История молекул. Экспонат первый: адамантан
Наш виртуальный музей химии хорош тем, что в нем можно выставлять экспонаты, не видимые невооруженным глазом. В том числе - интересные молекулы. Выставлять, и рассказывать их историю. Достаточно давно главный редактор портала писал статьи из серии «Жизнь замечательных молекул». Затем он передал эстафету другу, казанскому химику и популяризатору химии Аркадию Курамшину, который успел за свою работу получить премию «За верность науке». У Аркадия даже вышла книга, но пять лет назад ученого не стало. И сегодня мы возобновляем цикл рассказов о молекулах на страницах нашего музея и порталов «Менделеев.инфо» и «Живая история науки», посвящая его памяти Аркадия Курамшина. Наш первый выпуск - о необычной органической структуре, имя которой - адамантан, и которая была предсказана ровно век назад.
Аркадий Курамшин
Автор этого текста до сих пор использует в качестве химической подписи эту безупречную молекулу, уникальную тем, что ее структура, с одной стороны, жесткая, а с другой - лишена всех возможных пространственных напряжений, которые бывают свойственны многим циклическим молекулам.
Структурная формула адамантана
21-27 сентября 1924 года в Инсбруке состоялся крупный конгресс естествоиспытателей. В числе прочих на нем выступил некий химик по фамилии Деккер (в отчете о конгрессе, опубликованном в авторитетном журнале «Angewante Chemie», он фигурирует только как H.Decker из Йены) с докладом «Пути синтеза алмаза». В этом докладе он рассматривал возможности синтеза углеводородов со структурой, подобной атомной решетке алмаза, и предсказывал, что молекулы со 100-200 атомами углерода будут уже сильно напоминать алмаз. Тут-то он и упомянул молекулу «декатерпена» С10Н16, несколько удивляясь тому, что она еще не синтезирована. Так впервые попал в поле зрения химиков тогда еще гипотетический углеводород адамантан.
Любопытнее всего то, что вещество с точно такой же структурой было известно уже очень давно. Подобное вещество синтезировал еще великий Александр Бутлеров в 1859 году взаимодействием аммиака и формальдегида. Называется оно уротропин, или гексаметилентетрамин. Правда, в структурных узлах этой молекулы находятся не атомы углерода, а атомы азота.
Уротропин
Это вещество до сих пор хорошо известно и используется в быту. Большинство его знает как сухое горючее, медики применяют его как антисептик и называют «метенамин». Кстати, это один из немногих случаев, когда использующийся сейчас синтетический медицинский препарат имеет более чем вековую историю применения.
Ганс Меервейн
Но вернемся к нашим адамантанам. В том же 1924 году знаменитый немецкий химик Ганс Меервейн (автор знаменитого реагента своего имени, тетрафторобората триэтилоксония) таки предпринял попытку синтезировать «декатерпен». Он заставил прореагировать формальдегид с малоновым эфиром в присутствии пиперидина. Однако получилось вещество, которое оказалось не совсем адамантаном, и получило название «эфир Меервейна».
Эфир Меервейна
В 1933 году интерес к адамантану возрос еще больше, поскольку это вещество нашли в природе - в нефти. Чешские нефтехимики Ланда и Махачек выделили его из продуктов Годонинского месторождения. Попытки синтеза продолжились, но еще восемь лет ничего не получалось. В качестве примера неудачной попытки можно привести вариант синтеза из флороглюцина и циклогексанона.
Владимир Прелог
В год начала Великой Отечественной войны в дело вступил будущий нобелевский лауреат, хорватско-швейцарский химик (тогда он еще не переехал в Цюрих) Владимир Прелог. Он вернулся к неудачным экспериментам Ганса Меервейна и продолжил «колдовать» с результатом его синтеза. В итоге в пять стадий и с выходом шестнадцать сотых (!) процента получился первый в мире синтетический адамантан.
Упрощённая схема синтеза Прелога
В 2007 году выход синтеза адамантана удалось увеличить до 60%, а позже, в 2012, с использованием суперкислот и ультразвука - до 98%.
То, что адамантан синтезировал именно Прелог, очень символично. Ведь именно он стал основателем современной стереохимии, человеком, который навел порядок в химической номенклатуре оптически активных веществ. Адамантан же примечателен не только своей структурой - он оказался первым веществом с хиральным центром вне самой молекулы. Ведь вся молекула адамантана подобна одному атому углерода. Если «повесить» (без кавычек?) на нее четыре разных заместителя у третичных атомов углерода, то они расположатся по вершинам воображаемого тетраэдра, и молекула будет несовместима со своим зеркальным отображением. В 1969 году такие соединения были получены и разделены на оптические изомеры. А называть их стали по возникшей между 1941 и 1969 годом системе Кана - Ингольда - Прелога, в создании которой самое активное участие принял человек, впервые синтезировавший адамантан.
Один из стереоизомеров четырёхзамещённого адамантана
Но мы до сих пор ничего не сказали о практической пользе таких молекул. Прошло чуть более четверти века со дня первого синтеза адамантана, и его простенькое производное - аминоадамантан, или амантадин, - стали использовать в качестве противовирусного средства.
Амантадин
Оказалось, что эта небольшая молекула весьма опасна для вируса гриппа. Чуть позже выяснилось, что амантадин неплохо снимает симптомы паркинсонизма - быстрее леводопы и с минимумом побочных эффектов. В этих направлениях и поныне развивается фармакохимия адамантанов. Два самых известных препарата адамантана как раз относятся к этим направлениям.
Римантадин
Первый - римантадин. Это тоже однозамещенный адамантан, к которому прикреплена группа CH3CHNH2. Его начали тестировать как противовирусное средство еще до амантадина (если первый получили в 1967 году, то римантадин - еще в 1963-м). Его до сих пор активно используют против самых разных вирусов - от гриппа А и герпеса до клещевого энцефалита. Он подавляет репродукцию вирусов на начальном этапе - сразу после проникновения их в клетку. Впрочем, судя по всему, вирусы гриппа А и В уже приспособились к препарату и он уже не работает. Зато тромантадин - тоже адамантанпроизводное - вполне эффективен против вируса герпеса.
Тромантадин
Второй - мемантин. Как можно понять из названия, этот препарат воздействует на память. Он действительно на какое-то время улучшает ее у пациентов с болезнью Альцгеймера, но мемантин пытаются приспособить и к лечению других видов деменций.
Мемантин
Продолжаются и синтетические работы в этой области. Так, например, в 2005 году в журнале Scienceпоявилась короткая заметка о синтезе полностью кремниевого аналога адамантана - сила-адамантана. Правда, все атомы водорода в таком конструкте были заменены метильными группировками, но тем не менее.
Современные химики (например, из ИОНХ РАН) используют адамантан для синтеза самых разнообразных оксидных материалов.
Но и сам адамантан продолжает удивлять необычными свойствами: в 1987 году при помощи суперкислот удалось получить адамантановый дикатион, который оказался необычно стабильным. Как выяснилось, в нем действует четырехцентровая двуэлектронная связь - первый пример трёхмерной ароматичости!
Синтез адамантанового дикатиона
Текст: Алексей Паевский
Материал подготовлен ИОНХ РАН при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».