                                  тогда как при n = 2, то есть в этилбензоле, процесс
     яния молекул, а затем измерять время испускаемой                                  замедляется в тысячу раз – он требует 100 нс или бо-
     ими флуоресценции или фосфоресценции. Прово-                                      лее. Таким образом, результаты находятся в прямом
     дя спектральный анализ можно выяснить, насколь-                                   противоречии с наивным предположением о том,
     ко быстро и в каком направлении добавочная энер-                                  что время перемещения колебательной энергии в
     гия растекается по молекуле.                                                      хвост молекул алкилбензолов пропорционально
                                                                                       длине алкильной их части.
        Хороший пример представляют данные, полу-
     ченные недавно для алкилбензолов C6H5(CH2)nCH3 ,                                      Чтобы изучать динамику переноса энергии в мо-
     где n изменяется от 1 до 6. Молекула алкилбензола                                 лекулах, необязательно посредством импульсного
     по форме напоминает головастика, и n определяет                                   лазера возбуждать колебания их частей. Можно,
     длину его хвоста (схема 1). Возбуждение посредст-                                 смешивая два газообразных реагента (А и В), полу-
     вом лазера с перестраиваемой длиной волны позво-                                  чать продукты (С и D) в определенных колебатель-
     ляет ввести заранее определенное количество энер-                                 ных состояниях, задавая энергосодержание каждо-
     гии в бензольный конец “холодной” молекулы, то                                    го из реагентов. Такой тип экспериментов называют
     есть в голову головастика. Спектральная картина                                   исследованием энергетических состояний продук-
     обратного излучения этой энергии отражает состо-                                  тов реакции. Например, в результате реакции ато-
     яние колебательного возбуждения в момент излу-                                    марного водорода с молекулярным хлором в газо-
     чения. А поскольку процесс излучения зависит от                                   вой фазе образуются хлороводород и атомарный
     времени, то можно проследить за перемещением                                      хлор: H + Cl2      H–Cl + Cl + hν, которые излуча-
     энергии возбуждения из места ее первоначальной                                    ют инфракрасный свет. Анализ спектра излучения
     локализации на остальную часть молекулы (схема 1).                                показывает, что выделяющаяся при реакции энергия
     При отсутствии столкновений такой процесс назы-                                   распределена между продуктами не статистически.
     вается внутримолекулярным перераспределением                                      Значительная ее часть (39%) первоначально являет-
     колебательной энергии.                                                            ся колебательной энергией HCl. Эти исследования
         Свет, излученный в первые пикосекунды, пока-                                  привели к созданию химических лазеров, которые
     зывает, что энергия возбуждения все еще находится                                 отличаются от обычных тем, что они превращают в
     в бензольном ядре, где и произошло ее первоначаль-                                когерентное излучение не энергию внешнего элект-
     ное поглощение. Временной интервал, по истече-                                    рического, светового источника, а энергию экзотер-
     нии которого колебательное возбуждение достигает                                  мической реакции в самой генерирующей излуче-
     алкильного хвоста, зависит от длины алкильной це-                                 ние среде. Были разработаны десятки химических
                                                                                       лазеров, в том числе два достаточно мощных для
                                                                                       применения в целях инициирования термоядерно-
                                                                                       го синтеза (иодный лазер) или в военных целях (во-
                                                                                       дородно-фторидный лазер).
                                                                                   *
                            *   Внутримолекулярный                                        В химии синтетических и природных органиче-
                                  перенос энергии                                      ских соединений важнейшими задачами являются
                                                                                       установление связей выделенной из природного
                                                                                       объекта или полученной искусственно молекуляр-
                                  Флуоресценция                                        ной структуры с ее основными физическими, хими-
                                кольца      хвоста                                     ческими свойствами, выявление областей полезно-
                                                                                       го их использования и налаживание масштабного
                                                                                       синтеза ценных веществ.
                                                                                           Синтез требует изобретательной стратегии, твор-
                                        *                                              ческого развития его приемов и методов. Всего не-
        “Горячее” кольцо,
        “холодный” хвост




                                                                                       сколько десятков лет назад стратегия синтеза осно-
                                                              “Холодное” кольцо,
                                                                “горячий” хвост




                                                                                       вывалась на разумном выборе реакций из числа уже
                                                                                       известных. Подобно ходам в шахматной партии,
                                         “Холодное” кольцо,
                                          “холодный” хвост




                                                                                       порядок осуществления реакций определялся зара-
                                                                                       нее. Но с развитием наших представлений о меха-
                                                                                       низмах реакций, в рамках которых реакции класси-
                                                                                       фицируются в соответствии с типами механизмов,
                                                                                       стало возможным изобретать новые условия синте-
                                                                                       за. Хорошим примером является одна из стадий
                                                                                       синтеза алкавинона, применяемого для получения
                                                                                       некоторых ценных лекарственных препаратов (схе-
                                     Схема 1                                           ма 2). Известно, что, повышая давление, можно


42                                                                                        лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹1, 1998


сместить равновесие в сторону образования продук-                        жину (хорошая механическая аналогия молекулы –
тов с особенно компактной структурой. Иногда при                         несколько шариков, то есть атомов, скрепленных
этом можно изменить и активационный барьер и                             пружинами). Отскочившая пружина обладает энер-
тем самым избирательно ускорить нужный процесс.                          гией, распределенной по разным типам движений.
   При давлении 15 000 атм и комнатной темпера-                          Во-первых, она перемещается в пространстве, ста-
туре бензохинон взаимодействует с метиловым                              ло быть, обладает запасом хорошо известной ки-
эфиром бутадиенкарбоновой кислоты только оп-                             нетической энергии, называемой трансляционной
ределенной конфигурации и образует требуемый                             энергией (энергией поступательного движения). Во-
бициклический сложный эфир – предшественник                              вторых, пружина переворачивается и вращается в
алкавинона. Этот способ позволяет полностью ис-                          пространстве. Это также форма кинетической энер-
ключить образование нежелательных побочных                               гии – вращательная энергия. Наконец, пружина из-
продуктов другого строения, которые всегда сопут-                        гибается, растягивается и сжимается. Это колеба-
ствуют основным продуктам, если для осуществле-                          тельная энергия, она складывается из кинетической
ния реакции вместо высокого давления применяют                           и потенциальной энергии. Распределение энергии в
высокую температуру.                                                     молекуле аналогично. И независимо от того, гово-
                                                                         рим ли мы о молекулах или пружинах, поступатель-
                                                                         ные, вращательные и колебательные движения (в
паеаь лЦгЦднаЗзй ЗйбЕмЬСЦззхп                                            молекулах сжатия–растяжения связей между ато-
дйгЦЕДнЦгъзхп лйлнйьзав                                                  мами) называются соответствующими степенями
    Как правило, две молекулы реагируют друг с                           свободы. Полная энергия в столкновении – это
другом в результате соударения и может произойти                         сумма всех форм энергии для обеих молекул.
такая перегруппировка их атомов, что образуются                             Химики давно стремятся выяснить, насколько
новые молекулы. Однако столкновение завершает-                           важно для начала реакции, как распределена энер-
ся реакцией лишь в том случае, если молекулы име-                        гия при столкновении по степеням свободы. Если
ют некоторый минимум энергии, достаточный для                            вся энергия запасена в поступательном движении,
разрыва отдельных связей в реагентах, чтобы могли                        то молекулы находятся вблизи друг друга короткое
образоваться новые связи. Этот минимум, называе-                         время, которого может быть недостаточно для нача-
мый энергией активации, и определяет скорость                            ла реакции. Если же при столкновении основная
реакции. Именно наличием минимума требуемой                              доля энергии приходится на колебательные состоя-
энергии объясняется сильное влияние температуры                          ния, то молекулы медленнее движутся относитель-
на скорости реакций.                                                     но друг друга, но те связи, которые должны разо-
    Но вопрос о том, произойдет ли реакция при                           рваться, могут сильно колебаться. Так что же
любом столкновении молекул, более сложен. Для                            больше способствует протеканию реакции?
ответа на него недостаточно знать, имеется ли необ-                         С помощью мощного и точно настраиваемого по
ходимый запас энергии. Результат зависит также и                         частоте лазера можно возбудить одну определенную
от того, в какой форме находится энергия в сталки-                       степень свободы для многих молекул в образце
вающихся молекулах. Чтобы понять это, рассмот-                           большого объема. В этой ситуации молекулы могут
рим, что произойдет, если мы бросим в стену пру-                         реагировать так, как если бы эта степень свободы

                                O             CH3
                                              O            C
                                                    C                                      Реакция
                                          +                                  15 000 атм
                                                   O                                        не идет!

                                O

                        O       O
                            C       CH3                              O       O                                       O
              O
                                                                 O       C       CH3                        O    C
                            C
                                              15 000 атм                                  Zn(BH 4 ) 2
                    +
                                                  20 ° C


                                                                 O                                          O
              O                                                                                         H
                                                                                                            Алкавинон

                                                               Схема 2



йгЦпзйЗау г.и. кЦДдсайззДь лийлйЕзйлнъ а ЗзмнкЦззьь СазДеадД ейгЦдмг йкЙДзауЦлдап лйЦСазЦзав                                 43


     находилась при очень высокой температуре, в то                 H         H                    H
     время как все другие оставались бы “холодными”,                                          D
                                                                                  D
     то есть невозбужденными. Изучение поведения та-           D
                                                                        ν4                              ν8          D
     ких молекул может показать, насколько важно для                                                         H
     реакции возбуждение этой конкретной степени
     свободы. Такие исследования называют химией се-        Квантовый
                                                               выход
     лективно возбужденных колебательных состояний.        0,0015                                                     H         D
        Оказалось, однако, что, добившись возбужде-                                    ν4 + ν8                 ν3
     ния выбранных колебательных состояний в моле-
     кулах, тем не менее нелегко провести реакции в                                                                   D         H
     этих состояниях. Дело в том, что перераспределе-      0,0010
     ние энергии от одних колебательных состояний к
     другим быстро происходит внутри молекулы и без
     столкновений (вспомним о рассмотренных выше                                                                        H       D
     алкилбензолах). Поэтому важными задачами моле-        0,0005
                                                                                                 ν3 + ν10      ν 10
     кулярной динамики являются определение времен
     перераспределения колебательной энергии, подбор                                                                    D       H
     условий и проведение таких реакций, которые спо-                        1600   1800    2000
     собны осуществляться за меньшие промежутки,                             Энергия фотонов, см–1
     чем времена жизни селективно возбужденных коле-
     бательных состояний.                                  H             D                                               D          F
         Уже получены доказательства того, что при                                               hν                     H
                                                                               + F2   10 K, в твердом аргоне
     сильном охлаждении смеси инертного газа с вы-                                                                                      D
     бранными молекулами возможны реакции в селек-         D             H                                                  F       H
     тивновозбужденных состояниях. В таких условиях
     температура столь низка (10 K), что реагирующие                                      Схема 3
     молекулы либо “заморожены” на кристаллах инерт-
     ного газа (аргона), либо иммобилизованы в нем.        ние). На схеме 4 показаны традиционные примеры
     Они как бы заторможены в состоянии длительного        таутомерных превращений.
     холодного столкновения – поступательные и вра-
     щательные движения отсутствуют. Например, фтор           В отличие от кето-енольной таутомерии (мигра-
     (F2) и этилен (C2H4) не реагируют в твердой аргоно-   ции атома водорода между углеродным и кислород-
     вой матрице при 10 K до тех пор, пока не будет воз-   ным атомами) перемещения протона (прототро-
     буждено одно из колебательных состояний этилена       пия) между атомами кислорода в енол-енольных
     с помощью лазера, настроенного точно в резонанс с     превращениях (схема 4) чрезвычайно быстры. За
     выбранным колебанием. При этом, как установле-        секунду атом водорода успевает 1011–13 раз перемес-
     но, самым продуктивным является возбуждение то-       титься от одного атома кислорода к другому и об-
     го колебания, которое искажает молекулярную пла-      ратно. Такая скорость перемещений или частота
     нарность.                                             разрыва–образования соответствующих связей
                                                           сравнима с частотами их колебаний (вспомним о
         На схеме 3 можно видеть, что из двух наиболее
                                                           рассмотренной выше аналогии межатомных связей
     удобных для реакции колебаний (ν4 + ν8) во втором
                                                           и пружин). Регистрировать столь быстрые обрати-
     (ν8) геометрия возбужденного этилена практически
                                                           мые реакции стало возможным лишь недавно, когда
     совпадает с равновесной конформацией продукта –
                                                           были разработаны методы фото- и рентгеноэлек-
     1,2-дифторэтана.
                                                           тронной спектроскопии (ФЭС, РЭС) [3, 4], осно-
                                                           ванные на выбивании квантами коротковолнового
     ЗзмнкаейгЦдмгькзхЦ иЦкЦЙкмииакйЗда –                  ультрафиолетового или рентгеновского излучения
     щооЦднаЗзхв азлнкмеЦзн Сгь абмуЦзаь                   электронов из внутренних, ближайших к ядрам ор-
     дазЦнада а еЦпДзабейЗ кЦДдсав                         биталей (1s, 2s) одинаковых атомов, находящихся в
                                                           разных валентных состояниях. Временнуе разреше-
        В последние десятилетия развито направление        ние методов ФЭС и РЭС – 10−15 с, поэтому в соответ-
     исследования кинетики и механизмов реакций,           ствующих спектрах наблюдаются разные сигналы,
     которое основывается на изучении молекулярных         например от атомов O гидроксильной и карбониль-
     перегруппировок, впервые обнаруженных нашим           ной групп енола 1,3-дикетона и родственных моле-
     соотечественником А.М. Бутлеровым в 70-х годах        кул (трополона, гидроксифеналенона, схема 4).
     XIX века и названных им обратимой структурной (ди-
     намической) изомерией молекул. Позднее (80-е годы        Что будет, если мигрирующий протон в таких
     XIX века) К. Лаар предложил термин “таутомерия”       молекулах заменить на другие атомы или атомные
     (от греч. ταυτο – тот же самый и ёεροσ – измере-      группировки? Очевидно, и в этих случаях возможно


44                                                                 лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹1, 1998


                                                      H
                             O                                 O
                                                                                          (M)                           (M)
           R1                C               R1                C
                    C                R   2
                                                      C            R   2                   H                             H
                                                                                      O         O                   O         O
                H                а                          б
                        H                             H

                        Кето-енольная таутометрия                              R1                        R3   R1                  R3
                                                                                                а                             б
                                                                                          R2                            R2
                    H                                              H
                                                                                              Енол-енольная таутометрия
                    N                Z                N            Z
            R                X               R                 X
                    а                                 б

                        X = C– 1 , N; Z = O, S, N– R 2
                              R
                        Амино-иминная таутометрия
                                                                                               (M)                  (M)
                    (M)                                   (M)                                   H                    H
                     H                                     H                              O          O             O    O

                    O        O                        O        O

           R1                        R3      R1                    R3

                                                                                                     а         б
                                 а                б
                        R2                                R2

                                                                           Схема 4


обратимое перемещение нового мигранта (М). Так,                                     ратимая внутримолекулярная перегруппировка.
если заменить подвижный атом водорода остатком                                      Факторы концентрации растворов, кислотности и
карбоновой кислоты – ацилом [М = C(O)R], то его                                     основности, вязкости растворителя, сольватации и
перемещения между кислородными центрами ана-                                        десольватации, скоростей диффузии и подвержен-
логичны обычным реакциям переэтерификации, а                                        ные неконтролируемым случайностям множест-
в биохимии – важнейшим процессам трансаци-                                          венные варианты взаимной ориентации реагентов,
лирования, то есть транспорта ацильных групп:                                       столь важные для протекания и столь затрудняю-
R1O–C(O)R + HOR2        R2OC(O)R + R1OH. Отли-                                      щие изучение межмолекулярных реакций, практи-
чия между этими превращениями следующие: 1) в                                       чески несущественны в аналогичных внутримоле-
еноле дикетона ацил перемещается внутри одной и                                     кулярных процессах. В последних решающую роль
той же молекулы, а в последней реакции – между                                      играют внутренние параметры строения молекул,
разными молекулами ROH; 2) для осуществления                                        валентные состояния и реакционная способность
внутримолекулярной миграции не требуется ника-                                      участвующих в перегруппировке атомных центров.
кой предварительной инициации (катализа, специ-                                     Эти параметры путем синтеза выбранных серий со-
ального возбуждения колебательных состояний),                                       единений можно направленно изменять, они легко
тогда как в последней реакции обязателен кислот-                                    поддаются количественным оценкам в растворах и
ный или ферментный катализ. Таким образом, мы                                       кристаллах с помощью наиболее мощных совре-
приходим к идее [5] моделирования во внутримо-                                      менных методов исследования – спектроскопии
лекулярном варианте выбранной для изучения                                          ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и рентгено-
конкретной межмолекулярной реакции или целого                                       структурного анализа [3, 4].
набора родственных по типу органических и био-
химических реакций.                                                                    При этом весьма полезна также симметрия
                                                                                    строения таутомерных систем (см. на схеме 4 кетое-
   Это моделирование базируется на рассмотрен-                                      нолы с R1 = R3), которая автоматически обеспечивает
ных выше принципах молекулярной динамики.                                           равную заселенность (Pа≡Pб) структурных изомеров,
Оно обеспечивается отбором (направленный синтез,                                    следовательно, обратимость внутримолекулярной
дизайн) [6] таутомерных (схема 4) молекул подходя-                                  перегруппировки. Действительно, межмолекуляр-
щего строения и замещающих подвижный протон                                         ные реакции, примеры которых рассмотрены вы-
атомных групп-мигрантов (М) такой реакционной                                       ше, вслед за смешением, инициацией (возбуждени-
способности, чтобы моделируемый межмолекуляр-                                       ем) реагентов начинаются и заканчиваются. Но
ный процесс мог осуществляться как быстрая и об-                                    внутримолекулярные перегруппировки вследствие


йгЦпзйЗау г.и. кЦДдсайззДь лийлйЕзйлнъ а ЗзмнкЦззьь СазДеадД ейгЦдмг йкЙДзауЦлдап лйЦСазЦзав                                              45


     симметрии строения модельной молекулы и реак-                  вовлекаются реагенты и субстраты, а эти полости ус-
     ционной способности мигрирующей группы (М)                     троены таким образом, что вовлеченные реагенты
     осуществляются непрерывно, равновероятно в обе                 ориентируются относительно друг друга в наиболее
     стороны, то есть реакция самовозобновляется и в                эффективной геометрии для быстрого осуществле-
     обычных условиях протекает перманентно, всегда.                ния требуемой реакции. Выявление таких ориента-
     По существу здесь достигается тот идеал, о котором             ций в макромолекулярных фермент-субстратных
     почти полтора столетия назад мечтал сподвижник                 комплексах – сложная задача. Она требует весьма
     А.М. Бутлерова по классической теории строения –               трудоемких усилий по выделению из природных
     французский химик Шарль Жерар: “Специальная                    объектов конкретных фермент-субстратных ком-
     цель химии – схватить тела в момент перехода, ког-             плексов, их очистки, кристаллизации, чтобы стало
     да они перестают быть самими собой и преобразо-                возможным определение особенностей их строения
     вываются в другие... Собственно химия – в мета-                с помощью рентгеноструктурного анализа.
     морфозах!” [7]. Именно во внутримолекулярных
                                                                       Моделирование реакций переэтерификации,
     перегруппировках      симметричных     модельных
                                                                    трансацилирования на простых таутомерных систе-
     структур непрерывно возобновляются те промежу-
                                                                    мах во внутримолекулярном варианте (схема 5) дает
     точные состояния, которые лишь однажды возни-
                                                                    возможность легко определять их скорости с помо-
     кают в необратимых реакциях. Следовательно, они
                                                                    щью метода динамического ЯМР. Установлено, что
     становятся более доступными для непосредствен-
                                                                    кинетика N,N'- и O,O'-ацилотропных перегруппи-
     ного изучения. Зеркальная симметрия исходного
                                                                    ровок определяется геометрией реактивного узла, а
     (а) и конечного (б ) состояний перегруппировки а
                                                                    последняя четко зависит от его звенности – числа
          б предопределяет также симметрию промежу-
                                                                    атомов, образующих цикл в промежуточных состоя-
     точных состояний, что упрощает выбор реального
                                                                    ниях перемещений, например ацетильных мигран-
     механизма изучаемого процесса среди мыслимых
                                                                    тов [6].
     альтернативных вариантов.
                                                                       Сравнение моделей показывает, что при отсут-
                                                                    ствии каких-либо внешних влияний типа катализа,
     ейСЦгакйЗДзаЦ дазЦнада                                         инициации лишь переход от 4-звенного узла ами-
     оЦкеЦзнДнаЗзйЙй нкДзлДсагакйЗДзаь                              динов к 5-звенному узлу трополонов ускоряет
     а еЦпДзабеД кЦДдсаа змдгЦйоагъзйЙй                             трансацилирование на 12 порядков! Строение та-
     ДкйеДнауЦлдйЙй бДеЦфЦзаь
                                                                    ких моделей допускает весьма ограниченный набор
                                                                    крутильных движений ацильного мигранта и других
         Природа бросает вызов квалификации химиков-
                                                                    атомных групп по связям C–N, C–O, C–C, а следо-
     исследователей и технологов тем, что осуществляе-
                                                                    вательно, и вариантов взаимной ориентации ато-
     мые ими реакции идут в сравнимых условиях на 6–
                                                                    мов, участвующих в процессе трансацилирования.
     14 порядков медленнее [7], чем аналогичные биохи-
                                                                    Наиболее эффективные геометрии легко выявля-
     мические процессы, контролируемые ферментами
                                                                    ются и поддаются строгой количественной оценке.
     в клетках живых организмов. Известно, что биоката-
     лизаторы-ферменты являются сложными белковы-                      Ряд O-арилпроизводных трополона (схема 6),
     ми макромолекулами, в активные полости которых                 детальные особенности строения, конфигурации и

                                                                                                     R        O−

                                                                                                    O          O
                                                           RO                                            6
            O                                                                                            +
        R                                                 C
                             R       O
            C 3                                                                                R1                  R3
                                 C                       O 5        O
            N     N                                                                                      R2
                                 N4        N        R1                  R3
                           R1                  R3                                     O                                     R
      R1              R3                                                                   R                            O
                                      R2
                R2                                                                O        O   а                   б    O        O
                                                               R3
                                                                             R1                R3                  R1                R3

                                                                                      R2                                    R2

        Ацетилпиразол           Ацетиламидин         Ацетилтрополон                             Ацетоацетилацетон
            ∼10−10                 3 Ч 10−6              2 Ч 106                               4 Ч 101 kаб, c− 1 (25° C)


                                                          Схема 5



46                                                                       лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹1, 1998


конформации которых были определены методом                    ния длин соответствующих связей приводят ключе-
рентгеноструктурного анализа [9], демонстрирует,               вой атом субстрата (ацила, арила…) в состояние
что варьированием числа, размера и электронной                 связывания с реагентом (O, N…) и осуществляется
природы заместителей (H, CH3 , NO2) вблизи реак-               перегруппировка, аналогичная межмолекулярной
тивного узла достигается фиксация в кристаллах от-             реакции. Подчеркнем еще раз, что это происходит
дельных моментов O,O'-миграции арила.                          при отсутствии какого-либо дополнительного внеш-
                                                               него воздействия, но с очень высокой скоростью
    В этом ряду моделей видно, что разрыв и образо-            при обычных температурах (25°C, см. схемы 5, 6 в
вание C–O(O')-связей при внутримолекулярном                    сравнении со схемами в первых двух разделах ста-
переносе арила, аналогичном межмолекулярным                    тьи). Можно полагать, что подобные условия обес-
реакциям ароматического нуклеофильного замеще-                 печиваются пептидными фрагментами и в актив-
ния (в биохимии трансарилирования), не является                ных полостях ферментов-трансфераз.
единственным определяющим актом. На данном
пути (см. r, d (A) на схеме 6) имеется промежуток
(1, 2, 3 ), когда в результате поворотов фенильного            бДдгыуЦзаЦ
кольца по связям С–О осуществляются сближение
углеродного центра мигранта и его притяжение к                    Конечно, за рамками этого краткого обзора ос-
карбонильному кислороду, то есть настройка реак-
                                                               тается много других, не менее интересных проблем,
тивного узла для актов (4–5 ) собственно миграции
                                                               методов и достижений молекулярной динамики.
арила. Очевидно, такие детали трансарилирования
                                                               Автор надеется, что представленные здесь материа-
имеют место и в растворах молекул 1–5, при пол-
                                                               лы дадут читателю представление о том, что внут-
ных циклах O,O' “перескоков” нитроарилов. Эти
                                                               ренняя жизнь молекул органических соединений
структуры дают представление о множественности
                                                               далеко не статична. Напротив, и в растворах, и в га-
отдельных событий на коротком пути перемещения
                                                               зообразном состоянии все их межатомные характе-
мигранта. Добавляя с правой стороны от симмет-
                                                               ристики подвержены постоянным и весьма быст-
ричного промежуточного цвиттериона 5 зеркаль-
                                                               рым переменам, среди которых случаются и
ные отражения структур 1–4, получаем наглядную
                                                               кардинальные – химические реакции, перегруппи-
картину молекулярной динамики в этой и родст-
венных реакциях, подобную кадрам мультфильма.                  ровки. Последние наиболее легко осуществимы
                                                               тогда, когда они сопрягаются с характерными для
   Можно сделать вывод, что самим строением мо-                строения конкретных молекул внутренними движе-
делей на схемах 5 и 6 задается соседство субстрата             ниями: колебаниями связей, вращениями атомных
(мигранта–ацила, арила…) и реагента (атомов                    групп. В таких случаях перестройки молекул – это
O,N... таутомерных систем), то есть они находятся в            продолжения на большие расстояния подходящих
состоянии как бы непрерывного столкновения.                    естественных движений атомов, реориентаций
При этом другие атомы и атомные группы, имею-                  атомных групп. А вообще говоря, статичными мо-
щиеся рядом, выполняют роль настройки и под-                   лекулы выглядят лишь в изображениях их структур-
держки оптимального взаиморасположения, мак-                   ных, графических формул на плоских листах бумаги
симального сближения (схемы 5, 6). В таких                     или при реализациях трехмерных приближений их
условиях лишь незначительные тепловые колеба-                  строения в виде шаростержневых моделей.

                                                                                                                 NO2
                                                NO2                                             NO2
                                                                                                                 −
                                                         O2N            NO2                 −
              O2N         O     O                                                                        O2N           NO2
                                                                 O d    O
                                    O2N          NO2                                O2N           NO2          O d O
                                                                        r
                                          O d    O       H3C                  CH3         Od      O+               r
                                                                                                        H3C            CH3
                                                 r                                                r              +
                                                                                    H3C

                                                                   CH3
                                                                                                                 CH3
                         1                 2                       3                …       4                    5
Скорость, с−1 (25°С)   <10−10             >108                   >108                       …                    …
О,О'-миграции
d (A)                    …                2,56                   2,42               …      1,51                 1,47
r (A)                   1,19              1,21                   1,23               …      1,29                 1,34


                                                       Схема 6



йгЦпзйЗау г.и. кЦДдсайззДь лийлйЕзйлнъ а ЗзмнкЦззьь СазДеадД ейгЦдмг йкЙДзауЦлдап лйЦСазЦзав                                 47


     ганЦкДнмкД                                                   9. Олехнович Л.П., Фурманова Н.Г., Бударина З.Н. и др.
                                                                  // Журн. орган. химии. 1982. Т. 18, № 3. С. 465–484.
       1. Зефиров Н.С. О тенденциях развития современной
       органической химии // Соросовский Образователь-
       ный Журнал. 1996. № 7. С. 33.
                                                                                        * * *
       2. Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М.: На-
       ука, 1988. Гл. I, II.
       3. Пиментел Дж., Кунрод Дж. Возможности химии се-          Лев Петрович Олехнович, доктор химических
       годня и завтра. М.: Мир, 1992.                          наук, профессор, зав. кафедрой химии природных
       4. Методы исследования быстрых реакций / Ред. Г. Хем-   и высокомолекулярных соединений Ростовского
       мис М.: Мир, 1977.                                      государственного университета, зав. лабораторией
       5. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем –
       искусство и наука. М.: Мир, 1978. Гл. 1, 2.             внутренней динамики молекул химфака и НИИ фи-
       6. Минкин В.И., Олехнович Л.П., Жданов Ю.А. Молеку-     зической и органической химии РГУ, член-коррес-
       лярный дизайн таутомерных систем. Ростов-на-Дону:       пондент Российской академии естественных наук.
       Изд-во РГУ, 1977. Гл. 2, 3.                             Область научных интересов: органический синтез,
       7. Жерар Ш. Введение к изучению химии по унитар-
       ной системе. СПб., 1859. С. 4, 5.
                                                               кинетика и механизмы молекулярных перегруппи-
       8. Дюга Г., Пенни К. Биоорганическая химия. М.: Мир,    ровок, стереохимия, стереодинамика. Соавтор двух
       1984. Гл. IV, V.                                        монографий и более 370 научных статей.




48                                                                лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹1, 1998



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика