Циклопропан

С точки зрения «обычной» химии обычная химическая связь, особенно между атомами углерода, — прямая. Электронные орбитали, образующие связь, располагаются по линии, которая соединяет центры атомов. Это естественно и понятно на интуитивном уровне. Но есть исключение из правила — давным-давно известное вещество, которое даже используют в медицине. Это циклопропан, в котором три атома углерода соединены в треугольник. Мы помним, что углы у равностороннего треугольника равны 60 градусам. А как нам вдалбливают на первых же уроках органической химии, угол между связями в углероде равен 109 градусам 28 минутам. Получается, в циклопропане связи стянуты, как согнутая в лук ветка дерева… Впрочем, давайте обо всем по порядку.

Само вещество известно химикам уже век с четвертью. Новый газ синтезировал в 1881 году австрийский химик Август Фройнд (1835—1892), родившийся на территории нынешней Польши, а умерший на территории нынешней Украины, во Львове. Именно Фройнд в первой же статье под названием «О триметилене» и предположил правильную структуру циклопропана. Кстати, синтез, обессмертивший имя Фройнда, был проведен во Львовском техническом университете — Фройнд в те годы был профессором этого университета и деканом факультета технической химии. Синтез циклопропана и сейчас проводят этим методом — замыканием цикла 1,3-дибромпропана при помощи металлического натрия.

Следующий важный этап в биографии нашего вещества связан с именем американского анестезиолога Ральфа Мильтона Уотерса (1883—1979). Статья о нем в Википедии без обиняков утверждает: «…знаменитый тем, что ввел профессионализм в анестезиологическую практику». И правда, в 1919 году вышла одна из самых важных статей Уотерса «Зачем нужны профессиональные анестезиологи», в которой он очень низко оценил ситуацию с обезболиванием в медицине того времени и призвал врачей уделять этой проблеме больше внимания.

Пионер в области анестезиологии, автор первого учебного курса по этому предмету, Уотерс догадался использовать циклопропан для ингаляционного наркоза. Начали это делать в 1920-х годах и делают до сих пор (сам автор помнит его запах). Действительно, у этого вещества очень широкий спектр применения. Если его в дыхательной смеси 4%, он вызывает аналгезию, то есть обезболивание. Чуть побольше около 6% — отключается сознание, а если еще больше, то наступает общий наркоз.

Один минус: мы помним, что обычный пропан — это бытовой газ, тот самый, который перевозят в баллонах. Его циклический собрат тоже чрезвычайно взрывоопасен, а значит, делать наркоз там, где есть опасность искры, не стоит. Зато после прекращения ингаляции циклопропан в неизменном виде выводится из организма. Полностью и без следа.

Но самое интересное в нашей молекуле — не это. Самое интересное — это химические связи циклопропана. Как мы уже говорили, нормальный угол между одинарными связями, которые образует атом углерода, — 109 градусов 28 минут. А угол между сторонами равностороннего треугольника — всего 60. И как быть? Оказывается, в циклопропане одинарные связи не прямые! В обычном пропане связь «углерод-углерод» получается перекрытием длинных сторон неравносторонних «гантелек» sp3-гибридизованных орбиталей. И оба атома, и область перекрытия лежат на одной прямой. И расстояние между атомами углерода одинаково — 0,153 нанометра. Здесь же все иначе. Электронные орбитали выгибаются наружу от сторон треугольника, который образуется атомами углерода. Получается натянутый лук. Хотя химики почему-то назвали такие связи банановыми. Фантазии у них нет, что ли? Впрочем, английское название еще более незамысловатое — bent bont, изогнутая связь…

Кстати, такая связь (0,151 нм) короче обычной одинарной и длиннее двойной (0,146 нм). И слабее — циклопропан легко вступает в реакции присоединения, как вещество с обычной двойной связью, только в нашем случае связь между атомами углерода рвется полностью. Например, к нему присоединяются галогеноводороды в полном соответствии с правилом Марковникова (конечно, в случае замещенного циклопропана).

Сейчас это вещество постепенно сходит с подмостков. Конечно, оранжевые баллоны циклопропана можно встретить во многих операционных, однако веселящий газ встречается чаще, севофлюран работает лучше, а другого применения циклопропану пока особо не нашли. И все же, если вы еще увидите оранжевые баллоны, вспомните, что там, внутри, — удивительные крошечные «бананы» длиной чуть более одной десятой нанометра.

Синтез циклопропана