Одним из самых интересных и важных элементов Периодической системы элементов является фтор. Этот элемент приобрел особое положение в химии и в особенности в органической химии в последние годы. Почему же это произошло?
Вероятно, самый главный толчок в развитии химии фторорганических соединений начался в связи с развитием Манхэттенского проекта, то есть с созданием атомной бомбы. Для разделения изотопов урана требовалась разработка методов получения фторидов урана, которые представляют собой летучие вещества, а будучи очень агрессивными соединениями, фториды урана требовали наличия специальных смазок и других материалов, которые бы не вступали с ними во взаимодействие.
Это дало первый и решающий толчок в развитии химии фтора, и, вероятно, именно военные исследования привели к тому, что наша жизнь сейчас не может обойтись без химии фторсодержащих соединений.
Второй важнейший толчок, который произошел в этой области, был связан с тем, что фторурацил, простая гетероциклическая молекула, содержащая один атом фтора, проявила свойства противоракового препарата, который уже более 60 лет используется в медицине.
Долгие годы химики не осознавали, что наличие фтора действительно может быть некой волшебной палочкой в решении огромнейшего числа чисто прикладных проблем. Почему же это происходит? Электроотрицательность фтора, по Полингу, — 4, то есть это самый электроотрицательный элемент среди всех известных. Если же мы посмотрим на длины связей CH и CF или вандерваальсовы радиусы углеводородов и фторсодержащих соединений, то окажется, что связь CF лишь приблизительно на 20% длиннее связи CH. Фторсодержащие перфторированные соединения достаточно малополярны, но поляризация связей у них отличается от связи в обычных углеводородах.
С другой стороны, наличие электроотрицательного фтора в таких соединениях придает молекулам другие особые свойства. Например, будучи электроотрицательным элементом, фтор оттягивает на себя электронную плотность в молекуле и делает ее существенно более устойчивой к различным окислительным процессам, например, метаболизм у лекарства в нашем организме.
Другой важной характеристикой, которую привносит фтор, является повышение липофильности. Все фторсодержащие соединения существенно более липофильны, чем соответствующие CH-производные. Существует еще масса характеристик, которые привносят фтор в создаваемую молекулу. Например, меняются конформационные свойства связей, поскольку атомы фтора имеют склонность к электростатическому отталкиванию, и для фторсодержащих соединений конформационное поведение отличается по сравнению с нефторированными производными.
Все эти характеристики оказываются практически незаменимыми при создании новых лекарств.
Если первое фторсодержащее лекарство было получено в 50-е годы — Фторурацил, то через 60 лет практически 20–25% всех новых лекарств и агрохимикатов содержат в своем составе или атом фтора, или трифторметильную группу. Эти заместители являются практически магическими, и в медицинской химии, которая является составной частью органической химии, они используются как особый инструмент. Химики-синтетики вначале получают молекулы, которые являются кандидатами в новые лекарства, а затем проводится серьезная структурная модификация, варьирование заместителей в различных положениях целевой молекулы, и в этом случае обязательно используются соединения, которые содержат либо связь CH, либо связь CCF3.
Можно сказать, что в последние годы количество таких особых фторированных заместителей растет, и последнее время очень популярными становятся молекулы, содержащие строительные блоки C2 с атомами фтора, молекулы, содержащие фрагмент трифторметоксигруппы или трифторметилсульфонильные группы. Очень интересным заместителем, который появился в органической химии, является заместитель SF5 — это аналог трифторметильной группы, которая по своему объему является более липофильной, более электроноакцепторной и обладает рядом очень интересных характеристик.
Конечно, фтор — это элемент, который используется не только для создания новых лекарств. Новые материалы — это огромнейшая часть современной жизни и современной химии, и здесь опять-таки фтор занимает ключевое положение. Я уже сказал, что фтор — это самый электроотрицательный элемент, и, вводя атомы фтора в новые материалы, мы придаем им особую устойчивость, поскольку процессы окисления, скажем, воздухом, кислородом воздуха, с которым они контактируют, будут происходить существенно хуже.
Конечно, это не единственная характеристика — полностью меняется распределение электронной плотности в этих материалах, и наличие таких фторированных заместителей позволяет существенным образом изменить природу связей и свойства этих материалов. Например, современные дисплеи, которые мы используем ежедневно в нашей жизни, как правило, используют в процессах визуализации жидкокристаллические материалы. Это достаточно сложные молекулы, тем не менее большинство современных жидкокристаллических материалов содержат в своем составе атомы фтора, которые придают им особые конформационные свойства, особые электронные свойства и дополнительную устойчивость.
Один из очень простых типов фторсодержащих соединений — это фреоны. Наверное, все мы слышали это название, и многие из нас еще слышали о таком страшном явлении, как разрушение озонового слоя Земли и возникновение озоновой дыры над Антарктикой. В настоящее время производство фреонов, то есть фторированных метанов и этанов, которые содержат еще иногда дополнительно атомы водорода, хлора и брома, несколько уменьшилось. Тем не менее доказанного подтверждения, что именно эти легкие органические молекулы, которые мы чаще всего используем как жидкость в холодильниках, например, или в кондиционерах, влияют на разрушение озонового слоя Земли, все же нет. Несмотря на то, что количество производимых фреонов уменьшается, размеры озоновой дыры над Антарктикой варьируются совершенно непредсказуемым образом. И я все же более склонен говорить о том, что это естественные процессы изменения в земной атмосфере, которые, возможно, и связаны с воздействием перфторированных соединений фреонов, а может быть, это и процессы, которые несколько преувеличены в последнее время.
Тем не менее примеров использования фтора как элемента для целенаправленного синтеза лекарств, веществ с особыми свойствами, материалов становится все больше и больше. Химия фторсодержащих соединений — это бурно развивающаяся область современной химии, и я думаю, что это направление будет развиваться еще активнее, за ним большое будущее.
