1.5.1. Выяснение закономерностей, связывающих

строение соединений с их свойствами

Пожалуй, главная, наиболее фундаментальная задача не только органической химии, но и всей химической науки — это установление зависимости свойств вещества (физических, химических, биологических) как функции главного в химии аргумента — молекулярной структуры. Подобные функциональные з«висимости в принципе невозможно установить на примере одного соедине­ния. Чтобы изучить или хотя бы обнаружить функциональную зависимость, надо проварьировать аргумент, т.е. изучить серию соединений различной структуры. Изменения структуры органического соединения могут происхо­дить только дискретно, скачками, и какими бы минимальными они ни были, они в той или иной мере сказываются на всем комплексе свойств вещества. Поэтому любое органическое соединение представляет собой неповторимую химическую индивидуальность с единственной конкретной структурой и единственным набором свойств. Именно поэтому закономерности типа «структура — свойство» могут быть выражены в количественном виде лишь дчя ограниченного круга задач и объектов (как, например, это удается сделать в гамметовских корреляциях свободной энергии или в рассмотренном выше случае оценки зависимости цветности азокрасителей от природы хромофо­ров). В большинстве же случаев эти закономерности носят чисто качествен­ный характер, и в поиске вещества с заданными свойствами неизбежен эмпи­рический подход, который предполагает синтез и всестороннее исследование серий родственных соединений с планомерно варьируемыми свойствами^**.

1.5.2. Создание новых структур, проблемных для органической химии

На протяжении всей истории органической химии в ней возникали и про­должают возникать проблемы теоретического характера, для решения кото­рых необходимо было изучить те или иные соединения с экзотической (по крайней мере, для своего времени!) структурой. Для этого нужно было преж­де всего их синтезировать и тем самым убедиться в возможности их сущест­вования. Изучение свойств таких соединений не только позволяло прове­рить справедливость предсказаний теории, но и во многих случаях служило импульсом к созданию новых теоретических концепций. Рассмотренные ни­же примеры могут служить иллюстрацией сказанного.

Отдельные случаи изомерии органических соединений были известны уже в начале 1830-х годов, но рациональная интерпретация этого феномена стало возможной лишь позднее, в 1850-х годах с появлением теории строения органических соединений. Действительно, согласно представлениям этой теории, развитым А. М. Бутлеровым, помимо таких, уже известных классов соединений, как н-алканы, первичные и вторичные спирты, должны были существовать также изоалканы и третичные спирты. Успешный синтез соединений этого типа явился одним из важнейших свидетельств справедли­вости основных концепций структурной теории.

Для проверки теории ароматичности в свое время было исключительно важным ответить на вопрос о том, является ли ароматическим соединением циклооктатеграен (71, схема 1.22), ближайший аналог бензола? Синтез этого ранее неизвестною вещества, выполненный Вильштеттером в 1911 г., и изу­чение его свойств позволили дать однозначный ответ на этот вопрос (циклооктатетраен — неароматичен).

Схема 1.22

Не менее важным для подтверждения представлений структурной теории явился синтез таких соединений, как оптически активные аллены 72 или четвертичные аммониевые соли 73, т.е. типов структур, для которых возмож­ность оптической изомерии непосредственным образом следовала из пред­ставлений Вант-Гоффа и Ле Беля.

Для химика-органика такие структуры, как кубан (74), призман (75) или суперфан (76), исполнены столь неотразимого очарования, что просто не­возможно было не попытаться их синтезировать. Успешное осуществление синтезов этих и других соединений с не менее экзотическими структурными каркасами не только открыло совершенно новые области исследования для экспериментаторов, но и стимулировало разработку новых представлений теоретической органической химии.

Схема 1.23

Синтез ротаксанов (77), в которых циклическая молекула «надета» на ли-йейную и не может с нее «соскользнуть» из-за наличия объемистых конце­вых групп, ^и катенанов (78), в которых две циклические молекулы связаны друг с другом, как звенья в цепи, разрешил положительно вопрос о возмож­ности существования молекул, фрагменты которых соединены без помощи ковалентных связей (схема 1.23).

С развитием органической химии проблемы дизайна и синтеза соедине­ний новых структурных типов, отнюдь не иссякают. На схеме 1.23 приведе­ны также формулы тетраэдрана (79) и фенестрана (80) как примеры струк­тур, все еще остающихся проблемными для синтеза.

Более подробно ряд общих и конкретных аспектов молекулярного дизай­на, направленного на создание необычных и теоретически интересных структур, рассмотрен в гл. 4 данной книги.