Чудното животинче „Push-Pull” (приказка за напреднали химици)

(На Катя Л., която в края на кариерата си е била изправена
пред изкушението да преподава органична химия.)

През 1920 г. британският писател Хю Лофтинг написва детската приказка за Доктор Дулитъл (анг. Dolittle), а няколко години по-късно руснакът Корней Чуковски публикува веселата приказка за Доктор Охболи (рус. Доктор Айболит), която е нещо като адаптиран превод на „Доктор Дулитъл“. И двамата доктори-ветеринари лекуват безплатно симпатични домашни, горски и всякакви животни, закъсали със здравето: крави, овце, кокошки и петли, лами, крокодили, кучета, котки, папагали и други. И в двата варианта на ветеринарни доктори има едно измислено мило животинче с две глави, наречено „Push-Pull“ (Push-mi-Pull-yu – Lofting) или „Бутни-Дръпни“ според българския превод (на руски е Тяни-Толкай). Според повечето илюстратори това е двуглава лама (Фиг. 1), но спокойно би могло да бъде двуглав кон или дори двуглаво магаре.

https://www.chukfamily.ru/kornei/tales/doktor-ajbolit-po-gyu-loftingu-chast-pervaya-puteshestvie-v-stranu-obezyan

https://chitanka.info/text/1955-istorijata-na-doktor-dulityl/10

Фиг. 1

Няма да повярвате, но след този кратък увод от детските ми години ще се впусна отново в органичната химия, за да ви запозная с „бутни-дръпни“ съединенията, които са ми много забавни и любими. Това са спрегнати молекулни системи, които в единия край имат електронодонорен заместител („push“), а в другия – електроноакцепторен („pull“). Един добър пример би бил N,N-диметил-4-нитроанилин (1):

1

Разбира се това преразпределение на електронната плътност се отразява съществено на химичните свойства. Така например N,N-диметил-4-нитроанилинът (1) е по-слаба основа, отколкото N,N-диметиланилинът, поради частичното ангажиране на свободната електронна двойка при базичния азот в спрежение с нитрогрупата през бензeновото ядро (–М-ефект на нитрогрупата).

Сега да разгледаме малко по-детайлно строежа на съединение 2. В единия край има две диметиламино групи, които са донори на електронна плътност, а в другия – една цианогрупа с изразени електроноакцепторни свойства, т. е. това е едно типично „push-pull” съединение. Тези „push-pull” свойства биха се увеличили още по-ярко, ако добавим допълнително една спрегната електроноакцепторна група. Най-лесно бе да се досетим, че едно просто ацетилиране би свършило работа. Ацетилирането протича на α-място, където електронодонорният ефект на диметиламино групите повишава електронната плътност. И това е една приказна, вълшебна реакция! Смесваме при стайна температура двете течности – нитрила 2 и оцетния анхидрид, затваряме ги в ерленмайерова колба и ги оставяме в един долап през нощта „да размислят“. На другия ден – о чудо! – половината колба се е напълнила с едри блестящи диаманто-подобни безцветни кристали от продукта 3a<–>3b като тези на Фиг. 2! (Необходими са поне две класически структурни формули, тъй като нито една от тях не отразява действителното разпределение на електронната плътност – теория на резонанса.)

Филтруваш, промиваш отгоре-отгоре и имаш превъзходен продукт 3a<–>3b направо чист за анализ! Такива реакции ми пълнят душата. Даже по едно време мислех да напиша дебела монография със заглавие „Easy Chemistry” – много събратя-химици щяха да ми бъдат благодарни... Да, органичната химия често смърди лошо, огнеопасна е, понякога реакционната смес става черна като катран (без изгледи за успешно изолиране на чист продукт), но ето че има и лесни реакции от типа „орѝ, мелѝ, яж!“; в превод на химически език „смесѝ, разбъркай, филтрувай“.

Фиг. 2

А сега да разгледаме малко по-отблизо прекрасното съединение 3a<–>3b. Както вече казах, това е едно чисто безцветно кристално вещество (т. т. 160-161°C) с помпозното химическо наименование:

2‑ацетил-3,3-бис(диметиламино)акрилонитрил.

В публикацията [1] този тип съединения за простота са наречени „винилидендиамини“ или „кетенаминали“.

Интересното обаче е друго: в ¹Н-ЯМР спектъра на 3a<–>3b има само два протонни синглета:

единият при δ = 2.24 за трите метилови протони от ацетилната група, и

другият – за цели 12 протона при δ = 3.00 за четирите N-метилови групи!

Това без съмнение е доказателство, че четирите N-CH₃ групи са еквивалентни и следователно има свободно въртене около връзките С–С и С–N, т. е. двойната връзка вече е единична и съединението е придобило строежа 3b. Такъв тип вещества с разделяне на зарядите се наричат „илиди“. В тях π‑електроните стават притежание само на единия от двата свързани въглеродни атома, а отрицателният заряд се делокализира към карбонилния кислород и нитрилния азот. От друга страна положителният карбениев йон се стабилизира чрез привличане на електронна плътност от третичните азоти (pπ-спрежение). В реалното разпределение на електронната плътност участието на граничната структура 3a е практически нищожно. С това чудатостите на съединение 3a<–>3b не свършват. По-подробно за техните химични свойства може да прочетете в публикациите [1] и [2].

Щастлив съм, че имах шанса пръв да проведа посочената „easy” реакция и за първи път да се наслаждавам на големите блестящи кристали от изолирания push-pull кетенаминал 3b, в който ефектите „push” и „pull” са толкова ярко изявени, че двата разноименни електрични товара са разделени в двата края на връзката С–С.

[1] Orthoamide, XXXIV. Synthesen mit Vinylidendiaminen. Willi Kantlehner, Ivo C. Ivanov, Walter W. Mergen und Hellmut Bredereck, Liebigs Ann. Chem. 1980, 372-388.

[2] Push-Pull-Butadiene und Heterocyclen aus CH₂-aciden Verbindungen und Orthoamiden von Alkincarbonsäuren. Willi Kantlehner, Markus Vettel, Hansjorg Lehmann, Kai Edelmann, Rüdiger Stieglitz und Ivo C. Ivanov, J. Prakt. Chem. 340 (1998) 408-423.

19.04.2023 г.

 

Die Schnappdeckelfläschchenchemie

(„Химия на шишенцата със защракваща се капачка” – Google translate); Schnapp-Deckel на немски буквално значи „щрак-капаче“...  

Chemistry is Fun! 

Може да се каже, че този материал в известен смисъл е продължение на разказа ми в блога "Тука не е Германия" от декември 2015 г.:

https://ochemist.blogspot.com/2015/12/blog-post.html

Нали знаете, немците обичат да синтезират няколко неща в една дума, така и в този случай... Германските колеги използваха тези шишенца (Schnappdeckelfläschchen) еднократно, защото бяха евтини (примерно по 15-20 стотинки), но те бяха толкова изящни и искрящо чисти, че на мен ми беше съвестно да ги изхвърлям и – когато не бяха особено много мръсни – грижливо ги измивах и изсушавах за многократна употреба. В склада ги имаше в изобилие в картонени кашони. Не помня вече кой от моите колеги и приятели в Германия беше нарекъл „моята химия“ с фразата от заглавието на това четиво, но си заслужава да коментирам тази забавна „характеристика“. Първо ще кажа, че с пеницилиновите шишенца започнах да работя още от началото на моята кариера като химик, когато с професор Никола Моллов изолирахме алкалоиди от растения и обслужвахме хроматографски колони и който – след дипломирането ми – беше първият мой учител в химията, ако не броим разбира се професор Николай Мареков и професор Симеон Попов, които ми бяха ръководители на дипломната работа. Продължавам. Първоначално събирах пеницилинови шишенца от аптеките и най-вече от болниците и клиниките. В Първа градска болница имах вече някакви връзки (познанства) със сестрите и те ми събираха в кашони всички вече използвани пеницилинови шишенца и шишенца от други лекарства. Тогава бях на 25 години. Така в началото (1968-1970 г.) си осигурявах шишенца, но навикът ми да работя с такива шишенца във всеки един момент и във всяка една лаборатория се запази и до ден днешен. Това ме накара в Германия веднага да потърся възможност откъде мога да намирам пеницилинови шишенца и се оказа, че в техните складове към институтите има кашони с по 100 или даже с по 1000 чисти и чисто нови шишенца, които са прекрасни и си имат идеални щрак-капачки (запушалки) от полиетилен (вж. картинките по-долу). Така че всичките колони, които съм си правил (за хроматографски колони става дума), всичките бяха "обслужвани" с помощта на пеницилинови шишенца, в които аз си приготвях разтворите за тънкослойна хроматография (ТСХ), тъй като всички реакции, и всички колони, и всички фракции, контролирах чрез тънкослойна хроматография. Тънкослойните плаки на полиамидна основа бяха много достъпни, имаше ги в изобилие, с всякакъв вид тънкослойни адсорбенти (силикагел, алуминиев оксид) и за щастие можех да ползвам този метод без никакви ограничения. Говоря за Германия, тъй като по онова време в Германия никой от колегите, с които работех, не ползваше тънкослойна хроматография в органичния синтез, нито пък колонна хроматография. Аз често използвах ТСХ в Германия и се оказа, че тя в някои случаи е незаменима за разгадаване на продуктите на дадена реакция и тяхната чистота. Няма да забравя следния случай: правих едно просто ацетилиране на ацетамид с оцетен анхидрид, при което германските колеги смятаха, че не се получава нов продукт, тъй като изолираният краен продукт имаше почти същата точка на топене както изходното вещество: 

Diacetamide: Melting point 75.5-76.5 °C (lit.); Acetamide: Melting point 79-81 °C 

(Към студентите ми: ако бяха направили една класическа "смесена точка на топене", нямаше да тънат няколко години в заблуда!)

Поради това всички, които преди мен бяха провеждали опита за ацетилиране, са смятали веществата за едно и също, но когато ги хроматографирах (ТСХ), се оказа, че разликата между моноацетилното (ацетамид) и диацетилното производно (диацетамид) е значителна, всъщност те са хроматографски драстично различни (ацетамидът – близо до старта, а диацетамидът – доста по-нагоре към фронта). Ето схема на реакцията:

При това добивът на ацетилирането се оказа великолепен, почти количествен! По този начин, с помощта на моите навици от България, аз имах голям успех в използването на ТСХ. И така през цялото време, докато бях в Германия, моето работно място можеше да се различи по това, че на него винаги имаше от 5 до 10 и повече пеницилинови шишенца, в които си държах пробите или пък чистите вещества, които съм изолирал и/или синтезирал.

 

Това разбира се не е научно чудо, но моят опит явно се оказа полезен...

На картинките (фигурите горе) могат да се видят различните ми работни места в различните лаборатории в Германия: (отгоре-надолу) 1–работното място, лабораторията в Аален; 2–лабораторията в Кийл; 3–шишенцата от склада; 3–Schnapp-Deckel; 4–готови за употреба; 5–работното място в Аален; 6–отново в Аален, по време на проекта "Triacetamid".

В България нещата изглеждаха почти по същия начин, но още нямаше достъпни цифрови фотоапарати и затова не съм ги снимал..

Шишенцата с щракаща капачка бяха от качествено стъкло, което издържаше умерено нагряване, примерно до 200 °C. Така че бяха идеални за прекристализация на малки количества. Постигал съм прекристализации на количества 5-10 mg в някои случаи. На фигурата долу показвам пречистен 1,3-диметилтимин, получен от  N-метилпропионамид и реактива на Бредерек-Зимхен (схема 4).

Надписът върху шишенцето се нуждае от малко разяснения: "i-3/07" означава, че опитът е описан в лабораторния дневник на стр. 3 от 2007 година. По-надолу пише "Тимин, прекристализиран". Всички опити носеха означение "i" (първата буква от името ми), защото главното латинско "I" можеше да се сбърка с единицата "1" или с латинската буква "ел"= "l". 

Този оригинален и неочакван синтез на диметилтимин е описан в следната статия:

Willi Kantlehner, Jochen Mezger und Ivo C. Ivanov, Orthoamide und Iminiumsalze, LXXXVII [1]. Eine neue, einfache Synthese für 1,3-Dimethylthymin.
Z. Naturforsch. 2014, 69b, 519 – 524 / DOI: 10.5560/ZNB.2014-4053

Забележка. Акад. Юхновски ме попита: "Как е възможно? Да не искаш да кажеш, че за германската химия ТСХ е била непознат метод за контрол?" Отговарям: Разбира се, че ТСХ се изучава в университетите, наред с другите хроматографски методи, но в колективите в гр. Щутгарт и в гр. Аален, в които работех, по традиция използваха главно класическата дестилация във висок вакуум (10 на –3 Torr) за разработване на реакционните смеси и нямаха навика да контролират реакциите чрез ТСХ. Една от причините беше, че често реакционните продукти се разпадат върху адсорбента. В колектива на Университета в гр. Кийл, Фармацевтичния институт, напротив, ТСХ беше обичаен лабораторен метод.