Правило Марковникова: история и современность

Профессор Дэвид Льюис выступает с докладом о творческой деятельности В. В. Марковникова (Казань, Марковниковский конгресс). Фото автора
Профессор Дэвид Льюис выступает с докладом о творческой деятельности В. В. Марковникова (Казань, Марковниковский конгресс). Фото автора
Аркадий Курамшин
Аркадий Курамшин

Нынешний год оказался богат на химические юбилеи, хотя, откровенно говоря, на фоне 150-летия Периодического закона практически незамеченными остались и 230 лет с момента издания Антуаном Лавуазье «Начального учебника химии» (“Traité élémentaire de chimie”), и столетний юбилей Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC). Полуторавековой юбилей в этом году отметило одно из важнейших правил органической химии. На Международном Марковниковском конгрессе, который в июне 2019 года проходил в Москве и Казани, специалист по истории химии Дэвид Льюис заявил, что для химиков-органиков второй половины XIX века правило Марковникова имело не меньшее (а может, и большее) значение, чем теория строения органических соединений Александра Бутлерова. Это правило практически показывало возможность селективного получения одного из нескольких возможных изомеров.

Химики-синтетики привычно и легко оперируют понятиями «марковниковский продукт присоединения» и «антимарковниковский продукт присоединения». Казалось бы, это дает повод предполагать, что правило Марковникова, как и Периодический закон Менделеева, получило свое имя вскоре после открытия. Но это не так — термин «правило Марковникова» появляется в научной литературе только в 1920-е годы, через полвека после формулировки.

Еще один интересный факт, связанный с правилом, — в большинстве учебников по органической химии, изданных для школы и вуза, приводятся не вполне корректные формулировки правила Марковникова. Если говорить точнее — в школьных учебниках приводят самый первый вывод Марковникова, по сути ставший фундаментом для правила; вузовская же формулировка приписывает Марковникову знания, ставшие доступными химикам уже во второй половине ХХ века. Попробуем разобраться, почему так произошло.

Первые шаги к правилу

В пятнадцатистраничном некрологе о Влади­мире Васильевиче Марковникове, опубликованном в немецком химическом журнале после смерти ученого 11 февраля 1904 года [1], в качестве научных заслуг упоминаются работы Марковникова по изучению нефти, исследования взаимных превращений циклических соединений, написанное Владимиром Васильевичем руководство по аналитической химии и даже предложенные им методы массовой дезинфекции во время вспышек холеры и тифа. Единственное из достижений Марковникова, не упомянутое в этом некрологе, — то открытие, благодаря которому он вошел в историю науки.

Владимир Марковников
Владимир Марковников

Почему так случилось? Почему это открытие стало ассоциироваться с Марковниковым не ранее 1930-х годов, когда Моррис Хараш, изучая реакции присоединения, определил границы применимости правила? Кто-то может предположить, что причина этому — традиционная беда российских ученых: публикация результатов исследований в российских журналах и на русском языке, из-за чего бо́льшая часть их открытий малодоступна для мировой научной общественности. Но не в случае Марковникова. В период, когда Владимир Васильевич был увлечен структурной химией (1865–1875), он опубликовал около 20 статей на французском и немецком языках. Часть этих статей была переводами материалов исследований, ранее опубликованных на русском языке, часть сразу издавалась на иностранном.

Статья, в которой Марковников впервые упоминает правило, написана на немецком языке. В 1870 году в журнале Annalen der Chemie und Pharmacie появляется статья, озаглавленная «Вести из казанских химических лабораторий» с подзаголовком «О характере замещения радикалом в изомерных масляных кислотах» [2]. Эта длинная статья содержала материалы докторской диссертации Марковникова на тему «Материалы по вопросу о взаимном влиянии атомов в химических соединениях», которую он защитил в Казанском университете в 1869 году.

Во время работы над диссертацией Марковникову в том числе пришлось изучать особенности присоединения хлорноватистой кислоты (HClO) к пропену. Он правильно определил структуру образующегося хлоргидрина — 1-хлорпропанола-2, попутно заметив, что в этом случае более электроотрицательный гидроксил (ОН) связывается с менее гидрированным атомом углерода. Однако, поскольку ранее его учитель, Александр Михайлович Бутлеров, пришел к иному выводу, изучая присоединение HClO к изобутилену (там продукт реакции (CH3)2CCl(CH2OH) содержал первичную спиртовую группу), Марковников не решился сделать общие выводы о направлении реакции присоединения хлорноватистой кислоты: «Пока в настоящее время невозможно из-за недостаточного количества наблюдений определить ясно общее правило присоединения элементов HClO к ненасыщенным углеводородам, такое правило есть для галогеноводородных кислот». После этого заключения шла исторически первая формулировка правила: «При взаимодействии несимметричного алкена с галогеноводородной кислотой галоген присоединяется к атому углерода с меньшим числом атомов водорода, это и есть углерод, который более других находится под влиянием других атомов углерода». Затем Марковников расширяет вывод, упоминая результаты, ранее полученные в лаборатории Кольбе, добавляя: «…при присоединении [HX] к винилхлориду, хлорированному пропилену и другим аналогам галоген всегда присоединяется к атому углерода, уже связанному с галогеном».

Эти две формулировки охватывают не так уж много соединений, и говорить о них как о правиле вряд ли уместно — скорее это пока еще просто вывод Марковникова. Интересна и еще одна вещь: химикам может ­показаться непривычным, что в своих формулировках Марковников уделяет большее внимание местоположению галогена в продукте присоединения. Между тем это вполне нормальная позиция химика XIX века, которого интересует теория химической структуры и конституционная изомерия. В ХХ веке, когда в органической химии химиков стали более привлекать механизмы реакций и стало ясно, что присоединение галогеноводородов начинается с атаки иона Н+ на кратную связь, сформулированные в 1869 и опубликованные в 1870 году выводы Марковникова начали цитировать в инвертированной форме: «При присоединении галогеноводорода к несимметричному алкену водород присоединяется к наиболее гидрированному атому углерода». Замените в этой формулировке «алкен» на «ненасыщенный углеводород», упомяните наряду с галогеноводородами воду, и мы получим то, что большинство школьных учебников называет «правилом Марковникова».

Точная формулировка правила

Четыре года спустя после первой публикации о результатах наблюдения за присоединением галогеноводородов к пропилену, в 1874 году, бельгийский химик Луи Анри (его именем названа реакция нитроальдольной конденсации), упоминая Марковникова, попытался сформулировать общее правило присоединения несимметричных реагентов к алкенам [3]. Его версия звучала следующим образом: «Реагент XX’ присоединяется так, что более отрицательный радикал X связывается с менее гидрированным атомом углерода, а менее отрицательный (или положительный) X’ — с более гидрированным атомом углерода».

Это обобщение совпадало с выводами Марковникова о присоединении галогеноводородов к алкенам, но Анри не мог согласиться с предложенным Марковниковым строением продукта присоединения хлорноватистой кислоты к пропену. Разногласия возникли из-за того, что Анри расставил заряды в «радикалах» хлорноватистой кислоты следующим образом: HO+Cl–, не объясняя свой выбор (правда, очевидно, что за без малого четверть века до открытия электрона и за полвека до появления шкалы электроотрицательности сейчас любое объяснение показалось бы нам наивным и натянутым). В одной из трех статей, которую Марковников написал, полемизируя с Анри, Владимир Васильевич сформулировал максимально обобщенную закономерность реакций присоединения, которую, вероятно стоит считать исторически последней и наиболее точной формулировкой правила самим Марковниковым: «Если ненасыщенная молекула CnHmX присоединяет молекулярную систему YZ при низкой температуре, более отрицательный элемент или более отрицательная группа Y комбинируется с менее гидрированным атомом углерода или с тем атомом углерода, с которым уже связан отрицательный элемент». Это можно считать наиболее полной версией правила в формулировке Марковникова. Более того — эта версия правила максимально близка к принятому в 1969 году и приведенному в «золотой книге» IUPAC определению правила Марковникова: «При гетеролитическом присоединении полярной молекулы к алкену или алкину более электроотрицательный (нуклеофильный) атом (или часть) полярной молекулы оказывается связанным с атомом углерода, несущим меньшее количество атомов водорода».

Правило есть, но им не пользуются

Судьба правила Марковникова оказалась сложнее, чем судьба Периодического закона, сформулированного в тот же год Менделеевым. Химики начали пользоваться детищем Менделеева почти немедленно (точнее ­говоря — сразу же после подтверждения менделеевских предсказаний в результате открытия галлия, скандия и германия), а о правиле Марковникова в научном сообществе не упоминали почти полвека. Почему?

На этот счет можно предложить много версий. Во-первых, правило могло оказаться незамеченным из-за того, что самая первая его версия была сформулирована даже не в статье про изомасляные кислоты, а в четырехстраничном приложении к этой статье. Во-вторых, уровень развития химии того времени заставлял большинство ученых относиться к обобщенным выводам о реакционной способности органических соединений с осторожностью. Да, в положениях теории Бутлерова, учителя Марковникова, утверждалось о взаимном влиянии атомов и атомных группировок друг на друга, и правило подтверждало этот тезис. Однако в 1870-х годах идея, что реакционная способность атома (или атомной группировки) зависит от его положения в пространстве, воспринималась химиками-органиками весьма неоднозначно, а структурные формулы, предложенные Бутлеровым, пока еще представлялись просто удобным способом записи информации о составе вещества и том, какие изменения происходят с ним во время химической реакции. Причины того, почему бутлеровские постулаты работают, стали понятны в 1930-е годы, с началом разработки теории электронного строения органических соединений, на этот же период и приходится возобновление интереса к реакциям присоединения и правилу Марковникова.

Тем не менее главная причина того, что правило Марковникова игнорировали долгое время, скорее всего, состоит в том, что для подтверждения своего правила как глобального обобщения реакционной способности алкенов по объективным причинам Марковников привел недостаточное количество экспериментальных свидетельств. В 1870-е годы было очень сложно осуществить химическую реакцию в контролируемых условиях и практически невозможно однозначно определить, какой продукт в ней образовался. Было только два метода идентификации веществ: измерение их плотности и (в зависимости от агрегатного состояния вещества) измерение температуры кипения или плавления.

Конечно, говорить о том, что правило Марковникова совсем не было оценено современниками, нельзя. В 1899 году в своем обзоре состояния органической химии Артур Михаэль назвал Марковникова и Адольфа фон Байера лидерами в изучении реакционной способности органических соединений, отметив в том числе и важность правила Марковникова.

Правило Марковникова захватывает органическую химию

Когда фраза «присоединение по Марковникову» и аналогичные появились в химической литературе и учебниках?

В реферативном журнале Американского химического общества Chemical Abstracts, с момента его появления в 1907 году и до 1926 года, в заголовках и рефератах химических статей правило Марковникова не упоминается. С 1927 года в некоторых статьях, посвященных изучению реакций присоединения, появляются отсылки к правилу, однако эти отсылки нельзя назвать массовыми.

Поворотным в судьбе правила Марковникова считается 1936 год, когда Моррис Хараш и его ученик Фрэнк Майо в работе, посвященной присоединению к кратным связям бромоводорода в присутствии органических перекисей [4], процитировали правило Марковникова и впервые использовали термины «нормальное присоединение» (присоединение по Марковникову) и «аномальное присоединение» (присоединение, протекающее против правила Марковникова).

Вскоре после этого упоминание правила Марковникова и термина «присоединение по Марковникову» становится обыденным для химической литературы. С 1950-х годов словосочетание «марковниковский продукт» применяют в контексте продуктов реакций, выходящих далеко за границы исходного правила, — например, реакций присоединения сульфенил­хлоридов к алкенам и алкинам, реакций гидроборирования и процессов присоединения, протекающих в условиях металлокомплексного катализа. С 1959 года в литературе появляются термины «антимарковниковское присоединение» и «антимарковниковский продукт». Этими терминами мы обязаны лауреату Нобелевской премии по химии 1979 года Герберту Чарльзу Брауну, который подчеркивал, что с помощью гидроборирования алкенов и последующего окисления продуктов этой реакции можно получить спирты, которые недоступны для процесса присоединения «по Марковникову».

По Марковникову или против Марковникова?

Собственно говоря, достаточно иронично то, что термин «антимарковниковское присоединение» стал популярным благодаря реакциям гидроборирования. Если рассмотреть присоединение бороводородов к кратным связям углерод — углерод, несложно заметить, что оно ничуть не противоречит обобщенному правилу Марковникова, сформулированному еще в 1875 году. В бороводородах (боранах) атомы водорода заряжены отрицательно и, следовательно, связываются с менее гидрированным атомом углерода — всё как в классике. Возможно, что такая трактовка присоединения против правила не пришлась бы по нраву Владимиру Васильевичу. Впрочем, такое «антимарковниковское присоединение» противоречит и процитированному выше официальному определению правила Марковникова по IUPAC. Возможно, в наши дни обычай ссылаться на правило Марковникова при обсуждении любых реакций присоединения нельзя назвать чересчур эффективным. Сейчас нам уже нет необходимости прибегать к эмпирическому правилу XIX века — куда более надежную информацию о строении продукта присоединения нам дает электронное строение органических соединений и знание о механизмах реакций присоединения.

Конечно, есть тенденция провести ревизию правила с учетом существующих знаний об электронном строении органических веществ и механизмов органических реакций и сформулировать его примерно так: «При присоединении электрофильного реагента X–Y к асимметричной двойной связи присоединение электрофильной частицы X+ будет протекать так, что в результате образуется наиболее стабильный карбокатион». Однако попытка представить правило Марковникова в таком ревизионистском виде кажется исключительно неудачной — химик конца XIX века не мог ничего знать ни про карбокатионы, ни про электрофилы. Хотя процитированная формулировка правила объясняет особенности присоединения, с исторической точки зрения она некорректна.

Возможно, что во время преподавания органической химии школьникам или студентам будет гораздо честнее и эффективнее сначала упомянуть сформулированное 150 лет Владимиром Васильевичем Марковниковым (или пересмотренное им же спустя некоторое время) правило, а затем, привлекая информацию о стабильности карбокатионов, ­объяснить, почему и как оно работает.

Аркадий Курамшин,
канд. хим. наук

  1. Decker H. Wladimir Wasiliewitsch Markownikow // Berichte Der Deutschen Chemischen Gesellschaft. 1905. 38(4). P. 4249–4262. DOI: 10.1002/cber.190503804110
  2. Markownikoff W. I. Ueber die Abhängigkeit der verschiedenen Vertretbarkeit des Radicalwasserstoffs in den isomeren Buttersäuren // Annalen Der Chemie Und Pharmacie. 1870. 153(2). P. 228–259. DOI: 10.1002/jlac.18701530204
  3. Henry L. On the Products of Addition of Propylene to Hypochlorous Acid // Comptes rendus. 1874. 79. P. 1203–1207.
  4. Kharasch M. S., Margolis E. T., Mayo F. R. The peroxide effect in the addition of reagents to unsaturated compounds. XIII. The addition of hydrogen bromide to butadiene // Journal of Organic Chemistry. 1936. 1. P. 393–404. DOI: 10.1021/jo01233a008

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (6 оценок, среднее: 4,50 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: