andresol | О самой последней моей химической публикации

Я уже писал в этом блоге о своей первой публикации в JOC и о “последней” публикации в Dalton, но последняя оказалась не последней. Тогда в сентябре 2012 года я полагал, что все мои долги с аспирантуры закрыты и что с постдока мне опубликовать ничего не светит. Насчет второго я был прав, а насчет первого ошибался. Была у меня в диссертации “загадочная реакция”, разгадывать которую у меня не было экспериментальных навыков, а потому и желания. К счастью, они нашлись у моего френда

extranightcat, который раскрыл тайну загадочного пика в ¹¹B ЯМР, закристаллизовал вот такого монстра:

и довел работу до логического конца в виде публикации в Prokofjevs, A. et al. J. Am. Chem. Soc., 2013, 15686-15689 (бесплатная версия на PubMed Central - как меня радует тот факт, что она существует).

Честно говоря, мой вклад в эту статью невелик (одна с четвертью страницы в SI), и я бы совсем не обиделся, если бы меня упомянули в Acknowledgements, а не среди соавторов. Но вот в июне 2013 года, когда я меньше всего думал о химии, меня застало письмо моего ПхД руководителя Денниса Каррана с просьбой описать пару экспериментов для Supporting Info этой статьи. Мой Eee PC был со мной, поэтому я углубился в свою диссертацию, в копию своего электронного лабораторного журнала и в нашу переписку с мичиганской группой.

Стоял март 2010 года. Я занимался карбен-борановой химией в Университете Питтсбурга. Проект был идеально простым: смешай карбен-боран NHC-BH₃ с практически любым активным реагентом - получи новое вещество, которое можно опубликовать. Я изучал взаимодействие карбен-боранов с кислотами. Чем сильнее кислота, тем быстрее шла реакция, но кислоты с pK_a выше 3.5, включая уксусную, не хотели реагировать даже при нагревании. Моего руководителя этот факт весьма удивил. В начале работы с карбен-боранами он полагал, что это нежные зверики, разваливающиеся от любого чиха, а оказалось, что шкура у них такая, что выдержит и уксус, и хроматографическую колонку.

Во время очередного обсуждения он предложил мне добавить к CH₃COOH кислоту Льюиса, чтобы она уксус активировала. Идея показалась мне несколько странной. Я далеко не всегда проводил эксперименты, которые мне предлагал Карран, потому что считал, что он предлагает их, чтобы оправдать свою роль руководителя, а химию карбен-боранов я знаю лучше. Но это был очень простой опыт (как и 99% проведенных мной в аспирантуре: простота - сестра успеха). Я глянул, что стоит у нас на полке, и захватил TiCl₄ и AlCl₃ - сложно представить более архетипичные кислоты Льюиса.

Я подозревал, что столь сильные реагенты сами в первую очередь прореагируют с NHC-BH₃ и получится активация карбен-борана, а не уксусной кислоты. Поэтому начал я с контрольного смешивания 0.1 ммоля карбен-борана с 0.1 ммолем тетрахлорида титана в CH₂Cl₂. Смесь пожелтела, выделился газ. Вместо ТСХ я уже привык мониторить реакции с помощью ¹¹B ЯМР. Квартет NHC-BH₃ при -36 ppm полностью исчез, и вместо него наблюдался синглет при -25 ppm. Что-то определенно произошло, но что? Обработка реакции уксусной кислотой или водой частично возвращала исходный NHC-BH₃, что было еще страннее, так как я скорее ожидал полный распад на борную кислоту и имидазолиевую соль, как часто бывает с чувствительными производными карбен-боранов.

Реакция с AlCl₃ оказалась еще более занятной. В зависимости от числа добавленных эквивалентов хлорида и с течением времени в спектре ¹¹B ЯМР появлялись и исчезали сигналы. И на этот раз обработка водой приводила к распаду на H₃BO₃. Ни одного стабильного продукта колоночной хроматографией я выделить не мог, а на тот момент я уже настолько обленился и привык к тому, что карбен-бораны и их производные должны быть достаточно дубовыми, чтобы чиститься на силикагеле безо всяких ухищрений. Разве что попадалось некоторое количество уже охарактеризованного нами NHC-BH₂Cl. Но он и в реакции с HCl образовывался.

В то время у меня было несколько других карбен-борановых проектов разной степени завершенности, и мне было выгодно сосредоточиться на тех из них, что продвинулись дальше всего к публикации. Я доложил результаты моих экспериментов с кислотами Льюиса руководству, и мы решили временно заняться другими вещами. Основываясь больше на химической фантазии, чем на литературе, я предложил для продукта с TiCl₄ мостиковую структуру [NHC-BH₂---H---BH₂-NHC]⁺, а для реакции с AlCl₃ - быстрое превращение вначале в NHC-BH₂⁺, а затем медленное в NHC-BCl₂⁺. О структуре анионов я гипотез не измышлял. То есть кислоты Льюиса отнимали от NHC-BH₃ гидрид, а дальше, в отличие от кислот Бренстеда, в системе не находилось нуклеофила, чтобы занять место гидрида на боре.

И в таком виде, с tentative assignments, я оформил эти результаты осенью 2011 года в свою диссертацию. Работая над SI через полтора года, я поражался количеству ошибок и небрежностей. Изо всех щелей смотрели торопливость и пофигизм, с которыми я писал диссертацию. Хотя другие эксперименты были отшлифован, так как они к моменту защиты уже были опубликованы. Даже странно, что я тогда решил включить эти эксперименты с кислотами Льюиса в мой диссер. Других результатов у меня хватало. Но насчет этих я чувствовал, что они как минимум любопытны. Были и эксперименты, которые так навсегда и останутся только лишь в моем лабораторном журнале (например, я безуспешно пытался борилировать этими борениевыми катионами разную богатую электронами ароматику: от N-метилиндола до ферроцена).

Начиная писать этот пост, я не мог вспомнить, как началось наше сотрудничество с группой профессора Эдвина Ведейса из Университета Мичигана в Энн-Арборе по карбен-борановому проекту. У нас по нему много коллабораций было, штук 10, не меньше, а Ведейс как раз выпустил несколько статей по борениевым катионам и электрофильному борилированию с их помощью. Я перелистал е-мейлы осени 2010 года и нашел тот, в котором Карран просил меня подготовить описание моих экспериментов, и послать некоторое количество карбен-боранов Ведейсу. Вот сейчас вижу, что мостиковые структуры я взял не с потолка, а из статьи Де Вриса и Ведейса 2007 года, где они предложили их для продуктов взаимодействия амин-боранов и фосфин-боранов с Ph₃C⁺B(C₆F₅)₄^-. Значит, все-таки литература, а не фантазия. Многое стал забывать, а всего пять лет прошло. Например, четко помнил, что у меня была папка со всеми моими статьями. Перерыл весь сегмент Pittsburgh Research и Chemistry, а она оказалась в разделе Green Card.

В общем, обратиться к Ведейсу было очень логичным и мудрым шагом. Мне не хватило бы навыков работы с чувствительными веществами, чтобы довести этот проект до публикации. Я привык работать грубо. У нас группе даже glovebox был только для хранения реактивов, а не для проведения реакций. А вот среди аспирантов Ведейса подходящий человек нашелся.

С Сашей Прокофьевым у нас был шанс встретиться еще в 2002 году на международной олимпиаде по химии в Гронингене, но там мы загадочным образом разминулись. А встретились лично только в декабре 2012-го, уже после моего ухода из постдоков, но до публикации этой нашей совместной статьи. Я его очень сильно уважаю за то, что он смог установить структуры тех продуктов (я уважаю всех людей, кто лучше меня в том, в чем я сам себя считаю профессионалом), и я буду рад, если нам в будущем удастся еще поработать над каким-нибудь проектом. И дело не только в химии: именно Саша убедил руководство довести эту статью до публикации в JACS, когда уже всем (включая меня) было все равно, будут ли эти результаты опубликованы.

Структуры оказались не такими уж далекими от тех, что я предположил в диссертации. Разве что NHC-BH₂⁺ чем-то похож на BH₃ и предпочитает димеризоваться в дикатион (подобно тому как BH₃ существует в виде B₂H₆). Саша мне еще в самом начале из ¹¹B ЯМР спектров убедительно заявлял, что это не может быть свободный монокатион.

Увидев первый вариант статьи, я написал Каррану, что мне не нравится, когда научные статьи пишутся в стиле детектива: “Мы получили вещество X, а его структуру вы узнаете только в последнем абзаце” - но Карран ответил, что таков стиль Ведейса, как я мог заметить, и скажи спасибо, что нас взяли в соавторы :)

“The details of the presumed disproportionation leading to 12 were not investigated, but we were intrigued by the identity of the +11.7 ppm species (unknown I). This chemical shift is at least ca. 15 ppm downfield compared to any known, formally tetracoordinate NHC borane complex (NHC–BH₂X, 7 with L = NHC), and suspicions inevitably turned to the borenium cation structure 4a. However, this structure did not fit intuitive or computational chemical shift evaluations. Additional clues were obtained...”

Но тут мне уже надо цитировать всю работу, и я приглашаю всех желающих перечитать статью Weakly Stabilized Primary Borenium Cations and their Dicationic Dimers, что я и проделал на этой неделе. Еще одним соавтором статьи, полагаю, что полностью заслуженно, стал Jeff W. Kampf - кристаллографер из Университета Мичигана.

В конце презентации мне традиционно задают вопрос: “Раз this work was supported by the Institute of General Medical Sciences, NIH (GM067146), то какая практическая польза от этой работы для народного хозяйства?” Я традиционно искренне признаюсь, что никакой. Химией мы занимаемся совсем не за этим ;)

Есть у меня в планах написать подобные посты о всех остальных моих статьях. Необязательно в стихах.