Ю.А. Устынюк, С.З. Вацадзе - Лекции по органической химии, страница 7

Основные концепцииклассической структурной теории стали предметом глубокого теоретическогоанализа. Проблемы делокализации и локализации электронной плотности ивыделения«бассейнов»Плодотворные концепцииотдельныхатомоввсестороннеобсуждались.в этой области были предложены, в частности,Бейдером [10].Новые данные физико-химических методов, полученные в это период,привели к полному изменению смысла термина «химическое строение» ворганической химии. Его содержание в предшествующий период ограничивалосьбутлеровской структурной формулой и стереохимическими проекциями молекулы.Теперьописаниеструктурынагеометрическомуровнеприобретаетколичественный смысл. В него включается знание межатомных расстояний,валентных и двугранных углов, которые определяются с помощью дифракционныхили спектральных экспериментов.

В этот период становится также очевидным, чтостатическиепредставленияоструктуремолекулнедостаточныдляколичественного описания их свойств и реакционной способности. Статическиемодели, в частности, оказываются непригодными для описания явленийтаутомерии и свойств многих классов т. н. стереохимически нежестких молекул.

Всвязисэтимразрабатываютсядинамическиемоделистроениямолекул,включающие описание “силового поля” - частот и амплитуд всех колебаний и38вращений, непрерывно протекающих в молекулах. Развивается динамическаястереохимия. Получает развитие фотохимия органических молекул, изучающая ихэлектронновозбужденныесостояния.Построениединамическихмоделейструктуры по существу означает введение временной координаты в химию.Времена жизни различных состояний молекул становятся их неотъемлемымиважными характеристиками.В период физической органической химии происходит дальнейшая глубокаяспециализация и разделение органической химии на самостоятельные области,вплотьдоихвыделения.Отпочковываетсяхимиявысокомолекулярныхсоединений.

На границе с биологией бурно развиваются и затем выделяютсябиохимия и молекулярная биология. На границе с неорганической химией возникаети выделяется химия элементоорганических соединений.Небывалые масштабы финансирования фундаментальных и прикладныхисследований в области органической химии и химии, в целом, даютисключительномощныйтолчокразвитиюкрупнотоннажныххимическихпроизводств органических веществ и материалов. Происходит полная химизациясельского хозяйства, пищевой промышленности, производства синтетическихмоющихкомплекса.средств,пластиковПромышленностьиполимерныхтяжелогоиматериалов,тонкогоэнергетическогоорганическогосинтезастановится стержневой отраслью экономики развитых стран [11].3.4.

Современный период (с середины 80-ых годов XX века)Супрамолекулярная химия.К середине 80-ых годов XX века методический арсенал и теоретическая базаорганической химии достигли той степени развития, при которой эффективноерешение задач на молекулярном уровне любой мыслимой степени сложностистановится чисто технической проблемой. К числу самых ярких успехов наукибезусловно следует отнести практическое достижение физических пределов впространственном, временноми концентрационном разрешении в ряде новых39методов для химических исследований. Мы более детально расскажем об этом вспециальных лекциях.

Здесь же упомянем только о самых важных прорывах:1. Создание сканирующей туннельной микроскопии с пространственнымразрешением на уровне 0,1 нм обеспечивает наблюдение отдельных атомов имолекул на поверхности (Нобелевская премия по физике присуждена за этовыдающееся достижение Г.Рореру и Э.Руске в 1986 г).2. Разработкалазернойфемтосекунднойспектроскопиисвременнымразрешением на уровне 1 – 10 фс открывает возможности исследованияэлементарных актов химических процессов во временных интервалах,соответствующих одному периоду колебаний атомов в молекуле.

Этодостижениеотмеченов1999гНобелевскойпремиейпохимии,присужденной А.Зейвалу.3. Открытие туннельной колебательной спектроскопии позволяет теперьследить за поведением и превращениями отдельных молекул на поверхноститвердых тел.Прорыв на новый уровень разрешения и чувствительности был мощноподдержан исключительно быстрым совершенствованием тех физических методов,которыеужесоставлялиосновуарсеналахимика-исследователявпредшествующий период.

За последние 15 лет разрешающая способность ичувствительность всех спектральных методов улучшились на порядок и более, апроизводительность научных приборов возросла на два и более порядков. Введущих исследовательских лабораториях сейчас основу приборного паркасоставляютинструменты5поколениявычислительные комплексы, которые-сложнейшиеизмерительно-обеспечивают полную автоматизациюпроведения измерений и обработки результатов, а также дают возможность on lineприменять базы и банки научных данных при их интерпретации.

Вот лишьнекоторые примеры.40Рентгеноструктурный анализ монокристаллов еще 15 лет назад был одним изсамых трудоемких и длительных по времени экспериментов. Определениемолекулярной и кристаллической структуры нового вещества требовало месяцевработы. Новейшие автоматические рентгеновские дифрактометры дают сегоднявозможность при изучении соединений не слишком большой молекулярной массыполучить весь необходимый массив отражений за несколько часов. Полнаяобработка экспериментальных данных с помощью современных программ наперсональном компьютере занимает еще несколько часов.

Таким образомказавшаяся ранее несбыточной мечта «один день – одна полная структура» сталаповседневной реальностью. За последние 10 лет с помощью РСА было, по всейвидимости,исследованобольшемолекулярныхструктур,чемзавесьпредшествующий период его применения. Прецизионные рентгеноструктурныеэксперименты при низких температурах открывают возможности для построениякарт разностной электронной плотности молекул, которые можно непосредственносравнивать с результатами квантово-химических расчетов.Повышениечувствительностимасс-спектрометровужеобеспечиваетнадежный анализ фемтограммовых количеств вещества. Новые методы ионизацииESI и MALDI (системы MALDI-TOF) позволяют проводить идентификацию иисследование строения биомолекул очень большой молекулярной массы,например, клеточных белков.

За создание и развитие этих методов Нобелевскаяпремия по химии 2002 г была присуждена К.Танака и Д.Фенну.Новый шаг вперед сделала спектроскопия ЯМР. Использование методоввращения образца под магическим углом с кросс-поляризацией позволяет получатьспектрывысокогоразрешениявтвердыхтелах.Применениесложныхпоследовательностей радиочастотных импульсов в сочетании с импульснымиградиентами поляризующего поля, а также инверсное детектирование спектровтяжелых и редких ядер обеспечивает возможность прямого определениятрехмерной структуры и динамики белков с молекулярной массой до 50 кД в41растворе. Эти работы были отмечены двумя Нобелевскими премиями по химии,присужденными Р.Эрнсту в 1991 г и К.

Вютриху в 2002 г и Нобелевской премиейпо медицине, которую получили Лаутербур и Менсфилд в 2006 году.Исключительновысокаячувствительность,высокаяразрешающаяспособность по времени и точность в количественных определениях открыливозможность изучения с помощью физических методов механизмов протеканияхимическихреакций,втомчисленепосредственногонаблюдениякороткоживущих высокореакционных промежуточных частиц (интермедиатов).Новый методический арсенал дает возможность химику - исследователю получатьв единицу времени в сотни раз больше информации о строении вещества, чем вначале рассматриваемого периода, а также такие сведения, которые ранее былисовершенно недоступны.Разрабатывается новая конвергентная стратегия планирования сложныхорганических синтезов, основанная на ретросинтетическом анализе, который частовыполняется с помощью компьютеров.

Использование хиральных лигандов икомплексовпереходныхметалловоткрываетвозможностьосуществлениякаталитических энантиоселективных синтезов с получением чистых оптическихизомеров. Современные варианты классических синтетических реакций и новыехимические реагенты обеспечивают получение целевых продуктов с практическиколичественными выходами. Это дает возможность осуществлять несколькостадий в сложной последовательности синтеза без выделения и очисткипромежуточных продуктов (“one pot reaction”, реакция “в одном горшке”).Разработаны многие “каскадные”, или “домино”- реакции, при которых в однустадию осуществляется построение сложных полициклических и каркасныхструктур при строгом стереохимическом контроле. Прекрасные примеры такихреакций можно найти в нескольких обзорах и монографиях (см.

например, [12]).Установление последовательности мономерных звеньев в сложных биополимерах42(белки, нуклеиновые кислоты) и синтез этих биомакромолекул полностьюавтоматизированы.Органический синтез стал более практически ориентированным. При этомчасто химик-синтетик первоначально определяет с помощью теоретическогорасчета или с использованием эмпирических закономерностей, найденных путемобобщениябольшихмассивовэкспериментальныхданных,связывающихструктуру и свойства1, какое именно вещество должно обладать нужнымкомплексом свойств, и лишь затем приступает к его синтезу.Возникаетибыстроразвиваетсяпринципиальноинойподходворганическом синтезе - “синтез комбинаторных библиотек соединений”.

Особенночасто его используют при создании новых лекарственных и биологическиактивных веществ. При этом в одном реакторе одновременно в одну или несколькостадий получают сотни, а иногда и тысячи близких по строению молекул, которыезатем испытываются на присутствие веществ с нужными свойствами (например,способныхсвязыватьсясопределеннымрецепторомилиобладающихспособностью подавлять рост болезнетворных бактерий) все одновременно. Вдругих случаях их предварительно разделяют, например, с помощью двумернойхроматографии или электрофореза в полимерном геле или иным методом. Иногдадальнейшие испытания проводят прямо на этом носителе.Стремительное развитие вычислительных методов квантовой химии ибеспрецедентно быстрое совершенствование вычислительной техники, в первуюочередь, создание суперкомпьютерных кластеров для параллельных вычислений,в последнее десятилетие ХХ века открыли принципиальную возможностьприменять все более точные и строгие, построенные на первых принципах(неэмпирические, ab initio), методы квантовой химии [13,14] для изучения молекул1Поиск таких закономерностей составляет самостоятельное направление органической химии, обозначаемое ванглоязычной литературе аббревиатурой QSAR (quantitative structure-activity relationships, количественныесоотношения структура-активность).43и молекулярных систем из сотен атомов, получая при умеренных затратахвычислительных ресурсов и времени адекватное описание их строения иреакционной способности с «химической точностью», допускающей не толькопрямое сопоставление с экспериментом, но и надежное прогнозированиеразличных химических и физических свойств.