Химия ацетилена: новые открытия в русле классической школы

В центре внимания ученых Иркутского института химии имени А. Е. Фаворского (ИрИХ СО РАН) (г. Иркутск) - двойственная природа ацетиленов в присутствии супероснований. Меняя основность среды, реагенты и температуру реакции, химики показывают, что можно управлять свойствами ацетиленов. Специалисты усовершенствуют классические и открывают новые фундаментальные реакции ацетилена. Это вклад в понимание природы самоорганизации сложных молекул, что важно при создании инновационных продуктов

Исследовательский интерес к химии ацетилена вызван его высокой реакционной способностью и универсальностью как реагента, в связи с чем, он особенно востребован при получении веществ и материалов для медицины, сельского хозяйства и наукоемких производств. Ацетилен может быть легко получен при переработке нефти, природного газа, угля и является побочным продуктом производства этилена.  Следование традициям отечественной школы академика А.Е. Фаворского ставит химию ацетилена на ведущее место и делает её актуальным фундаментальным направлением в органической химии. Научное наследие химиков-органиков иркутской научной школы свидетельствует об основополагающих достижениях, составивших теоретическую и практическую базу нынешнему научному прорыву.

Сегодня органический синтез на базе ацетилена (прежде всего, концепция суперосновности) развивается академиком Борисом Александровичем Трофимовым, крупнейшим авторитетом в этой области, и его учениками. Новейшие модификации реакций ацетилена и его производных открывают   важные направления в фундаментальной и промышленной химии. Так, синтез пирролов из кетонов и ацетилена получил имя академика Трофимова. В качестве прикладного приложения эта реакция нашла применение в новых высоких технологиях, при разработке перспективных биологически активных веществ.

Специалисты в области химии ацетилена – ученики и последователи академика Трофимова – активно работают над новыми направлениями и развивают научные принципы оригинальных методов органического и элементоорганического синтеза на основе ацетилена.

Директор Иркутского института химии им. А. Е. Фаворского, доктор химических наук Андрей Викторович Иванов поделился фактами из истории становления иркутской научной химической школы и отметил определяющий вклад академика Бориса Александровича Трофимова в развитие органической химии: «Иркутский институт химии СО РАН является ярким примером «академического наследия». Созданный ближайшим учеником и сподвижником академика А.Е. Фаворского членом-корреспондентом Шостаковским, институт продолжает работы по химии ацетилена. Затем институт возглавлялся академиком Воронковым Михаилом Григорьевичем, последним аспирантом Алексея Евграфовича, а после уже – академиком Трофимовым Борисом Александровичем – учеником Шостаковского. Так что можно смело сказать, что Иркутский институт химии наряду с известной петербургской школой Фаворского – прямые наследники академической школы Алексея Евграфовича.

Ключевым достижением нашего института в химии ацетилена, на мой взгляд, можно назвать идею академика Трофимова об использовании суперосновного катализа в химии ацетилена. До Бориса Александровича школа Фаворского использовала в качестве катализатора обычные основания. При этом основная характеристика таких реакционных сред (она называется функция кислотности Гаммета) не превышала значения 17, в супероснованиях же можно добиться значения вплоть до 42.

И вот это, казалось бы, простое улучшение оказалось принципиальным и позволило институту не просто сказать свое слово в химии ацетиленов, а уверенно исполнять свою «партию» на протяжении уже четырех десятков лет. Суперосновные среды позволили, во-первых, проводить большую часть реакций ацетиленов, открытых еще Фаворским, в совершенно иных, намного более технологичных условиях. Так, например, получение ацетиленовых спиртов – важных строительных блоков органического синтеза,  из кетонов и ацетилена – ранее производилось только при высоких давлениях с применением специального оборудования, автоклавов. А это не очень технологично и сопряжено с риском, поскольку ацетилен в таких условиях взрывоопасен. А в супероснованиях эта реакция проводится при обычном атмосферном давлении и комнатной температуре. Так же в нее удалось вовлечь альдегиды – близкие химические родственники кетонов, которые в классических условиях реакции подвергаются осмолению. Но намного более интересным оказалось то, что активация ацетилена супероснованиями позволяет проводить принципиально новые, до этого неизвестные и абсолютно уникальные реакции. Самым ярким примером, конечно, может служить реакция получения пирролов из кетоксимов и ацетилена под действием супероснований. Эта реакция именная и известна во всем мире как реакция Трофимова».

Как особо подчеркнул Андрей Иванов, «для людей, далеких от химии, нужно пояснить, что в органической химии, пожалуй, одним из высших признаний можно считать как раз то, что твоим именем назвали новую реакцию. И далеко не все институты могут похвастаться наличием именных реакций».

В Институте динамично развиваются разные направления органической химии,  и все они опираются на фундамент научной школы академика Фаворского. Одним из таких является исследование, которым занимается последователь академика Трофимова, доктор химических наук Елена Юрьевна Шмидт.

«То исследование, о котором рассказывает Елена Юрьевна, является прекрасным примером бережного отношения к наследию великих классиков. Реакция Фаворского известна с начала 20 века и все знали, что в ней получается ацетиленовый спирт, а если нагреть, то ацетиленовый спирт снова распадается на исходные соединения.  Меня до сих пор поражает то чутье, благодаря которому химики группы Елены Юрьевны решили повысить температуру реакции еще выше, в результате чего было открыто абсолютно новое фундаментальное превращение, которое, я уверен, со временем тоже станет именной реакцией, – представляя исследование, которое ведет со своей научной командой Елена Шмидт, директор Иркутского института химии им. А. Е. Фаворского, Андрей Иванов указывает на важность теоретических разработок в области химии, –  Однако, будучи еще и администратором, я вынужден задавать себе и другим вопросы о практической значимости тех или иных открытий, есть ли перспектива у данного направления. И опять же не удается избежать аналогии с классиками: академик Фаворский никогда не позволял себе или своим ученикам разделять химию на фундаментальную и прикладную, всегда старался находить применение в практике открытых им превращений. Так, например, та же реакция синтеза ацетиленовых спиртов  –  реакция Фаворского, открытая еще до революции, легла в основу метода получения изопренового каучука – базы резиновой промышленности Советского Союза, за что Фаворский в 1941 году был удостоен Сталинской премии».

По мнению Андрея Иванова, новый органический синтез – это инструмент, который в руках умелого химика позволит создать лекарство, материалы для критических технологий и что угодно еще».

О том, каковы успехи в изучении высокоэнергетического углеводорода – ацетилена, важнейшего реагента для органического синтеза, какие новые химические реакции присоединения к ацетиленовой связи в суперосновных средах были открыты и над какими направлениями химии ацетилена сейчас продолжают работать иркутские химики – подробно рассказала Елена Юрьевна Шмидт – доктор химических наук, главный научный сотрудник Иркутского института химии им. А. Е. Фаворского (ИрИХ СО РАН) (г. Иркутск).

 «Ацетилен – это простейшая органическая молекула, состоящая из двух атомов углерода и двух атомов водорода. Ацетилен является главным продуктом высокотемпературного разложения различных углеродсодержащих веществ (нефти, газа, угля, техногенных отходов). Он традиционно использовался и используется в промышленном и тонком органическом синтезе как исходное сырье, поскольку большинство реакций ацетилена – это реакции присоединения, они не сопровождаются выделением побочных продуктов, т.е. являются атом-экономными. Реакции ацетилена не требуют подвода тепла, а в большинстве случаев, наоборот, выделяют его, т.е. являются энергосберегающими. Поэтому ацетилен как исходный материал, благодаря его высокой и многогранной реакционной способности, обеспечивает наименее затратные технологии получения наукоемких продуктов с высокой добавленной стоимостью, что отвечает современной тенденции перехода от многотоннажной традиционной химической промышленности к малотоннажной химии высокотехнологичных веществ и материалов. Мы открыли целое семейство новых реакций ацетилена с использованием суперосновных каталитических сред и катализаторов, которые обеспечивают новые возможности для конструирования полезных веществ (высокотехнологичных материалов, лекарств и их прекурсоров), без которых невозможна сегодняшняя цивилизация. Наши подходы базируются на реакциях присоединения, которые ускоряются природными ионами (гидроксид-анион, катионы натрия и калия), поэтому, как правило, они не дают отходов, т.е. являются атом-экономными и экологичными, –  Елена Шмидт пояснила, с чем связан интерес ученых к изучению реакций ацетилена, протекающих в суперосновных каталитических системах для фундаментальных исследований и, в частности, какую роль играют разработки по синтезу (самоорганизации) сложных молекул с участием ацетиленов, – В последние годы мы обнаружили новое явление самоорганизации сложных молекулярных структур большой практической значимости с участием ацетилена и простых, и доступных соединений (например, кетонов) в суперосновных средах. Самоорганизация включает согласованное протекание серии элементарных химических стадий с вовлечением в процесс сразу нескольких исходных молекул и промежуточных продуктов, что приводит, в конечном счете, к однореакторному синтезу сложных высокореакционноспособных молекулярных ансамблей, близких по строению к жизненно важным природным соединениям. В качестве примера приведу реакцию самосборки диоксабициклооктанового скелета из двух молекул ацетилена и двух молекул кетона (См. Схема 1).

Сама природа создает такие молекулы, которые являются основой феромонов насекомых и гормонов млекопитающих. Мы получаем их простым  синтетическим путем в одном реакторе из самых простейших реагентов (ацетилен и кетоны) и экологичных катализаторов (гидроксиды калия и натрия) и, что особенно удивительно, строго селективно. Еще пример. Реакция самоорганизации функционализированных циклопентенов – ключевых структурных элементов, широко применяемых в медицинской практике противораковых (еnglerin A, neomangicol) и анти-ВИЧ (сarbovir, аbacavir) препаратов. Эти практически важные молекулы мы “собираем” также из двух молекул ацетилена и двух молекул кетона почти в тех же условиях в присутствии простой щелочи и диметилсульфоксида (См. Схема 2)».

Ацетилен – уникальная молекула органической химии. В чем состоит уникальность? Елена Шмидт разъясняет: «Во-первых, в ацетилене самая высокая энергия углерод-углеродной связи. Это самый высокоэндотермичный углеводород. Для ацетилена в высшей степени типичны реакции присоединения, т.е. реакции, протекающие без выделения побочных продуктов, но с выделением тепла. Таким образом, это идеальная молекула для создания современных атом-экономных, энергосберегающих или, как сейчас говорят, «зеленых» технологий. Во-вторых, ацетилен – это молекула двойственной природы. Это – одновременно и кислота, и основание, причем как по Бренстеду (диссоциация на протон и анион), так и по Льюису (присоединение анионов или протона по π-системе). Соответственно, это и электрофил (легко присоединяет нуклеофилы), и нуклеофил (легко присоединяется к электрофильным центрам). Двойственный характер ацетилена наиболее ярко проявляется в присутствии сильных оснований. В суперосновных средах повышается концентрация и активность ацетиленовых карбанионов за счет комплексообразования с катионом щелочного металла. Кроме того, за счет десольватации повышается активность анионов, атакующих тройную связь ацетилена. Именно благодаря способности ацетилена одновременно (или, правильнее сказать, попеременно) быть и электрофилом, и нуклеофилом, становятся возможными новые реакции, часто представляющие собой однореакторные сборки сложных молекулярных структур с участием нескольких молекул ацетилена и других реагентов».

В области современного органического синтеза сотрудники Иркутского института химии им. А. Е. Фаворского следуют научным традициям, заложенным ученым, носящим его имя. Ученые продолжают изучать реакции Фаворского и для их стимулирования используют суперосновные среды. Перед иркутскими специалистами стоит задача разработать новые принципы повышения реакционной способности ацетилена за счет применения суперосновных каталитических сред.

«Научное наследие академика А.Е. Фаворского поистине неисчерпаемо и поражает своей современностью. Оно охватывает реакции ацетиленов и алленов, скелетные перегруппировки и таутомерные равновесия, виниловые эфиры и акриловые кислоты, ацетиленовые спирты, гликоли, гетероциклы, металлоорганические соединения, терпены, сахара и витамины, лекарства из растительного сырья. Это далеко не полный перечень научных интересов академика Фаворского. Но химия ацетилена – любимое детище Алексея Евграфовича. Это направление стало и до сих пор остается главным в исследованиях научной школы академика Трофимова. Фундаментальными интермедиатами этих реакций являются карбанионы: пропаргильные карбанионы (ацетилен-алленовая изомеризация), винильные карбанионы (реакция винилирования), ацетиленовые карбанионы (реакция этинилирования). Концентрация карбанионов и их реакционная способность повышаются в присутствии супероснований. В результате обобщения данных о сильных основаниях Борис Александрович Трофимов впервые сформулировал концепцию "сверхосновности" как "зеркального отражения" хорошо известного явления сверхкислотности. Используемые нами каталитические системы состоят из легкодоступных оснований – гидроксида натрия или калия, а активатором и одновременно растворителем является нетоксичный диметилсульфоксид, широко используемый в медицине лекарственный препарат димексид,  –

Елена Шмидт подробно объяснила, в чем суть методики Фаворского, на которую опираются иркутские химики, а в чем состоит современный авторский подход, демонстрирующий препаративные преимущества,  –

Эффективность и перспективность использования супероснований можно проиллюстрировать на примере двух реакций Фаворского. Более 130 лет назад Алексей Евграфович открыл реакцию винилирования на примере присоединения этанола к метилацетилену в присутствии гидроксида калия. С тех пор нуклеофильное присоединение к тройной связи молекул с подвижным водородом нашло широкое применение не только в тонком органическом синтезе, но и в промышленности. Суперосновные катализаторы, повысив на много порядков скорости винилирования, обеспечили качественный скачок в этой химии Фаворского. Сегодня легко винилируются метанол и аллиловый спирт, что недавно считалось невозможным. Недавно нами впервые провинилирован ацетиленом стероидный спирт – холестерин. Благодаря суперосновным катализаторам впервые удалось провинилировать оксимы и амидоксимы. Получены новые семейства азотсодержащих виниловых эфиров – перспективные строительные блоки для синтеза гетероциклических соединений и мономеры для получения специальных полимеров. Халькогены винилируются ацетиленом в суперосновных средах, образуя соответственно дивинилсульфид, дивинилселенид и дивинилтеллурид. Это новые высокоэффективные сшивающие агенты и прекурсоры полупроводниковых и оптоэлектронных устройств, в частности, для солнечных батарей с повышенной эффективностью. В суперосновных системах протекает однореакторное винилирование элементного фосфора, образуется тристирилфосфин. Еще одна реакция, оставленная нам в наследие академиком Фаворским – реакция этинилирования или алкинольный синтез Фаворского. Эта реакция позволяет вводить ацетиленовый заместитель практически в любой органический субстрат, содержащий карбонильную группу, в присутствии такого дешевого катализатора как гидроксид калия. Сегодня этинилирование Фаворского лежит в основе промышленных синтезов витаминов, каротиноидов, душистых и лекарственных веществ. Прорыв в развитии этинилирования Фаворского был совершен в то время, когда для ее стимулирования стали применять суперосновные системы, например, гидроксид калия-диметилсульфоксид. В такой системе альдегиды и кетоны присоединяют ацетилен намного активнее, чем в традиционных условиях: различные ацетиленовые спирты легко можно синтезировать без давления, без охлаждения, без больших количеств безводных щелочей и без больших объемов растворителей – обязательных атрибутов классического этинилирования. А недавно мы разработали универсальный метод получения ацетиленовых спиртов по реакции Фаворского, заменив катион калия на объемный органический катион – катион тетрабутиламмония. Безметалльная суперосновная система гидроксид тетрабутиламмония-диметилсульфоксид позволяет этинилировать любые альдегиды и кетоны различными ацетиленами при комнатной температуре всего за несколько минут. В настоящее время в химии ацетилена супероснованиями пользуются и другие авторы, что подтверждает общность и эффективность нашего подхода».

Под научным руководством академика Трофимова Еленой Шмидт с сотрудниками была открыта новая фундаментальная реакция присоединения кетонов к ацетиленам в присутствии супероснований.

«Наше главное и наиболее фундаментальное достижение в области химии ацетилена – это открытие общей реакции образования углерод-углеродных связей – присоединение кетонов к ацетиленам в присутствии супероснований. На основе этой реакции из кетонов и ацетиленов реализованы новые однореакторные синтезы сложных полициклических соединений, близких по своему строению к природным молекулам. Это – синтез метилендиоксабициклооктанов, функционализированных циклопентенов, азуленонов, полизамещенных фуранов. Ключевой стадией всех этих “сборок” является присоединение кетонов как С-нуклеофилов к тройной углерод-углеродной связи. Реакции поражают своей удивительной хемо-, регио- и стереоселективностью. Все перечисленные реакции являются общими и принципиально дополняют органический синтез, а синтезированные соединения являются либо потенциальными лекарствами или их прекурсорами, либо компонентами высокотехнологичных материалов. Реакции имеют огромный еще нераскрытый синтетический потенциал и в ближайшие годы получат дальнейшее интенсивное развитие. И это далеко не полный перечень», –делится новаторскими результатами иркутский химик и говорит о том, где полученные знания могут быть применены.

Реакции ацетиленов в суперосновных средах изучаются специалистами Иркутского института химии совместно с сотрудниками Иркутского государственного университета различными методами квантовой химии. По словам Елены Шмидт, «результаты квантово-химических расчетов высокого уровня позволяют глубже понять механизмы фундаментальных атом- и ресурсосберегающих реакций ацетилена, приводящих к практически важным продуктам. На теоретическом уровне анализируются суперосновные каталитические системы на основе гидроксидов и алкоксидов щелочных металлов и диметилсульфоксида, которые на много порядков ускоряют реакции нуклеофильного присоединения к тройной связи, а также присоединение ацетиленовых карбанионов к карбонильной группе. Разработана пентасольватная модель, в которой супероснование представляется комплексами гидроксидов или алкоксидов щелочных металлов с пятью молекулами диметилсульфоксида. Модель хорошо описывает элементарные стадии указанных реакций и последующие превращения, в том числе, процессы самоорганизации сложных молекул с участием ацетилена и кетонов».

Каковы ваши последние достижения в области реакции ацетиленов?

«К самым последним достижениям, пожалуй, отнесу открытую недавно реакцию, которую мы назвали в память основателя нашей школы аза-реакцией Фаворского. Эта реакция является аналогом классической реакции с кислород-содержащими исходными веществами (кетонами). Аза-реакция Фаворского приводит к получению ацетиленовых аминов, которые, например, могут быть использованы для фиксации углекислого газа и получения новых гетероциклических соединений – ценных прекурсоров лекарственных препаратов. До сих пор ацетиленовые амины получали с использованием переходных металлов в жестких условиях синтеза. Мы используем простые катализаторы на основе алкоголятов калия и диметилсульфоксида. Это позволяет при комнатной температуре за несколько минут получать ацетиленовые амины. Теоретически по своему субстратному охвату эта реакция должна существенно превосходить реакцию Фаворского, так как соединений с двойной C=N-связью в органической химии значительно больше, чем кетонов и альдегидов. Это – кетимины, альдимины, оксимы и их эфиры, гидразоны, амидоксимы и их производные», – говорит о научных  успехах  Елена Шмидт.

Таким образом, многолетние систематические исследования ученых Иркутского института химии имени А.Е. Фаворского, прежде всего, опираются на классические реакции ацетилена, обнаруженные их основоположником, академиком Фаворским. Современные фундаментальные открытия – это новая ступень развития теоретической и практической  органической химии, демонстрирующая сохранение академических традиций, большой научный потенциал и эффективность синтетических поисков в области химии ацетилена.