Выбор раздела

В этой науке – применению комплексов переходных металлов в органической химии – сотни реакций и методов. Но никто не оспаривает выдающееся место двух – кросс-сочетания и метатезиса олефинов. Полноценные нобелевские премии каждой не дадут соврать – место этих методов, каждый из которых это целая отдельная химия колоссального объёма и непрерывно развивающаяся. У каждой из этих химий своя история появления. Как рождалось кросс-сочетание мы в общих чертах разобрались – это был очень долгий путь, в основном в потёмках – хотелось сделать такую реакцию, но очень долго было непонятно как – так и двигались, путь был похож на короткие и редкие перебежки, и в этом спорте было занято множество разного народа. Так бегали-бегали – и однажды добежали. Первые реакции кросс-сочетания были просты, катализаторами были самые простые комплексы из тех, что могут заваляться на дальней полке холодильника у любого химика. Дальше уже химия стала медленно развиваться, в основном для того, чтобы решать конкретные проблемы синтеза. Механизм кросс-сочетания довольно прост, состоит из стандартных стадий, которые по отдельности заняты в еще сотнях реакций, и так эта химия понемногу совершенствовалась, но даже в самых современных работах нередко с успехом используют самые первые каталитические системы и вовсе не парятся какими-то усовершенствованиями.

А вот с метатезисом все было совсем не так. Метатезис – весьма неожиданная реакция, почти неправдоподобная на первый взгляд. Открыли ее случайно, не сразу поняли, что это именно новая полезная реакция, а не какой-то диковинный и неприятный побочный процесс в полимеризации Циглера-Натты. Очень долго почти никто не задумывался о практической ценности этой реакции, да и никаких нормальных катализаторов для неё не было и неясно было, ни где их искать, ни существуют ли такие вообще. Так это неспешно и развивалось практически исключительно в лабораториях промышленных химиков, как такое развлечение в свободное время от усовершенствования процессов полимеризации. И так бы это и продолжалось, если бы однажды французский профессор Ив Шовен не предложил очень необычный и совершенно гениальный механизм, оригинальность которого непросто понять, но оно того стоит, потому что это реакция, которая сильно вываливается из той общей схемы, которую мы успешно применяем для других реакций – концепции многостадийного и возможно каталитического процесса, происходящего исключительно в координационной сфере переходного металла. Да, это тоже многостадийная реакция и она тоже происходит в координационной сфере металла, но у неё нет конца – она бесконечна, пока в смеси есть олефины, а поскольку она сама порождает олефины, то олефины в смеси есть всегда, и конец этой реакции может положить или случай (например, прямое попадание высокоточного боеприпаса), или экспериментатор, который, как это положено в химии, выльет реакционную смесь в унитаз воду или другой реагент, который разрушает активные комплексы. Этот механизм показал, где нужно искать настоящие катализаторы для метатезиса, но он же одновременно выявил совершенно фундаментальные проблемы процесса  метатезиса, которые никак не сулили быстрого прогресса и наоборот говорили, что даже для самого первого успеха потрудиться придется основательно. С этого момента началась гонка за первым настоящим катализаторам, и она действительно заняла почти два десятилетия, попутно приведя к огромным достижениям в химии ранних переходных металлов, которые немедленно стали работать во многих других реакциях помимо собственно метатезиса и раньше метатезиса. Так или иначе, но колоссальные усилия привели к результату – возникла химия катализаторов Шрока, основанная на комплексах металлов 6-й и 7-групп. Но и это не привело к немедленному успеху метатезиса олефинов и параллельно возникшему метатезису алкинов, а только вступление в игру позднего переходного металла, рутения, в работах группы Роберта Граббса и его учеников и коллег. Но это уже почти самый канун 21-го века. Почти полвека понадобилось для того, чтобы по-настощему запустить метатезис олефинов, и сделать его одним и самых популярных методов органического синтеза, встречающегося в каждой третьей работе и даже чаще. 

Попробуем проехать по этой волнующей истории, и заодно понять, насколько точен был выбор Нобелевского комитета, выбравшего именно тех трёх учёных, которым мы и обязаны тем, что сейчас применить метатезис в своем синтезе сможет практически любой органик, а сам метатезис стал такой же рутиной особенно в циклизациях, как конденсации сложных эфиров типа Дикмана или ацилоиновой.  

Эта страничка пока готова далеко не полностью и местами очень сырая. Сырость не касается собственно материала, который вполне полноценно проработан за исключением самого конца, где повествование оборвано, потому что там еще не готовы схемы. Но сам текст местами избыточно многословен и неаккуратен, и требует редактирования, чем я когда-нибудь займусь, потому что сейчас всё это прочитать, на мой взгляд, невозможно. Здесь дикое количество опечаток, а некоторые маршруты не завершены. Меня попросили ее выложить, но она будет дорабатываться дальше, правда неизвестно когда. Так что если не горит читать, отложите. Скорее всего, я её доработаю до финальной версии к следующему сезону курса, 2024 года. Если на то будет благосклонная воля релевантных богов, конечно.

В начале была полимеризация

Метатезис родился из полимеризации. Причём сразу в нескольких местах, но об этом немного позже. Посмотрим пока кратко на саму полимеризацию. Для современного человека крайне трудно представить себе, что когда-то существовал мир, в котором не было синтетических полимеров, пластмасс, полимерных материалов. В современном мире их так много и они настолько вездесущи, что мы уже столкнулись с ужасной проблемой – оказывается, они, полимеры, приготовили нам сюрприз и понемногу вытесняют и нас и всё остальное с лица этой экспериментальной планеты, где сами обитатели ставят смелый эксперимент, выживут они или нет, если будут изобретать и применять все новые способы испортить себе жизнь. Про микропластики и про пластмассовый остров в океане слышали уже все. И мы начали уже обратный переход – от пластика к берёзе и сосне. Иначе, говорят нам, будет настолько плохо, что будем молить о пощаде, но не услышат нас, потому что мы одни уж по крайней мере в этой галактике. И в ведомствах всех богов и божеств нет департаментов избавления от материальных проблем – там речь идёт только о духовном, а что делать, если у вас из носа и ушей уже торчат безобразные пластмаски, это их не волнует, это вам в наказание за гордыню.

Но полимеры возникли совсем недавно. Если не вдаваться сейчас в детали, то история синтетических полимеров насчитывает приблизительно сто лет. Почти ровно сто лет. В 1920 великий немецкий химик Герман Штаудингер впервые высказал гипотезу о существовании очень больших молекул, как он это назвал – макромолекул – и это была совершенно революционная идея. Смысл ее легко понять, если вспомнить, что в первые сто лет настоящей химии единственным способом как-то изучить вещество было установление состава элементным анализом и брутто формулы. Но любая брутто-формула подходит и для вещества с двойным, тройным, четверным, и т.д. составом – нужно еще узнать молекулярную массу. Все классические методы определения молекулярной массы (криоскопия, эбулиоскопия и т.д.) всегда дают неопределенность – если соединение в растворе подвержено агрегации, а возможность такого поведения химики распознали как только стали накапливаться данные по измерению молекулярных весов, то вы уже не можете сказать точно, какова кратность заложена в брутто-формуле. Да, вы пытаетесь менять условия, разбавлять и так далее, и часто достинаете желаемой точности, но не всегда – у некоторых соединений склонность к агрегации сильнее любых ухищрений.  Стали изучать всякие природные, как мы сейчас понимаем, полимеры, но не могли понять, что такое, например, крахмал – какова там кратность. Но практически всех химикам тех времен казалось совершенно невозможным, что органические молекулы могут иметь сотни и тысячи атомов углерода, кислорода, азота – в одной молекуле. Это была такая естественная оторопь – ни один человек в том время не мог понять, а что можно сделать с такими молекулами, если они всё же существуют – как их получать, как определять структуру, что делать с точностью измерения того же состава. Это типичное поведение Скарлет О’Хары из Унесённых ветром Маргарет Митчелл – “я не хочу думать об этом сегодня, я подумаю об этом завтра”. Но вот нашелся таки человек, который захотел подумать об этом сегодня – и с 1920 года исчисляется время, когда человечество осознало, что макромолекулы или полимеры существуют. После войны в 1953 Штаудингеру отвалили за эту мысль нобелевку, и это было уже очень вовремя, птому что в 1950-е начался совершенно невероятный бум полимеризации и полимеров.

Мысль Штаудингера была не совсем академической. Штаудингер пытался разобраться с тем, как устроен каучук. Германия только что признала поражение в Первой мировой войне, но не смирилась с этим. Немцам было ясно, что они проиграли потому что отстали в экономике и промышленности от стран Запада и не успели догнать до начала Великой войны. И что войны будущего, которые они естественно решили выиграть, будут тем более войнами, успех в которых будет зависеть от нового оружия, а для этого нужны всякие материалы, в том числе резина, много резины. А резина  в те времена делалась из природного каучука, все проиводители которого контролировались Британской империей. И задача стояла просто – или Германия найдёт заменитель резины, не зависящий от ресурсов, контролируемых Британией, или придётся смириться с подчинённым положением на мировой арене, а это в те времена, когда не существовало еще глобальной системы мировой торговли, и каждая держава контролировала свои рынки сырья и сбыта продукции, было равнозначно историческому поражению. В общем, к задачам импортозамещения подключились ведущие немецкие учёные. Эх, знали бы они какому монстру мостят дорогу, может и не проявили бы большого рвения. Так или иначе, поиски заменителей природного каучука начались. Идея Штаудингера оказалась плодотворной. Довольно быстро выяснили, что надо научиться производить и полимеризовать бутадиен. На этом пути Германию обогнал и СССР с методом Лебедева, и США с разработками компании Дюпон, но немцы всё же упорно работали и нашли свой, очень дорогой и неэкономичный метод, но для тех правителей Германии это было не важно. Началась жестокая схватка добра со злом, в которой Германия проиграла по всем статьям, в том числе и по научно-техническим.

Другой ранний полимер это полиэтилен. Интересно, что он был открыт сильно до идей Штаудингера, на рубеже веков, совершенно случайно. Если вы когда-нибудь делали диазометан (надеюсь, что нет, не рекомендую, но иногда приходится), и хранили раствор этого ужасного вещества, могли видеть белый порошок, который понемногу выпадает из таких растворов. Это полимер карбена (легко полимеризоваться может триплетный карбен), полиметилен. Вот это вещество и было открыто и именно так и названо Ойгеном Бамбергером в 1900 году. Понятно, что между полиметиленом и линейным полиэтиленом разницы большой, мягко говоря, нет. Но сам полиэтилен и полимеризацию собственно этилена открыли немного случайно прямо накануне Второй мировой войны в Англии. И также совершенно случайно этот материал оказался отличным изолятором и сразу пошёл в дело, когда англичане смогли впервые собрать систему противовоздушной обороны из огромных радаров, которая здорово им помогла в отражении попытки Гитлера в 1940-м вторгнуться на Британские острова. Удивительно, но Британии тогда повезло два раза с прорывными открытиями в химии, которые тут же были внедрены в производство – ипатьевский высокооктановый авиационный бензин и полиэтилен для изоляторов.

Первый полиэтилен получался свободнорадикальной полимеризацией этилена под очень большим давлением. Без давления цепи слишком быстро обрываются, но свободнорадикальный механизм неизбежно вызывает другую проблему – очень неселективные высокоактивные радикалы алкильного типа легко отрывают атомы водорода из вторичных положений растущей цепи, и на этих радикалах нарастают боковые цепи. Поэтому такой первый полиэтилен содержит разветвлённые молекулы, из-за этого молекулы пакуются в материал неплотно, получается такой полупрзрачный мягкий полимер, который мы все много раз видели – из него делают всякую дешевую тару, крышки и тому подобную неприхотливую ерунду. Он дешев, но малопрочен, быстро плывет и деформируется при небольшом нагревании. Полиэтилен низкой плотности (Low Density Polyethylene, LDPE) – так называетсссся этот полимер, с которого начинается огромная промышленность полимеров и пластмасс.

Свободнорадикальная полимеризация годится еще для нескольких популярных полимеров, в первую очередь полимеров производных акриловой кислоты и виниловых эфиров, у которых более-менее однозначна структура радикалов и почти нет побочных реакций. Но вот для полимеризации других олефинов, от пропилена и далее, этот метод малопригоден, потому что там всегда есть возможность образования очень ленивых радикалов аллильного типа, на чём всё более-менее и заканчивается, и вместо твердого полимера получается в лучшем случае вязкая бесполезная дрянь.

Перспективность поиска новых полимерных материалов была вполне осознана как раз во время войны, и в послевоенное время исследования пошли очень интенсивно во многих химических корпорациях. Полимеризация бывает еще катионная и анионная. В первой работают карбокатионы, и это очевидно сопровождается перегруппировками и вообще неселективно, она очень чистая и селективная, ей довольно легко управлять, в общем ясно, что это именно тот путь, которым надо идти. Но в анионной полимеризации есть неприятные и труднопреодолимые проблемы, когда ее делают не в лаборатории, а в большой промышленности. Анионная полимеризация идет под действием активных карбанионов. В начале это была простая литийорганика – метиллитий, бутиллитий. Этим занялся еще до войны другой великий немецкий химик Карл Циглер, и тогда он начал именно с производных лития, и стал он одним из отцов-основателей литийорганики – именно по его методикам мы до сих пор получаем бутиллитий и другие популярные алкиллитии. Чисто анионная полимеризация работает, но она очень дорогая, и еще очень неудобна тем, что дает так называемый живой полимер – когда мономер заканчивается, на конце растущей цепи остается живой карбанион, его надо гасить и дальше как-то убирать из продукции соли лития; это кажется очень простым делом, но в условиях масштабного производства полимеров это перестает быть элементарной химией.

В общем Циглер основательно занялся поиском альтернатив, но уже после войны. А во время войны Циглер открыл чрезвычайно полезную реакцию – аллильное бромирование под действием NBS. Про Циглера и его противоречивые отношения с нацизмом можно прочитать на моём органическом сайте. Отношения были действительно противоречивые, Циглер шёл на большие компромиссы для того, чтобы продолжать работать, и так он и работал всю войну, пока английская авиация не раздолбала в щебень город Мюльхайм и частично знаменитый институт Исследования Угля кайзера Вильгельма, директором которого и был Циглер (про этом институт и его роль в немецкой химии тоже можно прочитать в послесловии на страничке про последнюю нобелевскую премию). Но если немного подумать, становится ясно, что скорее всего в годы войны Циглер как-то съехал на безобидную химию типа того же аллильного бромирования, не для того ли чтобы даже случайно не открыть что-нибудь, что помогло бы продлить дни Третьего рейха.

После войны в Германии удивительно быстро возродилась жизнь. И наука. Циглер стал усердно искать способ селективной и удобной полимеризации. Мысль пошла в довольно интересном направлении – как соединить два типа полимеризации – кислотно-катализируемую и анионную. Так как с протонной кислотой получается фигня, стали пробовать кислоты Льюиса, разные соли, в том числе переходных металлов. В качестве инициаторов анионной полимеризации – разные алкильные производные непереходных металлов. Тогда же появились так любимые нами комплексные гидриды типа алюмогидрида лития. Как ни странно, это тоже продукты войны – их открыли в рамках проекта по поиску удобных летучих производных урана для обогащения изотопов для проекта создания атомной бомбы. Нашли условия, когда триэтилалюминий под давлением этилена стал наращивать цепи на атоме алюминия, стало понятно, что алкилалюминии алкилируют этилен, причём цепь остаётся на металле. Что-то уже совсем близко, но морочно и неудобно, и цепочки быстро обрывались из-за элиминирования гидридов алюминия. Стали искать добавки, и в какой-то момент добавили ацетилацетонат элемента 4-й группы, циркония. И вдруг неожиданно получили в автоклаве белый порошок, который оказался полиэтиленом с необычно большой молекулярной массой а следовательно и степенью полимеризации, и при этом он образовался при очень небольшом давлении этилена. Запахло великим открытием. Стали немного варьировать дальше, уже в той же группе и быстро приехали к смеси TiCl4-Et3Al, и это и стало первым катализатором нового типа полимеризации. Циглер назвал новый метод полимеризации координационным, весьма прозорливо, ка мы понимаем сейчас, когда разобрались, что движущие силы реакций комплексов переходных металлов изучает координационная химия. Сам Циглер, естественно, этого понимать не мог, потому что сама эта химия была ещё впереди.

Этилен полимеризуется в присутствии этого катализатора при небольшом давлении в несколько десятков атмосфер, легко получаемых в промышленных условиях и не требующих сложных и дорогих реакторов высокого давления. Но что самое главное – полимер получается чисто линейный, без разветвлений, такие цепи лучше пакуются в твердом материале, образуя такие длинные петли, состоящие из отрезков прямых цепей в конфигурации все-анти (подробнее про это можно прочитать на моем органическом сайте в ответах на вопросы про очень большие алициклы), время от времени загибающихся в обратном направлении несколькими гош-конформациями. Внутри такого полимера меньше пустого места и всякого хаоса, поэтому плотность материала выше, в числах это несколько десятых, но это очень важное изменение, потому что материал становится намного более прочным и выдерживающим большие теемпературы. Материал назвали полиэтиленом высокой плотности (high density polyethylene, HDPE), и это с тех пор и поныне один из самых распространенных полимерных материалов с очень широким спектром применения. Дальнейшее развитие металлокомплексных катализаторов дало технологии получения еще более прочных полимеров с совсем большим молекулярным весом.  

Как работает катализатор Циглера?

Это выяснили в 1960-х, да мы, на этой стадии изучения этой науки сможем и сами написать этот механизм из общих соображений. Там, конечно, много нюансов, но мы пока оставим все детали и вытащим только самое главное. Катализатор первого поколения состоит из простого производного переходного металла, обычно раннего, в высокой степени окисления, предполагающей значительную льюисову кислотность, и алкильного производного непереходного металла (алюминия, цинка, олова и т.п.). Отлично можно предположить, что при смешении этих компонент первым делом происходит переметаллирование, ведь переходные металлы обычно менее электроотрицательны, чем непереходные.

Возьмём самую классическую композицию и не будем усложнять, но и не будем забывать, что нам нужны координационно-ненасыщенные комплексы, чтобы в координационной сфере было место. Но собственно понятно, что когда мы пишем TiCl4 – это такая условность, потому что в таком комплексе счет электронов был бы абсурдно маленьким – очевидно, что мы не видим неявных лигандов, растворителя или мостиков, или еще чего-то. Так что нам не надо заботиться о координационнойо сфере, здесь она условна, и такие катализаторы обычно называют неопределёнными (ill-defined). Поэтому вообще наплюём на лиганды-спектаторы, даже ненужные хлориды опустим, просто примем, что на схеме Ti означает координированный металл в степени окисления +4 с опущенными лигандами-спектаторами, природу которых мы всё равно не знаем. Итак, что может быть с алкильным комплексов титана. Есть большой соблазн вернуться к реакции Кулинковича, но там в координационной сфере два алкила, а здесь это не нужно. Один алкил может, во-первых, войти в равновесие β-гидридного элиминирования, тогда в системе образуется гидридный комплекс титана. Но поскольку реакция идет под давлением этилена, это равновесие будет смещено в сторону исходных. Во-вторых, этилен может входить в координационную сферу, за чем последует стадия миграционного внедрения или карбометаллирования. Место освобождается, связывается ещё один этилен, повторяется миграционное внедрение, и так далее – цепь растёт. В этом типе полимеризации цепь может расти очень долго, потому что оборвать цепь проще всего за счет β-гидридного элиминирования, но это, видимо, происходит по какой-то причине не часто, если вообще происходит. Такой механизм называют механизмом Коссе по имени одного промышленного химика, работавшего на исследовательский центр компании Шелл. Подробнее разбирать не будем, хотя возможно однажды вернёмся, чтобы разобрать более современный тип высокоселективных катализаторов на основе металлоценовых комплексов металлов 4 группы, на котором основаны современные процессы полимеризации олефинов, в том числе производство особых видов полиэтилена с чрезвычайно большими молекулярными массами, дающими невероятную прочность материалов на этой основе

Первое открытие метатезиса: предисловие, можно пропустить

Итак, Циглер обнаружил потрясающий катализатор нового типа полимеризации, встал в очередь за нобелевкой, и повёл себя очень странно – он рассказал об открытии нескольким исследователям, с которыми давно сотрудничал, в Италии и США. Скорее всего, он трезво оценивал и свои возможности и возможности немецкой промышленности, ведь с конца войны прошло совсем немного времени и Германия ещё была в довольно непростом положении. Но так получилось, что выбор Циглера был точен, особенно в Италии. Италия в войне тоже получила очень большие разрушения и потери: в этой стране нет почти ни одного города, даже небольшого, который не получил бы свою долю бомбардировок – в 1944-45 из этой страны пришлось буквально выковыривать, город за городом, немецких оккупантов, которые захватили страну после переворота 1943 года, когда вслед за попыткой свергнуть фашистский режим и примкнуть к войне уже на стороне союзников по антигитлеровской коалиции, Италию почти молниеносно оккупировали нацисты, опершись на остатки приверженцев Муссолини. В Италии Циглер рассказал о своём открытии профессору Джулио Натте из знаменитого Миланского политехнического института. Натта был очень ярким даже не химиком, а скорее технологом, инженером-химиком. В Италии вообще очень высоко ценят эту профессию, и дипломированные инженеры с гордостью продолжают называть себя этим словом, которое используется так же как титулы доктор, профессор, адвокат – даже если человек дошел до каких-то очень высоких должностей и стал очень большим начальником. И так получилось, что именно Натту можно считать первооткрывателем метатезиса, правда сам он этого не понял и понять не мог.

С этим Наттой произошла очень неприятная история – его чуть было после войны не записали в пособники фашистского режима, а это тогда было очень плохим клеймом, итальянцы очень тяжело переживали, как их угораздило стать легкой добычей для отвратительного демагога и проходимца Бенито Муссолини, назвавшего себя дуче фашизма. Всем было очень стыдно, а глядя на развалины своих прекрасных городов, ещё и очень горько и обидно – ведь они всё же попытались сами от этого избавиться, но не шмогли, и получили славную порку заодно с нацистами от англичан, американцев, поляков и французов с марроканцами. И вот после войны стали искать пособников фашистского режима: деятелей режима без сентиментов ставили к стенке, а тех, кто замарался по касательной тоже как-то порицали. К Натте больших претензий вроде не было – он, как и сам Циглер  были из тех больших профессионалов, для которых хоть война, хоть падение астероида, хоть великий потоп – если есть хоть малейшая возможность заниматься любимым делом – наукой, творчеством, изобретениями – то хоть трава не расти, ни на что внимания не обратят. Так и будут, как Архимед в Сиракузах чертить на последнем пятачке песка свой последний чертёж. Сложная это проблема – порицать таких деятелей. Они невольно часто дают то, что позволяет отвратительным режимам прожить подольше, убить побольше. А потом дым рассеивается, режим отправляется на свалку истории, и оказывается, что достижения этих “пособников” начинают уже служить человечеству.

А с Наттой история произошла даже почти комическая, хотя и связана она с самым позорным периодом истории Италии. Незадолго перед войной, а дурак дуче на свою голову присоединился к Гитлеру в 1940-м, побоялся, что останется не у дел при дележе добычи завоевателей, освободилось престижнейшее место директора института промышленной химии, который входил в знаменитый миланский Политех – в Италии это место равнозначно признанию величайших заслуг в том, чему Натта и посвятил жизнь – организации химической промышленности, разработке новых процессов. Натта подал документы и получил это место. Всё здорово, молодец, но проблема в том, что место освободилось не просто так. С этого поста был вынужден уйти его многолетний директор профессор Марио Джакомо Леви, человек с традиционной еврейской фамилией. Надо сказать, что фашистский режим очень долго вообще никак не относился к евреям. Вот нацисты в Германии были просто помешаны на этом, и приступили к репрессиям на следующий день после прихода к власти в 1933. Муссолини пришел к власти намного раньше, в 1922, с этого года начинался отсчет лет “эры фашизма”, но своими врагами считал левых, коммунистов, социалистов, даром что сам был выходцем из социалистической партии и главным редактором партийной газеты, и своих бывших соратников возненавидел яростно. В общем, в этом не было ничего личного, Муссолини интересовала только власть, власть консолидировалась с помощью антикоммунистической демагогии, задачей якобы было недопущение революции по примеру России и на этой основе объединение народа под руководством себя, принявшего титул дуче фашизма (дуче это просто вождь, типа, фюрер, а само слово происходит от латинского титула дукс, а это что-то типа военачальника высокого ранга в конце античности, и от этого слова дальше пошли слова дука (=герцог) и дож (=самый большой выборный начальник в Венеции, Генуе и некоторых других морских республиках средневековья). Муссолини пришлось так себя назвать, потому что во главе Италии всё это время был король, Виктор Эммануил Третий, которого тоже льстиво называли дуче, только всей Италии, поэтому Муссолини не мог назвать себя главой или вождём Италии, и нашёл такую уловку – стал вождём тоталитарной идеологии фашизма, на которой и попытался переустроить Италию. А в перспективе имел виды и на смещение короля и на то, чтобы и формально стать из дуче фашизма полноценным дуче Италии – но вместо этого нашел себе место на бензоколонке площади Лорето в Милане, где его труп повесили вниз головой рядом с тупой любовницей Кларой Петаччи и еще десятком совсем слабоумных соратничков.

Поначалу идеи единства зашли просто отлично, на них купились многие и не только простые люди, но и самые сливки итальянских интеллектуалов: в 1925, когда режим уже заматерел, отбросил все условности демократии, совершил несколько зверских политических расправ над оппонентами, что вроде бы должно было бы насторожить интеллектуалов – но не насторожило, интеллектуалы вообще иногда любят прикидываться дурачками, и эти незадачливые интеллектуалы опубликовали и подписали Манифест фашистских интеллектуалов (это буквальное название, слово “фашисткий” означало сторонников единства народа; фашизм – это и есть единство, олицетворяемое с помощью простой метафоры пучка прутьев, возникщей ещё в античности, по-итальянски пучок = fascio, что-то типа фащё, простите за грубую транскрипцию). Когда человек гордо говорил – я фашист (главный гимн фашизма начинается с этого: К оружию, к оружию, мы фашисты, ужас коммунистов…) – это значит просто то, что он говорит – я за единство народа вокруг вождя, вождю виднее зачем нужно это единство, а я типа патриот, со своим народом, ну и всё такое прочее, нельзя сказать, что мы сами никогда не слышали таких речей, но это конечно же другое. В этот момент фашизм в Италии вызывал почти всеобщее воодушевление, и как в Англии все королевское, а в СССР было все советское, так и в Италии любую вещь, организацию, должность, явление называли фашистскими: фашистские музыканты играли фашистскую музыку на фашистских праздниках, а над их головами фашистские пилоты пилотировали фашистские самолеты, лаяли фашистские собаки, мяукали фашистские коты и т.д. Вообще нельзя не оценить идею: слово это передавало идею единства народа, но попробуйте образовать прилагательное от понятия “единство народа”, ничего не выйдет, а тут было найдено словечко передававшее эту идею. Преступления и позор были впереди, а пока все носились с этим словом как с писаной торбой, ведь и правда – кому же может не понравиться единство и сплочение. Вот и манифест интеллектуалов-фашистов подписали многие знаменитые итальянские писатели, поэты, композиторы, учёные, инженеры, политики – среди них, например, всемирно знаменитый драматург и писатель, нобелевский лауреат Луиджи Пиранделло, ну и многие другие, в том числе тот самый профессор Леви. В Италии еврейское происхождение и стандартная еврейская фамилия никак не мешали человеку быть ревностным фашистом и поклонником дуче фашизма и идей фашизма, которые можно выразить простой формулой: “Мы, итальянцы, круче всех и скоро всем наваляем, если будем едины, и неважно сколько у кого из нас денег и имущества и какая у кого национальность и прочее, – будем добрыми и преданными фашистами, сплотимся вокруг великого дуче, а всё остальное, в том числе военные победы над всеми, кто посмеет нам перечить!” Вот такая примитивная туфта, на которую клюнули и простые крестьяне, и университетские профессора. Не все правда, но многие. И никак этому не помешали ни тысячи лет славной истории, ни великое искусство, ни памятники в количествах, превосходящих все остальное в мире, ни наследие гуманистоы, ничего. Простая как кирпич мысль моментально вышибоа из самых изощренных мозгов все, что мешало тому, чтобы понять, что мысль эта ведёт к позору и ничтожеству.  

Леви был крупным специалистом в области взрывчатых веществ и топлив, очень востребованная профессия в видах планов дуче фашизма по восстановлению империи. Но справедливость требует сказать, что манифест подписало 250 человек, а в Италии того времени блестящих интеллектуалов было намного больше, и большинство не очень стремилось к поддержке авантюриста и демагога Муссолини, и не подписывали манифест; Джулио Натта не подписал манифест, он просто работал, и наверное, как и многие коллеги, думал, что поорёт-поорёт, да жизнь и реальные задачи устройства страны заставят заниматься экономикой и другими полезными делами, и всё как-то устаканится.

Ну вот, так дело и шло. Прошло десять лет фашизма, с огромной помпой отпразднованное выставками, шествиями, парадами, речами дуче фашизма. Были какие-то успехи и в экономике, но не очень впечатляющие – по планам единство и сплочение народа, иными словами фашизм должны были сами собой привести к невиданному расцвету, не мог же ошибаться великий дуче фашизма, но Италия продолжала быть довольно бедной страной, сильно отстававшей от стран запада: Франции, Голландии, Британии, США. Народ как-то стал понемногу разочаровываться и расплачиваться за дутое сплочение. И тогда дуче прибег к главному способу продлить жизнь любого тупого режима, заехавшего в тупик – стал искать врагов внутри страны, ввязался в войны, сначала в Африке, сначала войны планировались как малые и победоносные, но уже эфиопы чуть было не разбили фашистские войска, и только с помощью химического оружия удалось выиграть войну, подчинить всю Эфиопию и провозгласить Италию империей, наследницей древнего Рима – но вот конфуз, вся слава досталась королю, который стал императором, а дуче фашизма, организатор и вдохновитель этой позорной победы, стоял в стороне и скрежетал зубами от обиды на несправедливость – но Италия была монархией и сделать с этим было ничего нельзя, по крайней мере тогда. Дальше дуче фашизма (я извиняюсь, что так часто использую это слово, но оно мне нравится – оно какое-то с виду страшное, но на самом деле невероятно смешное, это такой маркер позора и убожества, маскирующихся пафосом и воинственностью) стал присматриваться к Балканам, ввязался в гражданскую войну в Испании, где впервые опробовал тактику лишения противника воли к сопротивлению с помощью жестоких бомбардировок мирных жителей в еще не подчинившихся городах. И принял решение дружить с новой силой в Европе – с Гитлером. Гитлера при этом на дух не выносили и король, и большинство итальянской правящей элиты, даже в верхушке фашистской партии, даже женатый на дочери Муссолини министр иностранных дел и гнусный мерзавец Галеаццо Чано – но решение было принято, Гитлера с помпой приняли в Риме, и подписали договор о сотрудничестве. В качестве входного билета в это сообщество “великих” Гитлер потребовал, как это принято у бандитов, принимающих новичка в банду, присягнуть на злодействе, и в Италии были приняты расовые законы, ставившие вне закона евреев. 16 лет эры фашизма проблем не было, евреи были даже среди больших руководителей фашизма, как их тогда называли, иерархов фашизма, и членов Большого Фашистского Совета, а тут прозрели – вот они, враги, не дающие народу как следует сплотиться. Но Италия всё же не Германия, сиеста с часу до пяти, и к исполнению этих законов приступили без лишнего рвения – давали время уволится, перебраться в другое место, эмигрировать. До самого конца репрессии не превратились в убийства и погромы. Трагедия случилась только в 1943, когда Италию захватили немцы, приступившие к “окончательному решению” самостоятельно, и то евреев никто не выдавал, и все, кто успели просто переехать в небольшие города, в деревни подальше от столиц, без проблем пережили это время, даже прятаться и менять имя и документы не пришлось. Под облавы попали только те, кто жил в гетто в столицах и больших городах – их просто оцепляли и обитателей поголовно вывозили в концлагеря, откуда почти никто не вернулся – в начале 1944 года эта машина была отлажена и работала без выходных.

Профессор Леви после принятия расовых законов в 1938 спокойно уволился из Политеха и перебрался в Швейцарию, благо от Милана до Швейцарии можно за пару недель дойти пешком, не особо торопясь. Профессор Натта возглавил институт и занялся исследованиями. После войны история всплыла, Натту попытались обвинить в том, что он воспользовался преступными расовыми законами для того, чтобы занять престижное место. Но не получилось. Натта оказался не конъюнктурщиком-карьеристом, а действительно выдающимся профессионалом, заслуги которого в химической промышленности оспорить было невозможно. Леви спокойно вернулся, и специально для него сделали новую кафедру в Политехе. Так они вдвоем и продолжали работать в этом знаменитом заведении и,  как уверяли современники, относились друг к другу почти приятельски. В Италии кстати после войны возникла очень сильная химическая промышленность, да она и до сих пор одна из самых развитых в мире, и в этом очень велика заслуга Джулио Натты.

Натта двигает полимеризацию дальше… и нечаянно открывает метатезис

Итак, Циглер поделился своим открытием с Джулио Наттой в Милане. И это оказалось совершенно гениальным решением. Джулио Натта помимо миланского Политеха имел позицию в крупном химическом концерне Монтекатини, и имел возможности проверять катализаторы и полимеры в промышленных условиях. И он давно интересовался полимеризацией, причем искал метод для полимеризации пропилена. Пропилен очень плохо полимеризуется старыми методами, потому что в основном идут побочные реакции, сшивка по аллильным положениям или перегруппировки. И он с удовольствием взялся попробовать катализатор Циглера. И получил результаты совершенно удивительные, и оказался на высоте – смог разобраться, что происходит, и так заложил основы совсем нового подхода к полимеризации. Когда через несколько лет Циглеру и Натте отписали нобелевку, никаких вопросов не возникло, что в этой паре делает Натта – ведь катализатор и сам принцип открыл Циглер, но метод этот не стал бы таким мощным и знаменитым, если бы не то, как распорядился этим знанием Джулио Натта. Циглер дальше этилена идти не хотел, просто не знал, что там можно получить и зачем.

Натта применил катализатор и получил полипропилен, сразу оказавшийся совершенно потрясающим материалом. Вообще, это довольно странно, на первый взгляд. Потому что в полимерах такого типа искали способность к кристаллизации, под которой в химии макромолекул понимают способность цепей полимера уложиться упорядоченным образом, насколько это возможно, потому что против этого играет энтропия, а это очень решительная тётка. Если надо что-то испортить, то она тут как тут, шурует, наводит беспорядок, ломать не строить. И если полиэтилен – это нечто хотя бы теоретически такое простое, правильное, кажется – вытяни все эти чёртовы цепи в зигзаги все-анти и они так и лягут друг на друга. Но энтропия говорит, что это невозможно, что зигзаги приходится ломать, класть петлями, и там где лежат прямые участки, там подобие кристалличности, но хаотически распределенные петли создают хаос. Результат – даже строго линейный полиэтилен Циглера хорош, но не совсем. Температуру плохо держит, петли начинают разъезжаться, материал плывёт и деформируется. И кажется, что если добавить к цепям метильные группы, однобокие такие наросты на цепи, то cтанет ещё хуже – уж это точно никогда ни во что путное не уложится.

А оказалось наоборот. Получившися материал продемонстрировал великолепную кристалличность – цепи уложились плотно и упорядоченно, получился материал более плотный и более прочный, чем полиэтилен Циглера, и выдерживающий без необратимой деформации более высокую температуру. Это оказалось очень важно, потому что из таких пластиков можно делать всякие штуки для медицины, выдерживающие стерилизацию в автоклаве: тогда ещё не додумались об одноразовых изделиях. Но это, например, ужасно полезно для такой штучки, как пробирочки Эппендорфа. Эппендорфки сделаны из полипропилена, и это придает им прочность для центрифугирования, и способность без деформации выдерживать неслабое нагревание при стерилизации. Дёшево и сердито, на этих пробирочках сделана вся биохимия в широком смысле этого слова. Да и много чего ещё.

Натта понял в чём дело. Как оказалось, он неплохо рубил в стереохимии. Настолько неплохо, что это именно он и придумал самую удобную стереохимическую проекцию, которую я называю естественной и клин-зебра, ту самую, где расположение групп относительно плоскости обозначают клинышками разного вида. Эти проекции даже называют иногда проекциями Натты, впрочем редко. За одно это место в вечности – как у Ньюмена, который больше вообще ничего не сделал.

Он понял, что этот катализатор собирает цепь так, что каждый атом с метилом имеет упорядоченную, предсказуемую конфигурацию. Ведь что мы могли бы ожидать, если бы подумали как собирается такая цепь? Мы бы посмотрели на неё и поняли, что атомы с метилами вообще-то стереогенные: если вытянуть цепочку в зигзаг, то каждый метил может быть на клине или зебре. Но поскольку мы не имеем никаких оснований считать, что эти конфигурации как-то заданы, естественно что мы предположим, что они распределены случайно, хаотично. И вообще обозначим их волнистой линией типа “а чёрт знает”. И такой материал точно был бы хуже полиэтилена Циглера, даже если бы удалось получить строго линейные цепи. Натта назвал такой полимер атактическим, то есть не имеющим порядка.

Но у Натты полимер получился лучше полиэтилена Циглера по этим параметрам. А значит, катализатор Циглера как-то умудряется создавать упорядоченные конфигурации. Натта подумал  и решил, что есть два варианта. Одна из них – это когда все конфигурации стереогенных центров в проекции одинаковы. Другая – когда они строго чередуются. Обратите внимание на не сразу очевидную вещь – оба таких полимера (полимерных цепи) нехиральны, оптически неактивны, потому что можно найти где-то в серединке цепи такое место в которое можно поставить зеркало, перпендикулярное цепи, и тогда одна сторона цепи отразится на другую. А по другому можно так – абсолютная конфигурация каждого из таких стереоцентров меняется на противоположную, как только мы перевалим через средний атом цепи, потому что единственное, что задаёт старшинство это длина соответствующей части цепи. Так и должно быть, ведь катализаторы Циглера-Натты нехиральны и оптическую чистоту создавать не могут, но при разглядывании изотактической цепи это н сразу становится ясным – ведь все центры (или каждый второй цент) вроде бы имеют одинаковую конфигурацию. В общем, это два чистых варианта стереорегулярных цепочек: Натта одну назвал изотактической (то есть с одинаковым порядком), другую синдиотактической (такой вид порядка, когда повторяется каждая следующая пара), а вариант, когда порядка нет, атактическим. Всё это от греческого корня -такт-, несущего смысл порядка, упорядоченности (мызыкальный такт тоже того же происхождения). Забавно то, что когда в разных книжках объясняют смысл слова изотактический так, что это значит, что все стереогенные центры имеют одинаковую конфигурацию, то любой может легко убедиться, что это как минимум неточно, если не совсем неверно – попробуйте вспомнить, что мы делали с мезоформами соединений с двумя стереогенными центрами и как мы их маркировали. Но дальше это копать не будем, хотя однажды может быть вернёмся и попробуем разобраться, как катализатор обеспечивает стереорегулярность цепи и можно ли это считать примером абсолютной стереоспецифичности, которую мы так хотим видеть в стереоселективных процессах.

Так или иначе, Джулио Натта, получив эти результаты и разобравшись в них, натурально офигел от осознания того, что упало ему в руки. Вот, чёрт возьми, как жизнь и судьба затейливо устроены – только что кончилась война, родину Натты показательно и жестоко выпороли, великий и прекрасный Милан, город, в котором работал Натта, подвергли жестокой бомбардировке – была такая методика у англо-американской авиации, называвшаяся огненный шторм: это когда в ограниченное пространство, несколько городских кварталов с плотной застройкой, одновременно сбрасывают тысячи зажигательных бомб – образуется очаг даже не пожара, лучше это сравнить или с извергающимся вулканом, или с центром ядерного взрыва – бушующее пламя создает огромную температуру, когда начинает гореть буквально все, а чудовищная сила конвекции создает ураган, направленный к центру горения, куда втягивается всё, что вокруг очага, многократно усиливая горение. Такие показательные бомбардировки были проделаны не раз – с Гамбургом, Дрезденом, Токио, и вот с Миланом – в этом городе до конца апреля 1945 находилась оккупационная нацистская администрация и правительство Муссолини. Собственно поэтому, пока Милан отстраивали, Натта работал в компании Монтекатини, в предгорьях севера Тосканы, местах, почти не затронутых войной – американцы наступали в направлении Флоренции после высадки в Виаредджо немного южнее, через Пизу, и вот в тех краях разрушения были немаленькими, а чуть севернее, в предгорьях Апеннин сохранились нетронутыми города и промышленные предприятия. И вот после всего этого кошмара, совершенно разбитой, униженной страны, совершившей огромную ошибку и не сумевшей её самостоятельно исправить, когда всё, казалось бы, было кончено навсегда, Натта и его коллеги вновь работают и открывают совершенно невероятные явления, которые очень быстро изменят всю химическую промышленность мира – начнется лавинообразное внедрение полимерных материалов нового типа, изотактических полиолефинов.  Вот так, очень это поучительно: если кажется, что самое страшное произошло, все пропало, и выхода нет, и уже никогда ничего не будет, не надо торопиться вешаться или пускать себе пулю в лоб (как поступил, напрмер, другой знаменитый нобелевский лауреат, Ганс Фишер в 1945 году), жизнь возьмёт своё и самое лучшее всегда может быть впереди.

Натта со своими сотрудниками, а он был большим руководителем и сотрудников было много, развил совершенно бешеную деятельность по исследованию новой полимеризации. В ход пошли, во-первых, все олефины и диены, и во-вторых, началось варьирование компонентов катализатора. в первую очередь переходного металла, так как активирующая часть, этилалюминий вполне надёжно работала и было ясно, что это вспомогательный со-катализатор. Исследователи поехали в пятую группу, затем в шестую. Получили отличные результаты с разными монозамещёнными олефинами, нашли условия получения изотактических и синдиотактических полимеров. Дальше они заинтересовались дизамещенными олефинами и циклоалкенами. Здесь сначала дело не пошло – эти олефины не захотели полимеризоваться, и стало ясно, что проблема в стерике. Поэтому сначала перешли на сополимеризацию таких олефинов и этилена – это получилось, потому что вставки этилена разгружали стерику.

Но при переборе разных циклоалкенов обнаружилась любопытная вещь – их всё же можно заставить полимеризоваться без этилена, если в молекулах есть напряжение. Первым согласился циклобутен. C ванадиевым катализатором получился ожидаемый полимер – полициклобутенамер.

Но когда вернулись к титатовым катализатором совершенно неожиданно получилось хорошо уже всем знакомая вещь – бутадиеновый каучук, полимер бутадиена, причем в зависимости от разновидности катализатора и температуры реакции образовывался немного разный полимер – преимущественно цис и преимущественно транс. Натта с сотрудниками добросовестно всё описал, но не понял, что случилось и предположил, что полимеризация произошла по простой связи, а не по двойной. Только довольно много после поняли, что это и есть метатезис, точнее то, что стали называть ROMP – метатезис-полимеризация через раскрытие цикла. Это уже 1962 год (G. Dall’Asta, G. Mazzanti, G. Natta, L. Porri, Makromolekulare Chem. 1962, 56, 224)

Уже когда Натта с сотрудниками осознали случившееся, они нашли незамеченную статью американских промышленных химиков из Дюпона о том, как они попробовали заполимеризовать норборнен с помощью катализатора типа Циглера, титанового, но с тетраалкилалюминатом лития (алкилом был н-гептил, но это не важно), и как они получили очень странный полимер, при озонолизе которого образовалась 1,3-цис-циклопентандикарбоновая кислота (W. L. Truett, D. R. Johnson, I. M. Robinson, B. A. Montague, J. Am. Chem. Soc. 1960, 82, 2337). Полимер они опознали как результат раскрытия цикла с двойной связью, но тоже не поняли как он образовался. Но мы понимаем, что это тоже метатезис-полимеризация. Пожалуй, это и есть самый первый опубликованный пример метатезиса, хотя на свет божий его вытащил именно Натта, когда получил свои результаты по полимеризации циклобутена и стал искать в литературе аналогии.

Натта заинтересовался этим странным способом полимеризации и решил его получше исследовать. Выяснилось, что так могут полимеризоваться только такие циклические олефины, в молекулах которых есть значительное напряжение. Циклобутен, каркасный олефин норборнен, и… циклопентен. Циклопентен хоть и выглядит таким аккуратненьким пятиугольничком, но проблема в том, что углы в пятиугольнике близки к тетраэдрическим, а у олефина валентный угол должен быть 120 градусов – вот и причина для углового напряжения. Поэтому циклопентен тоже имеет такую склонность, но те катализаторы, которые уже раскрывали циклобутен и норборнен, для этого олефина показали очень слабую активность. Поиск катализатора получше привёл Натту и его коллег к очень важному открытию – лучше всего работают катализаторы на основе металлов 6-й группы, молибдена и вольфрама. Эти два металла станут главными в метатезисе очень надолго, пока уже в проклятых девяностых Граббс не перешибёт их рутением. Получилось даже ещё интереснее – разные катализаторы дали разные стереоизомерные цепи. Такое поведение – когда одна реакция в зависимости от реагентов даёт разные стереоизомеры, нынче любят называть красивым словом стереодивергентность. Почему это так и правда ли это так нас сейчас не интересует, но мы видим, как появились первые намеки на существование особой реакции, которую позже (уже очень скоро) назовут метатезисом олефинов.

Интересно, что в химии полимеризации Циглера-Натты представление о том, что циклоалкены полимеризуются по особому механизму было вполне осознано, и отражение этого можно найти в книжках по этому типу полимеризации тех времен. Но с метатезисом, который стал появляться уже в более явном виде в обычных реакциях, это как-то умудрялись почти не связывать. И только когда уже ближе к концу века метатезис стал развиваться как важнейший метод синтеза, к полимеризации опять вернулись и уже осознанно стали тащить туда наработки из синтеза, и тогда и возникли уже в явном виде разновидности метатезиса для полимеризации.

Метатезис мономерных олефинов родился тоже из полимеризации

Новый тип полимеризации в присутствии катализаторов на основе комплексов переходных металлов намертво ассоциируется с Циглером и Наттой, и не случайно – именно они его и открыли, что и закреплено в вечности хорошей нобелевкой. Но очень похожий процесс был открыт независимо, хотя и чуть позже. Процесс открыли, разработали и внедрили в крупной американской нефтяной компании Филлипс Петролеум (она не имеет никакого отношения к всем известному голландскому Филипсу с одним -л-, Филлипс – чисто американская компания, основанная в 1917 году братьями Филлипс из Оклахомы, и никогда ничем кроме нефти и нефтепереработки не занимавшаяся, компания существует и в наши дни). Так вот, ученые и инженеры этой компании придумали очень необычный катализатор для полимеризации этилена  (Hogan J. P.; Banks R. L.,  Патент США 2,825,721, 1958 ). Катализатор этот делают, пропитывая силикагель раствором хромовой кислоты и затем сильно прокаливают в токе кислорода, удивительно, но при этом образуется хромовый ангидрид, связанный с поверхностью силикагеля. Вот этот катализатор на подложке в реакторе сначала реагирует с этиленом, при этом хром переходит в Cr(2+) и что-то с ним происходит ещё. Самое интересное, что до сих пор никто толком не знает что, хотя статьи про исследования этого механизма продолжают выходить регулярно, и каждый раз используются самые современные методы. Дело в том, что с помощью этого катализатора тоже делают полиэтилен высокой плотности и в огромных количествах – около трети всего мирового производства полиэтилена, а полиэтилен был и остается самым распространённым типом полимера. Но катализатор Филлипса имеет один недостаток – он узкоспециальный, хорошо полимеризует только этилен, в то время как катализаторы Циглера-Натты особенно современные их варианты способны заполимеризовать многие разные алкены. Зато Филлипс гетерогенный, очень удобен в технологии, не содержит ничего летучего, да и в общем намного дешевле.

Через несколько лет после открытия этого катализатора один из его создателей, Роберт Бэнкс с сотрудником публикуют статью под названием “Диспропорционирование олефинов. Новый каталитический процесс” (Banks R.L., Bailey G.C. Int Eng Prod Dev 1964, 3, 170)  Исследователи компании Филлипс стали пробовать вместо хромовых соединений два других металла той же группы – совершенно независимо от Натты попали в те же металлы – , и нашли что молибден, или в виде карбонила, или в виде молибденового ангидрида, нанесенный на окись алюминия вместо полимеризации делает нечто необычное. Реакция шла в газовой фазе над твердым катализатором при небольшом нагревании. Пропилен превращался в смесь этилена и только бутена-2, в виде цис- и транс-изомеров. Более длинные олефины в более сложные смеси других олефинов. Исследователи правильно определили равновесный характер процесса и называли его диспропорционирование алкенов. К сожалению, использованный катализатор, видимо, вызывал кроме метатезиса ещё и миграцию двойной связи, и этим объясняется образование неправильных продуктов. Из пропилена получились только продукты метатезиса – на схеме это хорошо видно, я пометил цветом куски олефинов, которые должны перераспределиться в продуктах. Видно, что у следующего олефина образовалось много продуктов, содержащих немаркированные куски – они могли взяться только из олефинов сс сдвинутой двойной связью. Дальше мы увидим, что любые хорошие катализаторы метатезиса исключают образование таких продуктов.

Но никаких идей по поводу того, как это идет и нельзя ли это изучить поглубже не высказали. Это бывает в промышленных исследовательских центрах, где исследователь не может изучать то, что интересно, а вынужден идти по плану исследований компании, обычно связанных с доводкой какого-нибудь процесса.

Итак, несколько случайных открытий, сделанных в ходе разработки катализаторов полимеризации Циглера-Натты (катализатор Филлипса относится к этому типу, хотя и разработан совершенно независимо и более того, он отличается от классики Циглера-Натты в том, что не содержит активирующей добавки алкильных производных непереходных металлов) показали, что существует некая новая и очень интересная реакция, позволяющая олефинам фактически меняться кусками себя. И у этих ранних работ есть ещё одно общее наблюдение – особенно склонны к такой реакции катализаторы из 6-й группы – производные молибдена и вольфрама, хотя отдельные результаты были получены и с 4-й и 5-й групп. Молибден и вольфрам действительно окажутся в центре дальнейшего исследования метатезиса.

Первое слово и первый протокол

Случайные открытия не прошли незамеченными. Пришла пора родиться метатезису олефинов в явном виде. Это и произошло в 1967 году.

Слово метатезис и первый удобный протокол появился в 1967 году в небольшой работе Ниссима Кальдерона и сотр. (Calderon N. et al Tetrahedron Lett 1967, 34, 3327). Катализатор был фактически взят из работы Натты по полимеризации циклопентена, но с одним небольшим, но важным дополнением. Использовали WCl6, к которому добавили этилалюминийдихлорид – это практически ровно то, что было у Натты, но ещё и этанол, и эта добавка в это время была чисто эмпирической, но через 13 лет Шрок нашёл объяснение этой добавке, когда понял, что алкоксильные лиганды очень выгодно модулируют реакционную способность комплексов молибдена и вольфрама. Очень быстрая реакция в присутствии такого катализатора в бензоле при комнатной температуре с пентеном-2 дает смесь трех алкенов, один из которых исходный пентен-2. В этом месте можно спросить – а почему это не просто непрореагировавший исходный олефин. А потому, что в тех же условиях эквимольная смесь бутена-2 и гексена-3 даёт ту же смесь в тех же соотношениях. Из этого можно было сделать вывод о том, что это равновесие и равновесная смесь – дальше она не изменялась. Соотношение продуктов определяется просто теорией вероятности – у нас есть мешок с синими и красными шарами в одинаковом количестве. Выбираем наугад два шара – какова вероятность того что обы будут красными, оба синими, разными. Элементарно, справится школьник. В работе есть одна проблема – ни слова про цис/транс, происходит ли что-то с этим. Но зато заявлено, что никаких других олефинов не получается, не происходит изменения положения двойной связи – то есть это именно обмен кусками, метатезис. Кальдерон не планировал сделать из этого слова новый термин, он просто воспользовался хорошо известным значением – “обмен”, и показав, что в реакции происходит это и только это, так и обозначил реакцию. Так в химию попал один из самых популярных терминов, – в момент рождения совершенно не предполагалось вводить никаких новых терминов, а просто взято первое попавшееся максимально общее слово. Ситуация удивительно похожая на то, как в химии возник органокатализ, о чём можете прочитать на моём органическом сайте в страничке про недавнюю нобелевскую премию.

Ниссим Кальдерон родился в Иерусалиме в 1933, задолго до образования государства Израиль, а выучился и окончил Иерусалимский университет уже в образовавшемся государстве. Но после переехал в Штаты и всю жизнь работал на знаменитую американскую шинную компанию Goodyear, от которой только в 2020 году удостоился медали за взятие метатезиса, и то только от своей родной компании. Вот что значит работать не в университетской науке, а на компанию – жалованье многократно больше, но в случае выдающегося развития отрасли,в которой сделана работа, промышленный химик обычно получает шиш, и потому что результаты его работы принадлежат компании, и потому что публиковать по-человечески такие химики не умеют или не могут, потому что главное для компании – запатентовать процесс, что Кальдерон и сделал (N. Calderon and H. Y. Chen, Патент США 3,535,401 (1970)). Вот и эта статья очень куцая, не имеет ни одной ссылки, как будто Кальдерон со товарищи прямо из ничего сделали эту реакцию. Но вообще так получается, что Кальдерон пережил всех остальных основоположников метатезиса, может быть только кроме Шрока, который его на 12 лет моложе.

Но Кальдерон не бросил метатезис. Напротив, он стал одним из самых активных исследователей на раннем этапе и уже в 1972 опубликовал небольшой обзор-мнение в появившемся в те годы и ставшем невероятно модным и влиятельным журнале Accounts of Chemical Research, специально задуманным для того, чтобы ведущие исследователи публиковали там небольшие обзоры по новым направлениям в химии на основе своих собственных работ. Мысль создателей журнала была простой: “юноше начинающему жить и думающему сделать бы жизнь с кого скажу не задумываясь – делай её с товарища Дзержинского” – так писал любимый поэт товарища Сталина В.В.Маяковский – вот ровно так и надо было делать молодым исследователям, думающим, чем бы им самим заняться в химии: открой номера этого журнала, выбери понравившуюся статью и приступай, развивай раскрытую там тему, не ошибёшься, это будет прорыв. И именно Кальдерону было поручено (статьи в этом журнале обязательно заказывались редакцией у самых ярких исследователей) написать про новую реакцию. Статья без затей называлась The Olefin Metathesis Reaction – и всё, в химии появилось новое направление и это странное почти бессмысленное название закрепилось, чтобы уже никуда больше не уходить. В 2005 году метатезис получит нобелевскую премию – через 33 года после выхода этой статьи. Можно несколько иронически, но не без основания сказать, что метатезису в момент получения нобелевки было 33 года. Это очень символический возраст. Кальдерон премии не получил, хотя был вполне жив и активен в начале нового века. И ещё одно совпадение – в тот же год появилась первая реакция кросс-сочетания, реакция Кумады-Тамао-Коррью. И ещё одно – ни Кальдерону, ни никому из КТК нобелевок не дали, а дали обе нобелевки тем, что был позже. Вот так – не лезь в историю раньше всех, а то на обочине останешься. 

Кальдерон же в этой статье высказал гипотезу о механизме. Точнее, он привел механизм, который как раз тогда предложил американский химик из нефтегазовой отрасли Фрэнк Мэнгоу (можно, наверное, по-простому назвать его Манго, и тогда его механизм можно назвать манго-механизм). Этот деятель ещё недавно был активен, и самозабвенно толкал вздор про то, что природный газ в сланцевых породах образуется с помощью … метатезиса олефинов. Гениально! Действительно, по молодости человек что-то сморозил про метатезис,и не пропадать же добру, можно всю жизнь понемногу выдавать такие же глубокомысленные откровения на ту же тему. У нас тоже есть похожие умники, которые доказывают, что нефть не является продуктом, образовавшимся из захороненных на большой глубине остатках живых организмов, а следовательно запасы ее конечны, но что она продолжает образовываться там же за счёт каталитических реакций, по типу процесса Фишера-Тропша, а следовательно она бесконечна и можно добывать ее тысячелетиями, и безбедно жить, больше не парясь ни о чём. Шарлатаны есть везде.

Так вот манго-механизм предполагал, что оба олефина одновременно размещаются в координационной сфере металла, и через четырехчленное переходное состояние, представляющее собой некий странный активированный циклобутан в координационной сфере металла, разваливаются на два новых олефина в другом направлении. В общем это типичный “механизм-на-коленке”, мы сами любим рисовать такие и верим, что если убедительно нарисовать пунктирчики и кривые стрелочки смещения пар, то это всё объясняет и это и есть механизм реакции.

Кальдерон привёл этот механизм и ясно высказал идею, что в переходном состоянии все четыре углерода должны быть в равной степени связаны с металлом. Он попытался обосновать эту гипотезу совершенно шальными картинками орбиталей, с отсылками к новооткрытом в то время правилам Вудварда-Гофмана, но получил нечто маловразумительное, потому что толком не разбирался ни в координационной химии, ни в правилах Вудварда-Гоффмана. Мы сегодня знаем о координационной химии больше и не смогли бы понять, как Кальдерон собирался смонтировать этот углеродный квадрат на атоме переходного металла. В некотором смысле это урок: если вы видите красивые картинки в очень крутом журнале это вовсе не значит, что эти картинки обязательно невероятно умны и верны; они вполне могут быть художественным вздором. Будьте бдительны, пропускайте любые рассуждения через собственный критический аппарат. А будет свободное время – найдите в подшивке Accounts эту статью, и убедитесь, что и в самых красивых журналах иногда печатают совершенный вздор, впрочем с исторической точки зрения это чрезвычайно важная работа.

Кальдерону тем не менее слава! И медаль от Гудиера, шины хорошие. А нобелевка-то в этот момент оказывается уже нашла первого хозяина, а Кальдерон-то и не в курсе. Но учёным он был очень хорошим и всё отлично понимал, поэтому в заключение своей исторической статьи написал – ключ к развитию метатезиса олефинов лежит в изучении механизма, нужны экспериментальные доказательства того, как происходит эта интригующая реакция; он, конечно, надеялся, что будут получены доказательства этого механизма с квадратной нашлёпкой на металле.

Но химия распорядилась иначе.

Поехали в Париж! В Париж!

Шовинизм – основа метатезиса!

Эпохальная статья (Jean-Louis Hérisson, Yves Chauvin Die Makromolekulare Chemie, 1971, 141, 161–176), предложившая механизм реакции, была просто диссертацией Жана-Луи Эриссона под руководством скромного профессора Ива Шовена из Французского института нефти (l’Institut français du pétrole) в предместьях Парижа, опубликованной в очень специальном журнале, и немецком журнале, впрочем очень популярном среди ученых тех времен, занимавшихся реакциями, связанными с полимеризацией, а метатезис, как мы знаем, в начале неразрывно связан с новыми методами полимеризации олефинов. Статья написана по-французски и явно на набелевскую премию не претендует. Ну и трудно не заметить, что с войны прошло всего-то 25 лет, а немцы с французами помирились настолько, что француз печатает важнейшую работу в немецком журнале, а немецкий журнал не против того. чтобы статья была написана по-французски.

А вот, наше вам с кисточкой – получила! В нобелевке по метатезису было три лауреата. Двое занимались метатезисом всю жизнь и один до сих пор занимается, сделали сотни статей, многие десятки из них в самых пафосных и гламурных журналах. А Шовен написал, а точнее даже руководил написанием одной статьи – у него было некоторое количество еще, но про них уже совсем мало кто вспоминает – но без его работы не было бы и всех тех, крутых и гламурных. Мы, конечно, понимаем, что механизм метатезиса открыл бы кто-нибудь ещё, и скорее всего, не через сто лет, но получилось так как получилось, и важнейшую работу сделал тот, кто сделал. И слава его заслужена.

Тем более что работа очень хорошо задумана, и выводы ее убедительны. И выводы эти весьма нетривиальны, в чём мы сейчас постараемся убедиться, потому что это того стоит – потом будет намного легче понимать, как идут конкретные реакции метатезиса. Такие работы без сомнения входят в историю химии – читая их, вы видите как интеллект проникает в суть вещей и создаёт знание, а реакция перестаёт быть загадочной и начинает раскрывать свои тайны. Нобелевский комитет всё же очень хорошо работает, когда достаёт в очередной премии такие скромные с виду и уже старые работы, никак не похожие на современный научный гламур, и воздаёт им должное наравне.

Шовен и Эриссон работали в прикладном институте в 60-70-е годы, тогда еще мало было модных методов и инструменты исследования были самыми простыми. Просто и исследование – оно не использует ничего кроме мозгов и газо-жидкостной хроматографии, а важнейшие выводы сделаны на основе просто анализа продуктов реакции и их соотношения. Они сделали очень простую вещь – метатезис нескольких олефинов, простых и циклических, поодиночке и попарно. И просто, использовав газо-жидкостную хроматографию посчитали доли всех образовавшихся продуктов. В качестве катализатора они использовали то, что предложил Кальдерон – шестивалентный вольфрам и алкильные производные непереходных металлов, а конкретно смеси WOCl4 с Et2AlCl или SnBu4. Это очень активные и неселективные катализаторы, но, как ни странно, именно это позволило сделать самый важный вывод той работы – что эти реакции достигают равновесия, и в равновесии происходит полное статистическое перемешивание всех возможных алкилиденовых фрагментов. И это совершенно потрясающий факт – успех работы Шовена, лежащей в основе всего метатезиса и заслужившей нобелевку, обусловлен неселективностью, можно даже сказать абсолютной, первых катализаторов метатезиса – только поэтому распеределение продуков оказалось чисто статистическим (а это как раз и есть следствие того, что константы скоростей по всем направлениям равны, а следовательно и константы равновесия взаимопревращения.

Что собственно пытались доказать Эриссон и Шовен? Им надо было найти доказательство, позволявгшее выбрать между двумя даже не механизмами, а скорее принципами – как происходит метатезис, как перераспределяются фрагменты. Мы уже знаем, что есть механизм Мэнгоу-Кальдерона (чисто промеж себя мы договорились кратко называть это манго-механизмом, но пожалуйста не используйте этот “термин” больше нигде; в литературе этот механизм обычно называют или механизмом Кальдерона, что несправедливо, или двухуглеродным механизмом, two-carbon mechanism, потом поймём почему). Посмотрим на один из экспериментов, подробно разобранных в статье Эриссона и Шовена – метатезис эквимольной смеси циклопентена и пентена-2. Если мы применим манго-механизм, продукт должен быть один диен с 10 атомами углерода (сразу договоримся, что цис-транс-изомерией пренебрегаем, с этим разберёмся потом). Никаких других продуктов быть не может. Поскольку реакция обратима, исходное тоже становится одним из продуктов.

Что же увидели Эриссон и Шовен? Очень сложную смесь олефинов и диенов, причем состав этой смеси довольно быстро устаканивается и дальше почти не изменяется в смысле сотношений, хотя новые порции исходного вовлекаются в процесс. Попробуем проследить логику французских исследователей. Во-первых, они признают, что в реакции участвуют карбеновые комплексы вольфрама (они же алкилиденовые), и не ясно, откуда они берутся в начале. В этом смысле реакцию метатезиса следует признать в некотором смсле аналогичной цепным радикальным – у неё есть некоторая стадия инициирования, когда образуется первый активный карбеновый комплекс. Впоследствии Шовен сделал работу, где показал, что именно алкилирующий агент в каталитической смеси является источником первого карбена, а дольнейшие работы уже других исследователей, Патриши Уотсон, Тобина Маркса, Джона Беркоу и сотрудников по химии C-H активации на комплексах ранних переходных металлов и f-металлов показали, что наиболее вероятным механизмом является α-элиминирование через метатезис σ-связей. Другой след нашёл Шрок, который начинал своё наступление на метатезиз со стороны тантала, для которого собственно и нашёл первый пример карбена, получившего его имя – он попытался получить пентаалкилтантал, взяв в качестве алкила неопентил, который блокирует обычный путь распада алкильных комплексов – β-гидридное элиминирование, но вместо желаемого комплекса получил карбен и тетраметилметан, что и было истолковано, как результат α-гидридного элиминирования, вероятно, в четырёхчленном переходном состоянии, которое и есть метатезис σ-связей просто по определению – система двух σ-связей, перераспределяющаяся в другую систему σ-связей (Schrock R. R. J. Am. Chem. Soc. 1974, 96, 6796). Ожидавшийся комплекс Ta(5+) с пятью алкилами и более ничем действительно вряд ли мог оказаться стабильным, потому что это очень ненасыщенный 10-электронный и высоко электрофильный комплекс, и за неимением ничего другого тантал активирует, повышает кислотность α-водорода, так что второй алкильный лиганд с удовольствием его сносит.  Мы не будем сейчас на этом зацикливаться, потому что это не важно – все настоящие катализаторы метатезиса, появившиеся в работах Шрока, Граббса и их последователей уже содержат карбен и поэтому не требуют стадии инициирования. Предположим, что некий карбеновый комплекс как-то получился.

Главная элементарная стадия механизма Шовена – обратимое образование металлациклобутана и его распад на олефин и карбен, или те же, или другие. В общем виде будет так (желтым обозначен инициирующий карбен, и вместо заместителй пометим атомы цветами):

Главная особенность предложенного механизма – то, что он живой. Есть такой термин в полимеризации – живой (living) полимер, это значит, что полимерная цепь сохраняет на одном из концов реакционный центр, например, карбанион, если полимеризация анионная, и тогда при добавлении мономера, возможно другого, полимеризация возобновляется – так, например, получают блок-сополимеры. А здесь мы все время будем иметь карбеновый комплекс, который по идее никогда не исчезает, пока реакционная смесь не будет погашена. В принципе, раз уж нам так понравилось слово “каскад”, мы можем признать, что метатезис это такой каскад – реакционный центр перемещается с одного углерода на другой. И действительно, метатезис можно неплохо применять в настоящих, невыдуманных каскадах, но это мы тоже отложим.

Итак, возвращаемся к реакции циклопентен + 2-пентен. Напишем реакции инициирующего карбена (желтый) с обоими олефинами в смеси. Получим два новых карбена из пентена, а вот из циклопентена получим тоже карбен, но в малом количестве, потому что он в своём составе содержит кусок инициирующего карбена, а этой частицы по определению мало. Пренебрежем также теми олефинами, которые образовались из инициирующего карбена.

Теперь следим за первыми карбенами. Посмотрим, как они реагируют с пентеном-2. Каждый из карбенов можно расположить двумя способами. Металлациклобутан рисовать не будем, сразу результат. Видим, что образуется два новых олефина бутен и гексен, а исходный пентен возвращается, причем в два раза чаще. Это важная особенность метатезиса – одним из продуктов реакции всегда является исходный олефин (с потерей стереохимии, но мы это сейчас не обсуждаем, и я рисую будто бы цис, но только для удобства, на самом деле всегда получается смесь цис и транс). По мере накопления в смеси новых олефинов они тоже быдут вовлечены в метатезис, но мы этим пренебрежем, а в начале реакции продуктов еще мало по сравнению с исходными и их превращениями точно можно пренебречь. Видим мы еще и то, что первые карбены не исчезают, а на каждой стадии возвращаются, как будто они бессмертны.

Теперь посмотрим, что будет при взаимодействии карбенов с циклопентеном. Это немного сложнее, потому что прямо сразу продукт не получается, а образуется новый карбен, который взаимодействует с исходным олефином.  Но и немного проще потому что циклогексен симметричный и его не надо раскрывать двумя способами. Но карбен, образовавшийся при раскрытии цикла, нужно дальше соединить с олефином, который может подойти двумя способами. И карбена у нас из пентена-2 образовалось с равной вероятностью тоже два. Вот раскрытие первым карбеном:

Как видим, образовалось два диена, с 9-ю и 10-ю атомами углерода и регенерировались уже знакомые нам карбены. А вот раскрытие вторым карбеном:

Всё то же самое, и один из продуктов, перекрёстный. тот же, что и в раскрытии первым карбеном, а другой новый -два диена, с 10-ю и 11-ю атомами углерода.

Итого, мы провернули первый оборот цикла и просмотрели все направления. Активные карбены регенерировались, как и положено в каталитической реакции. Теперь они будут раз за разом повторять то, что уже нарисовано. Мы видим сейчас шесть продуктов, один из них совпадает с одним из исходных олефинов, пентеном-2. Это три алкена, собранные из кусков этого пентена. Мы видим, что соотношение дожно быть статитистическим. Ещё раз напомню, что успех этой работы парадоксальным образом определился полной неселективностью вольфрамого катализатора Натты-Кальдерона. В этом месте может быть возражение – а о какой селективности идёт речь, если состав равновесной смеси опрелеляется не катализаторм, а просто величинами дельта-же образования всех олефинов. Да, это очень верно, но никто нам не сказал, что равновесие устанавливается быстро. Если бы какой-то катализатор медленнее реагировал по отдельным направлениям этой схемы, например, из-за сильного влияния стерики, что в реакциях комплексов переходных металлов – общее место, то до полного равновесия было бы далеко, а состав смеси долго определялся бы кинетическим контролем. Но катализатор Натты-Кальдерона был именно что неселективным и быстрым по всем путям, поэтому равновесие устанавливалось быстро, и это оказалось чрезвычайно важно для выводов о механизме и опровержения манго-пути.

Вот, оно видно из схемы – если все пути равновероятны, то мы получим соотношение бутен:пентен:гексен = 1:2:1. Но на это накладывается непрореагировавший пентен, хотя авторы показали, что через некоторое время после начала, когда, видимо, исходный пентен израсходовался и в смеси уже только тот, что образовался, соотношение действительно стремится к этому. Диены из циклопентена подчиняются точно такому же соотношению, и это опять видно из схемы и тут уже ничего не мешает с самого начала, и это соотношение сохраняется на протяжении всей реакции. К сожалению, низкая селективность (точнее даже – практически идеальная неселективность, что как раз и описывается словами “статистическое соотношение” – все пути равновероятны, и вся задача прямо из учебника теории вероятностей про то, как достают разноцветные шары из черного мешка) приводит к тому, что как только в системе образуются значимые количества продуктов, они тоже вступают в метатезис, а кроме того происходит олигомеризация циклопентена, завершающаяся метатезисом с нециклическими олефинами, и получается очень богатая смесь; к счастью это никак не влияет почти до самого конца на соотношение первых продуктов – опять так потому что реакция совершенно неселективна, и отбор происходит равновероятно.

Итак, что узнали Эриссон и Шовен, а заодно и мы:

  • что в реакции участвуют реакционноспособные комплексы металла, каждый из которых перетаскивает не четыре и не два, а только один олефиновый углерод. Поэтому этот механизм позже стали называть одноуглеродным, в отличие от механизма Мэнгоу-Кальдерона, который стали называть двухуглеродным;
  • что реакция идет через четырёхчленный металлацикл – металлациклобутан;
  • что образование и распад этого интермедиата, как и вообще все элементарные стадии процесса метатезиса обратимы, и это очень важно, потому что какие бы ни были катализаторы у метатезиса, они не могут снять обратимость, а равновесие для любых данных олефинов всегда одно и то же; не бывает двух разных равновесий;
  • немного забегая вперёд скажем, что если мы захотим искать селективности в конкретных реакциях метатезиса, то у нас два пути, всего два: или пытаться в очередной раз просить помощи у Ле Шателье, или искать кинетического режима, пытаясь снять какой-то продукт раньше, чем будет достигнуто равновесие.
  • что реакция фактически имеет цепной характер, и здесь надо быть очень осторожным, потому что термин “цепной” намертво слился в подсознании с термином “свободнорадикальный”, но это просто так получилось и ничем не обусловлено; цепной – значит, что на каждой стадии регенерируется реакионноспособный интермедиат (там – радикал, здесь – карбеновый комплекс), который вступает в реакцию с новой молекулой субстрата
  • цепи длятся произвольное время, пока реакционноспособный интремедиат, а здесь это карбеновые комплексы, не погибнут, или в случайных реакциях с чем-то (например, с кислородом воздуха или водой, или какими-то ингибиторами, пока оставим обсуждение что бы это могло быть. Или когда экспериментатор “гасит” реакцию, когда она дошла до нужной степени превращения.

Как доказывали механизм Шовена

Статья Эриссона и Шовена 1971 года без сомнения, выдающаяся – пример того. как правильно поставленный несложный эксперимент может добыть знания больше, чем бездарная мешанина данных, добытых всеми известными способами. Сразу хочется немного побрюзжать, потому что если читать современные статьи особенно в самых гламурных журналах, то там нередко можно встретить работы, к которых на какую-то задачу буквально обрушивают шквальный огонь из всех средств ведения вооружённой борьбы, как любят изящно выражаться вояки, которым удалось разнести отдельно стоящий сортир противника пачкой крылатых и баллистических ракет ценой в годовой бюджет большого города. Все мыслимые протоколы ЯМР-спектроскопии, электрохимия, фемтосекундная фотохимия, микроскопии, рентгеновские спектроскопии, расчеты высшей категории сложности, помощь специально написанной нейросети и т.д., и т.п., цветные картинки, трёхмерные графики, десяток страниц текста и так далее – но если продраться через всё это возникает гнусное подозрение, что вас водили за нос, пытаясь скрыть, что из первоначального пафосного замысла ни черта не вышло, и величественный прорыв в науке не состоялся. Работа Эриссона и Шовена делает ровно обратное – всё просто, но добытое знание заставит машину исследований крутиться всё быстрее и быстрее, потому что стало приблизительно ясно, что она может произвести.

Но вместе с тем надо понимать, что эксперимент, описанный в этой работе и его интерпретация это гипотеза начального уровня – первая догадка и некоторая совокупность экспериментальных данных, которые не противоречат этой догадке. Но, строго говоря, и не доказывают, так как вполне можно себе представить альтернативные гипотезы. Нужны были более прямые доказательства. Нужно было выяснить, действительно ли карбеновые комплексы могут участвовать в чём-то такого типа. Самые первые доказательства своего механизма попробовал получить сам Шовен. Это неслучайно. Опубликованный им механизм мало кого зажёг энтузиазмом. Во-первых, университетская химия ещё не видела потенциала в метатезисе, реакция казалась чисто промышленной, и все без исключения первые исследвоатели – химики из промышленности. Но такие прикладные  химики думают и делают не так как это принято в фундаментальной университетской науке. Поэтому одни не читают других, а другие первых. А если и читают, что только для того, чтобы фыркать – какие реакции странные, простые и какая-то каша получается – вот понаделали, а толка от этого не дождёшься. И вот Шовен, прикладной химик из нефтехимии был вынужден сначала сам искать доказательства. В этот момент химия карьеновых комплексов еще ушла не очень далеко, и при слове карбен все тянулись за карбенами Фишера – первыми известными металлокомплексы с лигандами такого типа.

В 1976 Шовен попытался применить карбен Фишера, естественно вольфрамовый, раз уж в начале метатезиса тоже вольфрам, (CO)5W(C(OEt)Ph) (Y. Chauvin, D. Commereuc, D.Cruypelinck, Makromol. Chem. 1976, 177, 2637) и вроде успешно, но обязательно потребовалась а) добавление TiCl4; б) предактивация или нагреванием или фотохимическая. Такая смесь очень весело катализировала полимеризацию циклопентена в количестве  миллионных долей относительно субстрата, то есть с впечатляющими TON. Но проблема в том, что карбен Фишера тут видимо ни при чём, потому что в таких условиях активный катализатор давали и другие производные вольфрама, и просто карбен, уже тоже тогда полученный, (CO)5W(CPh2), и даже более банальные комплексы, полученные из карбонила вольфрама лигандным обменом с аминами или ацетонитрилом. Было ясно, что всё это пред-катализаторы, а что участвует в реакции в качестве активной частицы не ясно. После этого Шовен еще немного потрепыхался и отвял от этой гонки навсегда, встав в очередь за нобелевкой. Никуда он не встал, и немало был ошарашен, когда ему прислали повестку в Стокгольм почти тридцать лет спустя.

Дальше пока всё равно продолжают промышленные химики, но уже очень продвинутые. Одного из первых мы хорошо знаем, это Фрэнк Теббе из Дюпона. Мы знаем, что он получил очень интересный комплекс титана, который так и назвали комплексом Теббе (F. N. Tebbe, G. W. Parshall, G. S. Reddy, J. Am. Chem. Soc. 1978, 100, 3611). Этот ученый уже умеет работать и публиковаться не хуже своих университетских коллег. На отдельной страничке разберём знаменитое применение этого комплекса – метиленирование карбонильных соединений. Напомню, что комплекс Теббе это стабилизированный комплекс карбена Шрока. Но Теббе хотел разобраться в метатезисе, и в серии исследований этот комплекс оказался почти идеальной моделью для наблюдения всех постулированных интермедиатов в метатезисе. К иследованиям скоро подключился только что приступивший к самостоятельной работе Роберт Граббс, уже в университете Мичигана. С этого момента исследования метатезиса быстро переползают в фундаментальную науку и становятся всё сложнее и сложнее. И выбор титана в качестве металла для моделирования метатезиса оказался удачен – титан даёт плохие катализаторы метатезиса, потому что все интермедиаты очень стабильны, изучаются спектроскопически, но реагируют медленно. На первых стадиях изучения механизма ленивые комплексы гораздо удобнее шустрых.

В 1979 сам Теббе нашёл, что его комплекс селективно вызывает пернос метиленовой группы между олефинами, и это доказано с помощью 13С метки (F. N. Tebbe, G. W. Parshall, D. W. Ovenall, J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 5074), на схеме по-простому показанной красным.

Постулированнй механизм реакции включал образование титанациклобутана, в котором две метиленовые группы становились неразличимы, тогда было понятно, как происходит этот необычный обмен.

Комплекс Теббе реагирует не только с олефинами, но и с ацетиленами с образованием титанациклобутенов (F. N. Tebbe, G. W. Parshall, D. W. Ovenall, J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 6149). В титанациклобетенах наблюдается обмен ацетиленами, но с низкими выходами. Для метатезиса олефинов этот результат не даёт ничего, но он позже поможет разбираться в метатезисе енинов, и мы уже сразу видим общность поведения двойной и тройной связи.

C олефинами оказалось немного сложнее и теперь уже Теббе отвял, и в исследования включился еще более упорный учёный почувствовавший запах нобелевки Роберт Граббс (T. R. Howard, J. B. Lee, R. H. Grubbs, J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 6876.). Оказалось, что чтобы сместить равновесие нужно просто добавить основаниетипа пиридина или ещё лучше 4-диметиламинопиридина (DMAP), которые оттащат в сторону алюминий. Тогда образуется титанациклобутан, и эту методику стали и после применять для синтеза разных титанациклобутанов, которые весьма интересны и используются в разных других синтезах.

Этот комплекс работал как катализатор реакции дейтерированного и недейтрированного олефина, в котором происходит перемешивание (скремблинг) двух половинок этих молекул – отличное доказательство именно одноуглеродного механизма Шовена: в реакции каждая половинка олефина “живёт” своей жизнью, не завися от второй половинки. Если вам не чужда генетика, то это немного, а точнее очень сильно напоминает перемешивание независимых аллелей при скрещивании и первый закон Грегора Менделя (помните про горошек, гладкий и морщинистый, в школе проходили, надеюсь). А вот если бы работал манго-механизм (двухуглеродный механизм) это напоминало бы поведение так называемых сцепленных аллелей, которые не могут разойтись в кроссинговере, потому что находятся рядом на хромосоме. Так вот нет, Шовен предположил, а Теббе и Граббс доказали, что аллели, виноват, олефиновые атомы независимы и перераспределяются в продуктах реакции в равновесной смеси. Как это получилось, я надеюсь, понятно, но если пришлете мне расписанный механизм Шовена для этого случая, получите десять плюсиков.

 У того же Граббса впервые получили карбеновый комплекс (J. D. Meinhart, E. V. Anslyn, R. H. Grubbs, Organometallics 1989, 8, 583) из титанациклобутана просто фактически лигандным обменом с донорным фосфином. Но это уже весьма поздняя работа и к этому времени уже не было недостатка в охарактеризованных карбеновых комплексах.

Так, в основном на комплексах титана, производимых их знаменитого комплекса Теббе удалось приблизительно за 10 лет до начала 1980-х в основном доказать механизм Шовена и получить все ключевые интермедиаты этого процесса – карбеновые комплексы и металлациклобутаны, тем самым показав, что механизм не только объясняет наблюдаемые закономерности реакции, но и не включает ничего принципиально несуществующего.

А что дальше? Разве ещё не всё понятно?? За нобелевкой уже пора ехать??? 

Ни фига. Мы же ещё не знаем, можно ли эту реакцию сделать препаративно привлекательной. Пока это просто забавная, хоть и многообещающая игрушка. Пока известно, что она катализируется приблизительно теми же катализаторами, что и полимеризация Циглера-Натты, но лучше всего если на основе комплексов вольфрама. 

Поиск первых настоящих катализаторов

К концу 1970-х механизм Шовена становится уже признанным, а к исследованиям подключаются оба будущих нобелиата, и Роберт Граббс и Ричард Шрок. Начинается поиск катализатора, а для этого надо было получше разоьраться в том, что происходит в координационной сфере, и как на это влияют анциллярные лиганды. Круг поисков сужается на производных ранних переходных металлов, Граббс продолжает доить комплекс Теббе, а Шрок увлекается танталом. Шроку удается показать, что на тантале легко образуются карбеновые лиганды, и что такие комплексы способны вызывать метатезис. Но комплексы тантала слишком капризны и нестабильны, с ними не получается добиться настоящего прорыва. Но по дороге Шрок выясняет, что на металле неплохо иметь один-два алкоксильных лиганда (Schrock R. R., Rocklage S. M., Wengrovius J. H., Rupprecht G., Fellmann J. J. Mol. Cat. 1980, 8, 73) – неплохо ещё обратить внимание, что такая важная работа печатается в очень скромном и очень специализированном журнале с очень скромным и неизлечимо слабым импакт-фактором – и видели бы вы эту статью, сейчас бы так оформленную работу не приняли бы никуда. Это вообще во всех смыслах историческая работа. Она даже начинается соверешенно сногсшибательно. Нобелевку на бочку! Нет – ещё круче. Первая фраза статьи гласит: До сих пор никто ещё не получил, и не охарактеризовал, структурно и химически активного катализатора метатезиса.

Как это, возмутимся мы. А все эти катализаторы Натты-Кальдерона? А исследования Граббса с комплексом Теббе? Ну вот в наглой заявке на бессмертие Шрока важно каждое слово – он говорит не про то, что какие-то смеси могут катализирвоать метатезис, а про охарактеризованный комплекс, участие которого в метатезисе будет понятным с точки зрения механизма. И Шрок готов показать первые такие катализаторы. Это 1980-й, год, когда “ласковый миша возвратился в свой сказочный лес”, а СССР неумолимо покатился к неминуемому экономическому и политическому банкротству и краху, а я уже даже пару раз зашёл в лабораторию, где буду делать диплом и вообще отфильтруюсь навеки, но пока ещё надолго там не задерживался. Забавно в истории сочетаются крупнейшие научные достижения и исторические повороты. Итак, Шрок нашёл, что катализаторы для метатезиса можно сделать из комплексов металлов 5-й группы, ниобия или тантала, но это довольно непростая задача, потому что координационную сферу таких катализаторов придется собирать буквально лиганд за лигандом, и там всё имеет значение. Нужна максимальная степень окисления, то есть 5+. Нужны донорные лиганды, чтобы несколько аттенюировать (смягчить) электрофильность металла, иначе вместо метатезиса пойдут другие реакции. Нужен карбен, но поскольку в этих случаях карбеновый лиганд это, в нашей терминологии, X2, Шрок настаивает, что его надо называть не карбеном, а алкилиденом. Мы отнесёмся к этому снисходительно, потому что уже разобрались, что дело не в названии, а в сути. В химии такие карбены быстро стали называть карбенами Шрока, хотя первым их пожалуй получил всё же Теббе.

Вот первый катализатор, предложенный Шроком. Он действительно отлично катализировал метатезис уже любимого всеми 2-пентена, и делал это недурно, давал уже знакомую нам равновесную смесь – и никаких побочных, которые могли бы получиться по альтернативным механизмам. Рассмотрим внимательно, потому что это очень волнительный момент. Вот какая фиговина:

Что же мы видим:

  • ранний переходный металл в максимальной степени окисления
  • комплекс координационно ненасыщенный, по счету электронов просто безобразно, 12 электронов, но алкоксильные лиганды могут давть металлу свои пары по механизму, похожему на обычный мезомерный эффект в органической химии – мы разбирали это на примере имидных лигандов; поэтому координационная ненасыщенность рально сильно смыгчена – мы даже могли бы насчитать все 16 элеткронов, но конечно смещение плотности здесь не такое полное;
  • но из-за довольно объёмистых лигандов туда много не поместится, но для одного лиганда, олефина, место точно есть – обратите  внимание, что и по счету электронов с учетом донорности алкоксилов это было бы близко к достижению 18-элекронной конфигурации;
  • в нём сразу готовый карбен – не придется ничего инициировать непонятным образом, комплекс готов к специальной операции по принуждению алкенов к метатезису;
  • в нём алкоксильные лиганды, они донорные, не так просто понять почему, но на самом деле они просто помогают металлу быть донором в back-donation, выталкивая электронную плотность своими неподеленными парами – то есть это π-доноры; они еще и довольно объёмистые, трет-бутокси, хотя причина этого выбора другая – чтоб не шалили и не сдавали металлу гидрид в бета-гидридном элиминировании; но у них есть еще одна роль – быть Х-лигандами, вкладываясь в большую степень окисления металла
  • ну и еще всякая шелупонь просто для того, чтобы доукомплектовать координационную сферу до пристойного состояния, и дополнительно немного послужить донорами

Провалиться мне на месте, если это уже не почти полный набор того, что станет признаками первого эффективного класса катализаторов метатезиса олефинов. Тут не хватает, на самом деле, только одной мелочи, но и металл надо немного подправить, потому что, как мы сейчас увидим, лучше бы иметь степень окисления 6. Но это уже один шаг. И этот шаг делать надо уже не в чистом поле, полном развилок с надписями “куда ни пойдёшь, ни черта не найдёшь”, ну и что-то ещё про какой-то непонятный военный корабль, – а в просторных залах полных сокровищ, куда только что Шрок совершенно бесцеремонно вышиб дверь ногой. Это и правда так, не ключом открыл, потому что тут пока ещё много не от знания, а от интуиции и везения. Но след взят, и сейчас Шрок пойдёт по нему методично выискивая все секреты и прилаживая их к будущему катализатору мечты и нобелевки.

В той же работе Шрок заявил и вольфрамовый катализатор для метатезиса, построенный по очень похожему принципу, но с одним оксо-лигандом. Не будем на нём останавливаться, он пока ещё никуда не годится.

Конечно, не стоит думать. что в химии можно большие вещи делать в одиночку (в смысле – одной группой с одним руководителем). Шроку немного помог Джон Осборн, ученик Уилкинсона и собственно тот человек, который руками сделал работу по катализатору Уилкинсона. А потом был учителем самого Шрока и руководителем его диссертации, на которой они сделали полезный новый родиевый катализатор гидрирования. А дальше Осборн работал в Страсбурге, во Франции, и это довольно редкий случай, когда серьёзный американский профессор уезжает из Штатов в немного заторможенную старую Европу, где темп жизни и исследований на порядок ниже. Зато красиво и интересно, если вы не собираетесь зарыть свою жизнь на 100% в исследованиях, чтобы быть впереди всех и однажды приземлиться в Стокгольме. Осборн стал копать вольфрамовые карбеновые комплексы и действительно нашёл очень неплохие катализаторы метатезиса алкенов, но комплексы эти были слишком электрофильны и оказались очень ограниченными. В любом случае, именно Осборн сделал первые эффективные катализаторы на основе комплексов вольфрама. Шрок работал параллельно и нашёл намного более лучшее (это сочетание узаконено как идиома, поэтому не торопитесь жаловаться на неграмотность автора – она проявляется в других местах) решение. Но решение это, как это не покажется странным, родилось с помощью другого метатезиса – метатезиса алкинов. 

 Метатезис ацетиленов

Про метатезис олефинов знают все, это такая уже давно открыточная реакция в химии, и хотя бы название слышал уже каждый. А метатезис алкинов или ацетиленов все же экзотика, и хотя подсознательно понятно, что если переставить местами куски олефинов можно, то почему бы не провернуть такое с ацетиленами, – но кажется, что это должно быть что-то очень современное, прямо с переднего края науки. Но нет, оказывается, эта реакция известна почти столько же, сколько и метатезис олефинов, а настоящий катализатор для неё придумали даже раньше и затем использовали уже для того, чтобы построить один из самых знаменитых катализаторов для олефинового метатезиса.

К этой реакции тоже подошли через полимеризацию Циглера-Натты, но не напрямую, так как ацетилены в полимеризации просто так не используют. Реакцию открыли просто по аналогии с олефиновой те же самые исследователи из нефтяной компании Филлипс, котрые открыли катализатор полимеризации Филлипс и первую реакцию метатезиса. Они замесили катализатор, очень похожий на их же катализатор полимеризации, только вместо хромового ангидрида взяли вольфрамовый, тоже высадили его на силикагель, прокалили в токе кислорода при 600° и пропустили над ним 2-пентин при 350°, и увидели с другой стороны реактора бутин-2 и гексин-3 (F. Pennella, R. L. Banks, G. C. Bailey, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1968, 1548).

В качестве объяснения авторы этого открытия (а это открытие без всяких вопросов) нарисовали наивный механизм, в котором образовывался и распадался циклобутадиен, а металл был вообще ни при чём. В 1968 году уже малые дети, только научившиеся лепетать первые слова, уже знали, что циклобутадиена не существует и что это антиароматическая молекула par excellence. Но вот промышленные химики, и не простые, а совершившие три выдающихся открытия (катализатор Филлипс и процесс полимеризации этилена, метатезис олефинов, метатезис ацетиленов) были не в курсе. Простим им это, и просто лишний раз убедимся в том, что промышленная химия какая-то немного особенная – открытия делать никто не мешает, но внятно объяснять открытое не обязательно. Зато платят много и мощный процесс можно не только открыть, но и увидеть в деле не в жалкой колбе с обратным холодильником, а внутри большущей ослепительной стальной хреновины, опутанной стильными трубами как центр Помпиду.

Метатезис ацетиленов в этом виде никого особенно не заинтересовал. У процесса, открытого химиками Филлипса (а работа в промышленности еще и делает ученого безымянным, хотя мы видим фамилии и звездочки, мы почти никогда не понимаем, кто там главный, а кто просто фланец откручивал, кто что придумал, и не можем воздать должное) было еще одно необычное свойство – это газофазный процесс на твердом катализаторе. Вот представьте себе, как должен работать метатезис в таком режиме. Скорее всего плохо, потому что мы уже, в отличие от химиков из Филлипса знаем, что метатезис имеет цепной “живой” механизм, и как он должен работать, если реакционный центр сидит на твердой поверхности, а реагенты пролетают мимо него в потоке газа.

В общем понятно, что метатезис алкинов пришлось открывать заново. Совершенно не удивимся, если поймём, что это сделал Шрок. В конце 1970-х он стал понемногу подбираться к комплексам металлов 5-й и 6-й групп с карбинами (он называл это алкилидинами, подчеркивая, что это лиганд-трианион, как мы говорим, X3), используя те же приёмы, которые уже привели его команду к карбенам Шрока. Появились карбины Шрока. Например, реакция галогенидов вольфрама или молибдена с неопентиллитием в расчете на гипотетический гексаалкилметалл дает самопроизвольно карбиновые комплексы через двойное α-элиминирование (Clark D. N., Schrock R. R. J. Am. Chem. Soc. 1978, 100, 6774)

И вот, как только Шрок получил первый настоящий катализатор метатезиса в разобранной выше работе, он подумал, а не замутить ли похожим способом метатезис уже ацетиленов. Вот как выглядит настоящий зверь – вцепился в добычу больше его в сто раз, и как начал ее рвать и не может остановиться. Все окружающие в ужасе разбегаются, потому что туда соваться себе дороже, ни одного кусочка откусить не получится пока зверь не насытится. А зверь силен и жаден, не скоро насытится. Есть такие ученые в истории науки, с совершенно невероятным упорством и целеустремлённостью они заходят в какую-то непаханую область, и за два-три десятилетия создают на этом месте новую науку, где уже пасутся десятки и сотни ученых попроще и поспокойнее.

Шрок посмотрел вот на тот комплекс с неопентилами и решил, что это не годится, и электрофильность великовата, и алкильные лиганды уж больно любят выкидывать всякие гадости в виде побочных реакций. И он решил их убрать, заменив на уже хорошо зарекомендовавшие себя в метатезисе олефинов. Задача оказалась на удивление простой, потому что алкильные лиганды на раннем переходном металле сильно похожи на карбанионы и вмиг улетели банальнейшим протолизом, как будто это не комплекс вольфрама, а какой-то, простите боги, гриньяр. И обратите внимание, что карбиновый лиганд при виде хлористого водорода и трет-бутильной группой не повёл – он-то не карбанион никакой, хоть и считаем мы его как X3, но back-donation делает связь намного прочнее. Дальше просто заменили лигандным обменом хлориды на трет-бутилаты, и получился такой комплекс шестивалентного вольфрама.

Этот комплекс отлично катализировал метатезис дизамещённых ацетиленов при комнатной температуре, равновесие достигалось быстрее для диалкил и немного медленнее для диарилацетиленов (Wengrovius J. H., Sancho J., Schrock R. R. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 3932).  При очевидном сходстве катализаторов и общих черт поведения реакционных смесей очевидно было предположить, что механизм Шовена работает и здесь, только интермедиатом является металлациклобутадиен. Никаких проблем с антиароматичностью у такого цикла нет, можете сами подумать почему, хотя ответ очевиден и даже немного обиден. Нарисуем с дизамещенным несимметричным ацетиленом, исходный предкатализатор сократим, опустив трет-бутоксилы. Стадия инициирования (одна из двух возможных) через металлациклобутадиен дает ацетилен с трет-бутильной группой, котого мы не заметим, потому что предкатализатора мало.  И в реакцию вступает карбиновый комплекс с карбином из половинки ацетилена. В металлациклобутадиене пи-система делокализована, и мы обозначим это с помощью граничных структур:

Дальше вводим каждый из карбиновых комплексов в реакцию с ацетиленом в двух возможных способах сближения. Итого 4 варианта, каждый дает ацетилен и регенерирует активный карбиновый комплекс. Мы считаем все направления равновероятными. Если так, то получаются два симметричных ацетилена и в двух вариантах регенерируется исходный. Всё очень похоже на ситуацию с метатезисом дизамещенного алкена.

 

Забегая немного вперёд замечу, что этот тип катализатора остался основным и самым популярным для ацетиленового метатезиса. После небольшого тюнинга структра триалкоксильного комплекса вольфрама или молибдена с карбиновым лигандом стала первым, а часто и последним выбором, тем более что в этом типе метатезиса никакой Граббс ни с каким рутением не мельтешил по причине полной неспособности вести эту реакцию. Тем не менее, метатезис ацетиленов в реальном синтезе намного капризнее олефинового, занимаются им немногие и только в полсдение пару десятков лет. Мы отдельно на примерах посмотрим какие там проблемы и как они решаются.

Когда-то в старину было популярно такое выражение “десять сталинских ударов”.  В чём эти удары состояли, кроме неизменно бесчисленных жертв и разрушений, никто из выживших так и не понял. А вот Шроком мы только начали заниматься, но число шроковских ударов уже таково, что мы сбились со счёта, а ведь что ни удар, то точно в цель – новые типы лигандов, катализаторов, процессов. А ведь это ещё не всё. И обошлось без жертв и без разрушений. 

 Кульминация усилий Шрока

Десять с лишним лет исследований Шрока дали возможность очень хорошо понять, что нужно для того чтобы получить очень хороший катализатор для метатезиса олефинов. В центре должен быть вольфрам (или молибден, но Шрок долго отдавал предпочтение именно вольфраму, это не удивительно, с комплексами металлов 3-го ряда обычно проще работать, он более устойчивы, их легче выделить, получить кристалл, сделать РСА). Обязательно должен быть карбеновый лиганд для инициирования реакции метатезиса. Дальше требуется очень тонкая балансировка электрофильности, лучше побольше, но при этом нельзя перебрать, так как комплекс будет менее селективен. Для балансировки электрофильности почти обязательны алкоксильные лиганды, с третичным спиртом, чтобы не было β-гидридного элиминирования, и несколько исследований Шрока и сотрудников привели в конце концов к гексафторированному трет-бутанолу, имеющему правильный баланс донорных и акцепторных свойств. И понадобился ещё один лиганд. Его немного случайно обнаружили чуть ранее в попытке заменить один из алкоксидов амидным лигандом – оказалось, что в присутствии оснований протон с амида переползает на карбин и получается в координационной сфере одновременно и карбеновый и имидный лиганд. Имид – формально нейтральный лиганд, аналогичный карбену (поэтому его можно было бы назвать по аналогии вс карбеном Шрока нитреном Шрока, но так не делают, не прижилось), но понятно, что на раннем переходном металле если уж карбен имеет характер дианиона X2, то имид и подавно. На отдельной страничке мы разобрались со спецификой таких лигандом и с тем, как они искусно помогают металлу формально быть сильно координационно ненасыщенным, но фактически почти полностью закрывать его потребности в электронах. Фторированный трет-бутилат загружают последним, что имеет ещё одно последствие в том случае если имид берут очень объёмистый, например, с 2,6-диизопропилфенильным заметителем, из-за стерических препятствий из координационной сферы вылетает самый слабый лиганд, диметоксиэтан из растворителя, и получается координационно ненасыщенный тетраэдрический комплекс, структура которого с тех пор известна всем, кто хоть раз интересовался метатезисом (Schaverien C. J., Dewan J. C., Schrock, R. R. J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 2771).

Этот комплекс быстро и эффективно подвергал метатезису дизамещённые олефины, но не все. Иногда реакция зависала на металлациклобутане, который никак не хотел распадаться. так что даже удалось сделать несколько структур таких интермедиатов. Это хорошо для очередной демонстрации справедливости механизма Шовена, но плохо для катализа, диапазон получается не очень широким. Решение стали искать в переходе к молибденовому аналогу, во втором ряду более лабильные комплексы и это уже лучше для катализа. Можно вспомнить в связи с этим кросс-сочетание, где палладий работает, а платина нет – слишком стабильны комплексы. В метатезисе все не так трагично: вольфрам работает, но лучше поискать большей гибкости у молибдена. Одна проблема, синтез опять пришлось искать, потому что то, что сработало для вольфрама, не работало для молибдена. Вернее сработало, но без блеска, с низким выходом и трудностями в очистке. Поэтому разработали другой подход. В принципе, это мелочь, но я решил его привести, потому что эта химия довольно ярко показывает свойства таких комплексов. Когда мы просто видим структуры катализаторов Шрока, удивляемся, как такую раскоряку вообще удалось сделать и как это в голову пришло. А посмотрим реальную химию, и становится понятно как и почему, и еще то, что это довольно стабильные соединения, и ничего особенно страшного в них нет, и довольно недорогие, и наработать их можно много.

Интересно, что Шрок в этом синтезе заменил неопентил на похожий радикал, но с фенилом – это называется неофил, – и так объяснил, что, типа, неопентил дорогая штука, а неофила хоть ведром черпай. В те времена, а это конец восьмидесятых, перестройка и гласность в наших краях, и очень крутой американский профессор и не из кукурузных полей Аризоны, а из самого МИТа, экономит деньги на второстепенном реактиве. Скорее всего, он просто думает о последующем применении, чтобы комплекс могли недорого получать люди из менее богатых мест. И нам заодно такое забавное подтверждение того, что мы долбим на 3-м курсе в нуклеофильном замещении, ведь высокая цена неопентильных производных как раз и определяется тем, что их непросто получить, и именно поэтому. А кроме того поймём, почему в этих катализаторах действительно часто встречается этот карбен с фенильной группой – диметилбензилиден. Синтез начинается с очень простого исходного, диоксомолибдендихлорида, просто получаемого хлорированием двуокиси молибдена. В этом комплексе происходит очень интересный обмен лигандов – оксо на нитрен, что лишний раз говорит об одинаковом типе этих лигандов, X2, в процессе лигандного обмена приходится подбирать протоны с помощью ненуклеофильного основания, стерически затруднённого 2,6-лутидина. Дальше ещё один лигандный обмен, хлорид на алкил, неофил. А вот следующая стадия очень необычна. Используется очень сильная кислота, которая вероятно протонирует один из азотов, нитрен превращается в обычный амидный лиганд, X-лиганд; металл становится намного электрофильнее и активирует алкилы к α-гидридному элиминированию, из двух алкилов получается один карбен, и что самое забавное – в координационной сфере остаются два трифлата, связанные как обычные Х-лиганды. Это говорит об очень высокой электрофильности металла, потому что обычно трифлаты – это такие плохие лиганды, что на других металлах не держатся и уходят во внешнюю сферу как банальные противоионы. На этом основана куча фокусов в химии рутения, родия, иридия, палладия, золота и др. Ну и остается последняя стадия – обычный лигандный обмен, с одновременной разгрузкой координационной сферы, в которой поселились четыре объёмистых лиганда и для других меcта не нашлось.

Именно молибденовый комплекс стал первым эффективным практическим катализатором метатезиса, а этот принцип построения катализатора – основой для модификаций. Можно было бы ожидать, что его обзовут шрок-первый, по аналогии к граббсами, но нет, не обозвали. Дальше стали делать по этому образцу новые катализаторы, изменяя два мотива – алкоксиды и имид, в поисках, например, энантиоселективных катализаторов. Или катализаторов для специальных применений. Кроме молибдена, и иногда всё же вольфрама, добавили ещё комплексы рения с очень похожим обвесом лигандами. 

Это самое начало 1990-х. Метатезис может начать победное шествие по обычным синтетическим лабораториям. Но всё же у всех эти комплексов металлов в высокой степени окисления было не всё очень удобно. Некоторая избыточная электрофильность приводила к тому, что они цеплялись за всякие заместители и группы, ограничивая диапазон метода. Метатезис поехал, но не так быстро как хотелось бы, и вряд ли стал бы таким популярным в синтезе. Нужно было что-то ещё. 

А решение оказалось на другом конце

Метатезис родился из полимеризации Циглера-Натты, то есть неразрывно связан с ранними переходными металлами. Шрок навёл в этом хозяйстве порядок, открыл настоящие, эффективные, структурно определенные катализаторы, в основном среди комплексов металлов 6-й группы в в степени окисления +6. Шрок дошел и до 7-й группы, где хорошие катализаторы оказались у рения, и тоже в максимальной степени окисления. Все такие катализаторы и каталитически активные частицы имеют карбеновые лиганды в виде карбенов Шрока, дианионов, лигандов типа X2. Трудно избежать впечатления, что именно такой тип карбенового лиганда критически важен для катализа метатезиса.

Но то, что не обязательно так, было известно. И сам Шовен и несколько исследователей в 1980-х работали с карбенами Фишера, и хоть особенно эффективных катализаторов не получили, и вообще явно имели нечто не совсем определенное, скорее всего карбены других типов тоже могли участвовать в метатезисе. Впрочем, с другой стороны карбены Фишера ведь тоже из 6-й группы, но – точно не высшей степени окисления, и сам карбеновый лиганд имеет тип L. Но более надежных данных по возможности использования чего-то из поздних переходных металлов и их комплексов не было.

И вдруг в 1988 появлись две статьи Брюса Новака и Роберта Граббса, где исследовалась полимеризация через открытие цикла (ROMP) аналогов норборнена с кислородом – мы без труда узнаем в этих мономерах аддукты фурана и диенофилов. Получались очень интересные гидрофильные полимеры. Но катализаторы Шрока работали плохо, они слишком электрофильны, цепляются за кислород, работают только в сухих расторителях, так как вода их деактивирует. И тут исследователям приходит в голову попробовать несколько простых производных металлов 8-й группы, просто хлоридов двух и трехвалентных рутения и осмия (Novak B. M., Grubbs, R. H. J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 7542). И надо же – они сработали, и куда лучше, чем изощренные комплексы Шрока, на создание которых ушло 10 лет, и ещё столько же на подготовку. Более того, эти – конечно же мы не имеем право называть их катализаторами – пред-катализаторы отлично работали в чистой воде! И это было отлично, потому что и задача была – сделать гидрофильный полимер. Предкатализатор – просто гексааква-комплекс рутения(2+)

Довольно трудно сказать, почему было решено попробовать такие странные вещи. Придётся предположить, что просто пробовали, всё что на полках нашли. Ну не важно, главное, что получилось, и что это стало началом потрясающего прорыва в лаборатории Граббса, в результате которого и были созданы самые популярные катализаторы для метатезиса. Но прорып произошёл очень не сразу. Соли рутения отказывались катализировать метатезис других олефинов.

Химию в Америке делают молодые – аспиранты (тамошние аналоги, graduate students) и постдоки – те, кто делают диссертации, магистерские и докторские, и те, кто набирает CV после диссертации, чтобы определиться с будущей карьерой в университетской или промышленной науке. К Граббсу поступил для graduate молодой вьетнамец Нгуен Соньбин. Через двадцать с небольшим лет Томсон Рейтерз включило профессора Нгуена в рейтинг самых влиятельных учёных в мире – начало карьеры у Граббса явно удалось и дальше этот ученый не сбавлял темпа. Не могу не заметить, что если отъехать от работы у Граббса на столько же лет в другую сторону, мы попадем в времена Вьетнамской войны, одного из самых больших провалов США и чрезвычайно страшного испытания для обеих стран – казалось, что после Вьетнам и США навеки останутся непримиримыми врагами, ничего кроме ненависти друг к другу не испытывающими. Но нет, общества и правительства обеих стран оказались мудрее, воспоминания понемногу потеряли остроту, и страны стали неплохо сотрудничать, молодые вьетнамцы поехали в США учиться и работать, и с большим успехом, мы нередко видим характерные вьетнамские фамилии в превосходных работах и в химии и в других мощных науках. И нередко видим, как вьетнамские профессора руководят научными группами в американских университетах. Главное – хорошее начало, и у Нгуена Соньбина оно оказалось просто потрясающим. Граббс решил испытать новичка и попросил его для начала синтезировать и наработать побольше все новейшие катализаторы Шрока, и вольфрамовые, и молибденовые, и рениевые. Студент справился, заодно поняв, что это всё очень большие не-подарки – синтезы тяжёлые, выходы небольшие, масштабируются непросто. Заодно руку набил в синтезе. Но по дороге понял, что нужно поискать другие катализаторы, желательно более простые в синтезе и работе, и менее капризные в реакциях.

 Нашёлся и ещё один удобный источник карбеновых комплексов. В лаборатории того же Граббса, обнаружили, что некоторые переходные металлы очень интересно раскрывают молекулы сильно напряжённых циклопропенов, для однозначности дизамещённых – получается винилкарбен (он же аллилиден), точнее такой лиганд. Металл для таких реакций требуется такой, который дает в большей степени электрофильную активацию, что создаёт и в без того напряжённом цикле потребность в электрофильной перегруппировке, направление которой приблизительно показано стрелочками. Итого имеет карбеновый комплекс. Наиболее часто стали использованить дифенилциклопропен, который довольно легко получается весьма кондовым органическим синтезом почти практикумного уровня – на курсовую работу точно пойдёт. Такой прём позволяет грузить такой карбен и на вольфрамовые и на турениевые комплексы. Мы часто видим эту немного странную штуку на катализаторах метатезиса и иногда удивляемся, откуда она взялась.  

И вот Нгуен решил попробовать сделать рутениевый комплекс с карбеном с помощью этого способа, использовав в качестве предшественника очень простой комплекс Ru(2+) с трифенилфосфином. Получился тот самый тип комплекса, который стал так знаком всем, кто хотя бы поверхностно знаком с метатезисом (Nguyen S. T., Johnson L. K., Grubbs R. H., Ziller J. W. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 3974). Комплекс показал активность, но только в одной из самых простых реаций метатезиса – полимеризации норборнена. Было ясно, что катализаторы из рутения сделать можно, но только непонятно как – что тут мнять, чтобы увеличить активность. Те идеи, которые были наработаны у Шрока, здесь не годились, потому что это совершенно другой тип карбена и поздний переходный металл. 

Исследование зависло, настолько что сам Нгуен ушёл от Граббса и стал искать себе более перспективную область для исследования. Заниматься рутиной – перебирать структуры комплексов – ему не хотелось, а если посмотрите на статьи, выходившие во множесте из лабораторий тех же Шрока и Граббса, можете убедиться, что это в основном такие кропотливые исследования координационной химии, сотни комплексов, структур, реакций. 

 (продолжение следует)