Химическое обозрение

1. ХИМИЯ
СТРУКТУРЫ-ПРИЗРАКИ
В. И. ВЫСОЦКИЙ
Дальневосточный государственный университет, Владивосток
В науке признание ошибки не позор.
PHANTOM STRUCTURES Даниил Гранин
V. I. VYSOTSKII При чтении учебников иногда возникает впечатле-
ние, что исследователи прошлого не ошибались. Упор-
It is shown how the mistakes made during ный труд в лаборатории вознаграждался открытием ис-
тины; ошибки же, если они и случались, оставались
determination of the structure of organic com-
только в лабораторных журналах исследователя. Тем не
pounds had become the starting point for the менее время от времени в научных журналах появляют-
new studies which eventually led to the discov- ся структуры соединений, “которых не было”, ошибоч-
ery of new phenomena. ные структуры, структуры-призраки. Проходит время,
появляются статьи, в которых ошибки исправляют, и
Показано, как ошибки при установлении призраки исчезают или материализуются в реальные
структуры. Казалось бы, вопрос исчерпан, истина уста-
структур органических соединений послу- новлена, но почему происходили ошибки?
жили исходной точкой для исследований, Этот вопрос интересовал автора по чисто эгоисти-
приведших к открытию новых явлений. ческой причине – чтобы самому не ошибаться. Это
удавалось не всегда, но всегда оказывалось, что анали-
зировать ошибки исследователей весьма поучительно.
Довольно часто причиной ошибки является использо-
вание метода исследования на границе его применимо-
сти. В качестве примера можно привести определение
содержания углерода и водорода в органических веще-
ствах. Со времен Лавуазье это делают так: навеску ис-
следуемого вещества сжигают в атмосфере кислорода и
взвешивают выделившиеся углекислоту и воду. Ошиб-
ка метода составляет в лучшем случае ± 0,2%. Иногда
приходится мириться и с величиной ± 0,5%. Так что ес-
ли анализ дает содержание водорода в молекуле орга-
нического вещества, допустим, 6,5%, то это может от-
вечать реальному содержанию водорода от 6 до 7%.
Если молекулярная масса вещества составляет 200, то в
ошибку укладываются как раз два атома водорода и,
следовательно, невозможно с помощью только эле-
ментного анализа сказать, содержит ли вещество 12
© Высоцкий В.И., 2001
или 14 атомов этого элемента. Кроме того, предполо-
жение о том, что всякое органическое вещество сгорает
до СО2 и воды, не всегда верно. Может случиться, что
часть углерода окислится до СО и не будет учтена. Еще
более значимые ошибки могут произойти, если неизве-
www.issep.rssi.ru стен качественный состав вещества, как это произош-
ло в приводимом ниже примере.
В Ы С О Ц К И Й В . И . С Т Р У К Т У Р Ы - П Р И З РА К И 59

2. ХИМИЯ
“ДИОКСАЦИКЛОБУТАН” ТОЛЛЕНСА O O
P C l5
На рубеже XIX и ХХ столетий профессор Гёттинген-
ского университета Бернгард Толленс изучал реакцию N O N Cl
кетонов с формальдегидом. Схема реакции выглядела 3
H
очень просто, например
После Байера 26 исследовательских групп опубликова-
RCOCH3 + CH2O RCOCH2CH2OH ли 37 статей и получили четыре патента, имевшие отно-
Реакция требовала участия катализатора. Толленс пе- шения к этому соединению. Казалось, что для сомне-
ребирал вещество за веществом – едкий натр, едкое ний в структуре этого соединения повода нет. Однако
кали, гашеная известь, сода. Реакция оказалась кап- сомнения появились в 1924 году, когда началось иссле-
ризной – с кетоном могла реагировать одна молекула дование реакций соединения Байера с аминами: ре-
формальдегида, а могли и семь. Продукты реакции зультаты, полученные разными исследователями, ока-
внешним видом тоже не радовали – это были некие по- зались трудно объяснимыми.
добия карамели, и в одном случае Толленсу пришлось Далее было обнаружено, что пропись, по которой
ждать два года, пока продукт закристаллизуется. Нако- Байер получал изатинхлорид, не была достаточно де-
нец, появился просвет: получились прекрасные крис- тальной. Как выяснилось, существенную роль играли и
таллы. Это случилось, когда в качестве катализатора температура реакции, и концентрации реагентов, и
был использован хлористый аммоний. Продукт был продолжительность реакции. Обнаружилось, что при
должным образом очищен и проанализирован, иссле- действии на раствор изатина в бензоле пятихлористого
дователи определили содержание в нем углерода и во- фосфора при комнатной температуре образуется со-
дорода. И после основательных размышлений припи- единение, имеющее в молекуле два атома хлора; его
сали веществу формулу 1: структура была определена как 4 :
[NH4Cl] Ph O Ph O Cl
PhCOCH3 + CH2O P C l5 / C6H6 Cl
HOCH2CH2 O CH(CH2OH)2
+ NH4Cl 1 N N
O O
H H
(PhCOCH2CH2)3N+HCl− 4
2 Если же эту реакцию проводить при длительном кипя-
чении смеси, то удается выделить вещество, имеющее
Три года спустя Толленс сам исправил ошибку. Он тот же элементный состав, что и хлоризатин, но удво-
догадался, что хлористый аммоний в этой реакции от- енную молекулярную массу. Рентгеноструктурный
нюдь не катализатор, что атом азота вступает в молеку- анализ привел к формуле 5 :
лу продукта реакции и действительная структура веще-
ства описывается формулой 2. O Cl Cl O
Что здесь было причиной ошибки? Уверенность в
том, что катализатор не принимает непосредственного N
участия в реакции – что, кстати, вполне соответствова- N
ло теоретическим взглядам того времени. Толленс ис-
правил ошибку и продолжил свои исследования. А спу- 5
стя шесть лет Карл Манних повторил работу Толленса Воспроизведение методики Байера показало, что со-
и до своей смерти в 1947 году развивал ее. Сейчас од- единение 5 преобладает в реакционной смеси (∼ 75%),
ним из важнейших методов органического синтеза яв- однако около 25% относится на долю других веществ.
ляется реакция Манниха, а соединения типа 2 называ-
ют основаниями Манниха. Великого немецкого химика Адольфа Байера, лау-
реата Нобелевской премии по химии 1905 года, вряд ли
стоит упрекать за изатинхлорид. Ведь в 1878 году рент-
“ИЗАТИНХЛОРИД” БАЙЕРА
геноструктурного анализа еще не было. Отсутствие ме-
В 1878 году Адольф Байер в ходе поиска путей синтеза тода или отсутствие возможности использования адек-
индиго нагревал изатин с пятихлористым фосфором. ватного проблеме метода исследования также может
При этом был получен коричневый кристаллический привести к ошибке в истолковании эксперименталь-
продукт, для которого Байер предложил структуру 3 : ных данных.
60 С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 4 , 2 0 0 1

3. ХИМИЯ
ПРИЗРАК МАТЕРИАЛИЗУЕТСЯ метилглутаровой кислоты 10 с избытком фениллития.
В 1877 году Шарль Фридель и Джеймс Крафтс изучили Дикетон оказался вполне ординарным соединением,
реакцию между галогенопроизводными углеводородов структура его на этот раз была доказана безукоризненно.
и ароматическими углеводородами в присутствии хло-
ПОЧЕМУ НЕ ПРИСОЕДИНИЛАСЬ
ристого алюминия, известную ныне как реакция Фри-
ВТОРАЯ МОЛЕКУЛА ЦИКЛОГЕКСАНОНА
деля–Крафтса. Очень ценным ее вариантом является
взаимодействие хлорангидридов карбоновых кислот с Присоединение молекулы кетона 11 к молекуле непре-
бензолом, приводящее к ароматическим кетонам: дельного кетона 12 приводит к 1,5-дикетону 13. Это хо-
рошо известная реакция Михаэля:
RCOCl + C6H6 RCOC6H5 + HCl
R–CO–CH3 + CH2=CH–CO–R'
В приложении к хлорангидридам двухосновных кислот 11 12
эта реакция приводила к дикетонам жирно-ароматиче-
ского ряда: R–CO–CH2CH2CH2–CO–R'
13
ClCO(CH2)nCOCl + 2C6H6
Резонно было ожидать, что соединение 14 будет при-
C6H5CO(CH2)nCOC6H5 + 2HCl
соединять циклогексанон 15 по обеим двойным свя-
Строение этих соединений было строго доказано и со- зям. Однако вторая молекула циклогексанона не при-
мнений не вызывало. По-видимому, это придало уве- соединялась. Реакция останавливалась, как полагали
ренности Штеттеру и Краузе. Они ввели в реакцию с исследователи, на стадии образования соединения 16.
бензолом хлорангидрид 3,3-диметилглутаровой кисло-
ты 6 и приписали полученному соединению структуру +
1,5-дикетона 7, ограничившись лишь данными эле- Ph Ph Ph
ментного анализа и не приведя никаких функциональ- O O O Ph O
ных реакций: 14 15 16
H3C COCl C 6H 6/AlCl H3C COC6H5 Ph
3
H3C COCl H3C COC6H5
6 7 Ph
O
C6H5Li OH O Ph OH
Ph
H3C COOH 18 17
Структура 16 была опубликована, однако вещество ве-
H3C COOH ло себя “не так” – характерные реакции 1,5-дикетонов
10 с ним либо не шли, либо требовали жестких условий и
приводили к сложным смесям продуктов. Вещество от-
Cl Cl H5C6 C6H5 пугивало исследователей до тех пор, пока не был прове-
H3C H3C ден детальный анализ его инфракрасного спектра, в ко-
C 6H 6/AlCl
3
O O тором отсутствовало поглощение карбонильных групп,
H3C H3C но обнаружилась полоса поглощения гидроксила. Воз-
O O никла гипотеза, что дикетон 16, образующийся как
8 9 промежуточный продукт, через стадию енола 17 пре-
Стоило только сделать качественную реакцию на ке- вращается в производное ксантена 18. После того как
тонную группу, как стало ясно, что структура 7 для про- для вещества были определены спектр протонного маг-
дукта Штеттера и Краузе неверна. Тщательное исследо- нитного резонанса и масс-спектр, структура 18 была
вание показало, что хлорангидрид диметилглутаровой доказана.
кислоты 6 существует в равновесии со своей цикличес- Как и в предыдущих примерах, причиной появле-
кой формой 8 ; она-то и вступает в реакцию с бензолом. ния фантомной структуры 16 было использование не-
Реальная структура продукта реакции описывается адекватных методов исследования.
формулой 9. Причиной ошибки послужило существо-
вание неизвестного ранее явления – хлоротропии. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Ну а призрак в наши дни стал вполне реальным со- Обращаясь к участникам III Всесоюзной конференции
единением: дикетон 7 получили по реакции самой ди- по химии фосфорорганических соединений, академик
В Ы С О Ц К И Й В . И . С Т Р У К Т У Р Ы - П Р И З РА К И 61

4. ХИМИЯ
А.Е. Арбузов заметил, что “для химика-эксперимента- являться на страницах научных журналов и будут исче-
тора нет большего удовлетворения, как стоять непо- зать по мере установления истины.
средственно за рабочим столом и видеть, как шаг за
шагом распутывается клубок противоречий и загадок, ЛИТЕРАТУРА
как рождается новое вещество” [1]. Распутывать клу-
бок противоречий и загадок, искать истину чрезвычай- 1. Арбузов А.Е. // Химия и применение фосфорорганических
но интересно. Я бы сравнил научное исследование с соединений: Тр. III конф. М.: Наука, 1972. С. 3.
чтением увлекательного детективного романа. Отличие 2. Физер Л., Физер М. Органическая химия: Углубленный курс.
только в том, что ученый не имеет возможности, пере- М.: Химия, 1966. Т. 1, 2.
вернув несколько страниц, заглянуть в конец книги и
узнать развязку. Весь путь он должен пройти сам. Ко- Рецензент статьи В.А. Островский
нечно, на этом пути возможны ошибки. Но прелесть
ситуации состоит в том, что эти ошибки подчас явля-
***
ются исходными точками для новых открытий. О том,
как подобные открытия в химии происходили, можно Владимир Иванович Высоцкий, профессор, доктор
узнать из книги [2]. химических наук, зав. кафедрой органической хи-
мии Дальневосточного государственного универси-
Современные методы исследования во много раз тета (Владивосток), заслуженный химик РФ, дейст-
мощнее тех, которыми пользовались наши предшест- вительный член РАЕН. Область научных интересов –
венники. Однако это не означает, что ошибки при уста- тонкий органический синтез, химия фосфорорганиче-
новлении структур новых органических соединений ских соединений. Автор более 150 научных работ и
ныне исключены. Структуры-призраки еще будут по- изобретений.
62 С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 4 , 2 0 0 1