Х лорофілл - природне з'єднання, саме він визначає зелене забарвлення листя у рослин. Роль цього з'єднання в житті рослин виключно велика. За допомогою хлорофілу в рослинах відбувається фотосинтез: при дії сонячного світла вони синтезують з СО2 і Н2 Про вуглеводи, виділяючи при цьому в повітря такий необхідний для нашого дихання О2.
Хлорофіл давно привертав увагу дослідників. У 1817 р французькі хіміки П.Пельтье і Ж.Каванту екстрагували спиртом з листя рослин зелений пігмент, який вони назвали хлорофілом (від грец. - зелений і - лист). Вперше виділити хлорофіл в чистому вигляді вдалося на початку ХХ ст. російському вченому М.С.Цвету за допомогою розробленого ним хроматографічного методу. Остаточно з'ясувати будову цього з'єднання вдалося в 30-ті роки ХХ ст. завдяки спільним зусиллям німецьких вчених Р.Вільштеттера, А.Штоля і Х.Фішера (схема 1).
Розглянемо докладніше будова молекули хлорофілу. Вона складається з двох великих блоків. Перший блок - так званий порфіриновий цикл, який зібраний з чотирьох гетероциклов - піролів, з'єднаних групами СН (схема 2).
Порфіриновий цикл міститься в багатьох природних з'єднаннях, зокрема, входить до складу гемоглобіну, який переносить вдихаємо кисень до клітин в тваринному організмі. Крім того, він присутній в природних пігментах (індиго і ін.). Свою назву порфирин отримав від барвника пурпура (від лат. Purpura - пурпурна равлик), що міститься в залозах морських черевоногих молюсків - іглянок, з яких добували яскраво-червоний барвник. Кармазин використовували для фарбування тканин вже за 1600 років до н.е. про нього згадують також давньоєгипетські папіруси.
У центрі порфіринового циклу, що входить до складу хлорофілу, знаходиться іон магнію, він пов'язаний з двома атомами азоту звичайними зв'язками, а з двома іншими - координаційними (показані пунктиром на схемі 1).
Другий блок хлорофілу - подовжений вуглеводневий «хвіст», що містить 20 вуглецевих атомів, це залишок високомолекулярного спирту фитола. Природа дуже завбачливо: порфіриновий цикл являє собою кілька «чужорідне освіту» в рослинній клітині, і вуглеводневий «хвіст» фитола дозволяє хлорофілу закріпитися на ліпідних (від грец. Lipos - жир) мембранах, що входять до складу клітини.
Загальна схема синтезу показана далі в скороченому вигляді. Знайомство з цією схемою дозволяє відзначити одну цікаву деталь. У більшості випадків Вудворд використовував зовсім прості, доступні реагенти: лугу, соляну і оцтову кислоти, ангідрид оцтової кислоти, аміни, йод, кисень повітря і деякі інші звичайні речовини.
Початковий етап збірки молекули хлорофілу Вудворд здійснив з'єднанням двох заготовок. Першу заготовку він отримав з двох похідних піролу, одне містило NH2 - і Ме-групи в бічних відгалуженнях (з'єднання 1), друге - альдегидную, метильную і складноефірний групи (з'єднання 2). Альдегідна група з'єднання 2 приєдналася до піррольних кільцю з'єднання 1 (показано зігнутої стрілкою). Утворилася нова молекула, в якій фрагменти вихідних речовин 1 і 2 з'єднані за допомогою подвійного зв'язку (показана потовщеною), побічний продукт - вода. Потім ця подвійна зв'язок було відновлено за допомогою NaBH4 до одинарного зв'язку (схема 3).
На цьому синтез першої заготовки (з'єднання 3) був завершений.
Друга заготівля була отримана також з похідних піролу (схема 4). Одне з вихідних сполук (4), що містить в бічних відгалуженнях дві Нітрільниє групи CN і атом Cl, приєднувалося до піррольних кільцю другого реагенту (показано зігнутої стрілкою) по реакції Фріделя-Крафтса з виділенням HCl. До отриманого з'єднанню 5 приєднували (також по реакції Фріделя-Крафтса) хлорангидрид 5а, що містить складноефірний групу (показано зігнутої стрілкою), в результаті отримали з'єднання 6.
Дві групи - Et і (NC) 2 C = CH - в поєднанні 6 замінювали відповідно метильной і альдегідної групами при послідовному дії водного лугу і діазометана CH2 N2 (з'єднання 7). При дії на з'єднання 7 етиламін EtNH2 і оцтовою кислотою АсОН, а потім сірководнем H2 S, альдегідну групу перетворювали в тіоальдегідную CHS, з'єднання 8
(Схема 5, см. С. 8).
На цьому був закінчений синтез другий заготовки. Обидві заготовки - 3 і 8 - з'єднували за участю тіоальдегідной і карбонільної груп, присутніх в з'єднанні 8. Це найбільш ефектна стадія синтезу, тому що в результаті виникає основний порфіриновий цикл (схема 6, див. С. 8). На наступних стадіях він додатково формується при дії окислювача I2 і подальшої взаємодії з оцтовим ангідридом Ac2 O в присутності піридину (py).
Отримане з'єднання 10 являє собою порфіриновий цикл, у якому перебувають по діагоналі два імінну атома N і дві групи NH. При дії на речовину 10 оцтової кислоти і потім кисню повітря відбувається утворення подвійного зв'язку (показана потовщеною) на одному з бічних відгалужень (з'єднання 11). При дії на це з'єднання оцтової кислоти, завдяки участі щойно утвореної подвійного зв'язку утворюється новий циклічний фрагмент (відзначений *), що примикає до порфіринового циклу (схема 7). При цьому в самому порфіриновий циклі імінну атоми N стають амінними NH, а амінниє навпаки - імінну, зовні це виглядає так, як ніби-то вони помінялися місцями (з'єднання 12).
На цій стадії формування порфіринового циклу завершилося, і всі наступні зміни проходили в обрамляють групах.
Об'єктом подальших перетворень стала аміноацільная група (показана потовщеною). В результаті обробки з'єднання 12 хлороводородом HCl (в присутності метанолу МеОН) і наступному дії диметилсульфату Me2 SO4 (в присутності лугу) замість аміноацільной групи виникла подвійна зв'язок (показана потовщеною). Це результат так званої реакції Гофмана (схема 8).
Отримане з'єднання 13 на наступній стадії обробили киснем (показано зігнутої стрілкою) при ультрафіолетовому опроміненні, відбулося фотохімічні розщеплення пятичленного циклу. У тому місці, де цикл розімкнувся, утворилися карбонильная і альдегидная групи (виділені потовщеним шрифтом).
В отриманому з'єднанні 14 в результаті послідовної дії КОН в метанолі, а потім водного розчину NaOH тільки що виникла альдегидная група взаємодіє з розташованої поруч складноефірного групою С (О) Омі (показано здвоєною стрілкою). Це призводить до утворення шестичленного циклу (відзначений **), що містить полуацетальную угруповання НО-С-О. Одночасно відбувається відщеплення фрагмента, який міститься в пунктирний кружок (див. Схему 8).
У отриманого з'єднання 15 існують стереоізомери за рахунок різного розташування метильних груп і атомів Н щодо площині пиррольного циклу. Вудворд ставив за мету отримати не просто хлорофіл, а саме той стереоизомер, який присутній в природних з'єднаннях. Тому на наступній стадії він провів поділ стереоизомеров переведенням їх в комплекс з хініном. Обравши стереоизомер і видаливши хінін, він продовжив синтез.
Тепер основна увага Вудворд зосередив на перетвореннях шестичленного циклу, зазначеного **. Дією діазометана СН2 N2 він розтулив цикл **, в результаті утворилися альдегидная і складноефірний групи (схема 9, см. С. 10). Виникло речовина 16, схоже на те, що вже було на попередніх стадіях (див. З'єднання 14), проте в ньому була відсутня група, яка в поєднанні 14 була поміщена в пунктирний кружок.
Після дії HCN на речовину 16 в присутності триетиламіну Et3 N шестичленна цикл знову замкнулося, і в точці замикання з'явилася ціаногрупи (виділена жирним шрифтом в з'єднанні 17). Далі були три стадії: відновлення цинком з оцтовою кислотою, метилювання діазометаном СН2 N2 і дію метанолу в присутності HCl. В результаті шестичленна цикл знову розімкнувся, але тепер в місцях розриву з'явилися дві однакові складноефірні групи С (О) Омі (з'єднання 18).
Всі ці послідовні стадії замикання і розмикання шестичленного кільця потрібні були для того, щоб в цьому місці молекули сформувати потрібний пятічленний цикл з відповідним обрамленням. При дії NaOH на з'єднання 18 в присутності піридину відбувається циклізація, утворюється пятічленний цикл з карбонільної і складноефірного групами (відзначений ***), утворюється з'єднання 19 (схема 10).
На завершальному етапі була проведена заміна групи Омі в складноефірного угрупованню на залишок високомолекулярного спирту фитола ОС20 Н39. того, який, як уже було сказано раніше, дозволяє хлорофілу закріпитися на ліпідних мембранах в рослинній клітині. Фінальна точка - введення атома Mg всередину порфіринового циклу дією етілат магнію Mg (OEt) 2
(Див. Схему 10).
Весь цей багатоступінчастий процес - приклад ретельно спланованого і витончено виконаного синтезу, який привів до отримання одного з найскладніших природних сполук.
Цілком природно у читача може виникнути питання: для чого потрібно було затівати цей складний синтез і витрачати стільки сил, якщо Природа вміє отримувати хлорофіл в великих кількостях і без особливих труднощів? Отримання подібних природних сполук розвиває мистецтво стратегії хіміка-синтетика і вдосконалює експериментальні можливості органічного синтезу. Заплановане введення необхідних груп, переміщення зв'язків, формування циклічного фрагмента в потрібному місці не тільки демонструє можливості сучасної органічної хімії, а й створює основу для синтезу нових, невідомих Природі речовин, що володіють різними корисними властивостями. В наші дні синтез хлорофілу вважають одним з найвищих досягнень органічного синтезу.