Как химики полтора века пытаются понять ароматичность

N+1Наука

4N + 2

Как химики полтора века пытаются понять ароматичность

Михаил Бойм

В 2021 году британские химики рассказали о получении соединения тория со связями между атомами металла. Авторы утверждали, что такой ториевый кластер — ароматический, хотя на классические органические ароматические молекулы вроде бензола он совсем не похож. Химическое сообщество довольно ревностно отнеслось к использованию одного из базовых понятий органической химии для кластеров металлов, поэтому через год вышла статья-опровержение, в которой ученые из Чехии и Польши доказывали, что ничего ароматического в этом ториевом кластере нет. Завязался спор, после которого каждая группа осталась при своем мнении, а статья осталась на месте.

История повторилась в 2023 году: в этот раз объектом спора разных групп ученых стал якобы ароматический висмутовый кластер. Теперь статья вышла в Nature Chemistry, а опровержение и ответ на него выложены в виде препринтов на СhemRxiv. Критики тоже указывают на то, что полученный кластер не соответствует современным критериям ароматичности.

Но что это за критерии? Спорщики описывают одно и то же соединение по-разному. И оттого неясно, что вообще такое ароматичность, и почему это свойство заслуживает дискуссий. Остался ли смысл в классическом термине, который сейчас пытаются использовать для новых классов химических соединений?

Источник аромата

История открытия ароматических соединений — это во многом история счастливых случайностей. Началась она с того, что в 1819 году изобретатели Дэвид Гордон и Эдвард Хёрд запатентовали способ удобного хранения горючего газа, который получался при пиролизе природной нефти. Их идея была в том, чтобы сжижать его при давлении в 30 атмосфер в небольшие медные контейнеры, а потом в нужный момент заполнять с помощью них газовые лампы для освещения улиц. Этот газ представлял собой смесь метана, угарного газа и других продуктов пиролиза, включая очень небольшую долю ароматических соединений, о которых Гордон и Хёрд ничего не знали.

В 1825 году Гордон поделился этим сжиженным газом с Майклом Фарадеем, который выделил из него новое вещество с резким запахом и большой массовой долей углерода. Оно кипело при 80 градусах Цельсия, а плавилось — при шести. Оно не реагировало с иодом, калием, едкими щелочами и серной кислотой. Реакция пошла только с хлором — и то лишь на свету. Такая избирательность для ненасыщенных углеводородов была удивительна.

То же самое вещество получил через девять лет после Фарадея немецкий химик Эйльхард Мичерлих, нагрев бензойную кислоту с гидроксидом кальция. Он назвал его Benzin — а мы сегодня именуем его бензолом.

К концу 1830-х годов химикам, помимо бензола, стали известны нитробензол, анилин, фенол и некоторые другие ароматические вещества — и сходство между всеми ними первыми заметили немецкий химик Август Вильгельм фон Гофман и его ученик Чарльз Мэнсфилд. Они выделили из каменноугольной смолы, помимо самого бензола, набор его производных: толуол, кумол, цимол, анилин и бензойную кислоту. Мэнсфилд в своей работе показал, что все эти вещества содержат один и тот же фрагмент из шести атомов углерода, к которому могут присоединяться разные группы атомов. А Гофман в 1857 году обнаружил этот же самый фрагмент у некоторых карбоновых кислот, и назвал их всех «ароматическими» — за присущий им резкий запах. Термин прижился, и так стали называть все известные производные бензола.

81e295cd749f205f3dfd29d37e1eda7a.jpg
Ряд ароматических кислот, которые исследовал Гофман. В брутто-формулах удвоено количество атомов углерода и кислорода. Это связано с тем, что в формулах Гофман указывал не количество атомов, а количество эквивалентов соответствующего химического элемента в молекуле. Во времена Гофмана химики считали, что один атом водорода эквивалентен двум атомам кислорода или двум атомам углерода. August Wilhelm Von Hofmann / Proceedings of the Royal Society of London, 1857

Из-за большой массовой доли углерода эти производные напоминали обычные ненасыщенные углеводороды, в которых некоторые связи углерод-углерод одинарные, а некоторые — двойные. Но их химические свойства отличались от свойств всех прочих углеводородов: например, ненасыщенные соединения с двойными связями (алкены) легко вступают в реакции присоединения с галогенами и галогенводородными кислотами, а ароматические вещества никого присоединять не хотят — они вступают только в реакции замещения. Отличие в том, что в первом случае атомы галогена и водорода просто присоединяются к атомам углерода по двойной связи, превращая ее в одинарную. А в случае реакций замещения атом галогена может только заменить собой водород, оставив двойную связь нетронутой.

Но было непонятно, какая структура должна быть у молекулы, чтобы она так себя вела.

После десяти лет экспериментов стало ясно, что каждое ароматическое соединение имеет строго определенное число изомеров — веществ с тем же элементным составом, но разных по строению. И это число зависит от количества разных неуглеродных заместителей в молекуле. Например, у всех производных с одним заместителем был только один изомер, а если заместителя было два — то число изомеров увеличивалось до трех. Это явно говорило о симметрии молекул, и из этого немецкий химик Фридрих Август Кекуле в 1865 году вывел теорию строения ароматических соединений. В своей статье он утверждал, что все они содержат шестичленное углеродное кольцо, в котором три связи одинарные, а три — двойные. Теория успешно предсказывала уже найденные химиками изомеры ароматических веществ, но все еще не могла объяснить, почему эти вещества так отличаются по свойствам от обычных алкенов и алкинов. С этого момента ароматичность перестала иметь отношение к запаху вещества — она стала сообщать нечто о его строении.

Формулы разных ароматических соединений в изображении Кекуле. Небольшие круги на этих схемах — атомы водорода, а вытянутые фигуры — атомы углерода. August Kekulé / Bulletin mensuel de la Société Chimique de Paris, 1865

Делокализация электронной плотности

За следующие 60 лет объяснения химическим свойствам ароматических соединений так никто и не предложил, но появились точные данные о строении бензольного кольца. В 1929 году ирландская исследовательница Кэтлин Лонсдейл опубликовала расшифровку кристаллической структуры ароматического соединения гексаметилбензола. Из ее данных следовало, что все связи углерод-углерод в цикле молекулы одинаковой длины, то есть в нем нет отдельных одинарных и двойных связей. Тогда, учитывая элементный состав молекулы, возникали противоречия с теорией строения органических соединений Кекуле.

7f7b971520e5240b8b10a076f56ff3ea.png
Ортогональная проекция элементарной ячейки гексаметилбензола на одну из ее граней. Kathleen Lonsdale / Proceedings of the Royal Society of London, Series A, 1929

Объяснил симметрию молекулы бензола и равнозначность связей в нем Эрих Хюккель. Для этого пришлось дождаться появления квантовой физики, чтобы от нее двинуться в квантовую химию. В 1931-м году немецкий химик использовал для описания электронного строения бензола теорию молекулярных орбиталей, разработанную в конце 20-х годов.

Хюккель показал, что в бензоле нет обычных направленных и локализованных двойных связей, как предполагал Кекуле. А те электроны, которые должны эти двойные связи образовывать, распределены между всеми атомами углерода в кольце одновременно. Такая делокализация электронной плотности приводит к повышенной стабильности углеродного кольца, потому что располагаются делокализованные электроны на связывающих молекулярных орбиталях, удерживающих все атомы кольца вместе. При этом каждый нейтральный углерод отдает в кольцо по одному валентному электрону с p-орбитали (остальные уходят на образование классических одинарных связей с соседними атомами).

Молекулярные орбитали бензола. Заполнены только три связывающие орбитали, а разрыхляющие — пустые. Seymour Blinder / Chem.libretexts.org

По сути, Хюккель утверждал, что в бензоле нет чередующихся двойных и одинарных связей, а есть одинаково прочные связи одной длины и одного порядка — и они намного устойчивее, чем была бы «полуторная» связь, промежуточная между одинарной и двойной. Благодаря этому открытию стало понятно, почему бензол и его производные не похожи на обычные алкены, в которых есть точно локализованная двойная связь углерод-углерод, которая легко присоединяет к себе галогены.

Кроме того, из расчетов Хюккеля следовало правило: чтобы циклическое (а тогда вся известная ароматика была циклической) соединение было ароматическим, в его кольце должно быть делокализовано 4

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Посмотри на себя: почему тяжело применять критическое мышление к себе Посмотри на себя: почему тяжело применять критическое мышление к себе

Почему применять критическое мышление по отношению к себе гораздо сложнее?

Правила жизни
«Мы пара, но не одно целое»: 4 упражнения, чтобы найти правильную дистанцию с партнером «Мы пара, но не одно целое»: 4 упражнения, чтобы найти правильную дистанцию с партнером

Игровые задания, которые помогут найти свою меру близости в отношениях

Psychologies
Найдены гены, связанные с посттравматическим стрессом и депрессией Найдены гены, связанные с посттравматическим стрессом и депрессией

Гены больного мозга работают совершенно не так, как у здорового

ТехИнсайдер
«Мною сильно манипулировали»: Кристина Асмус объяснила, почему не уходила от избивавшего ее мужчины «Мною сильно манипулировали»: Кристина Асмус объяснила, почему не уходила от избивавшего ее мужчины

Актрису возмутили предположения о том, что она сама виновата в домашнем насилии

VOICE
Три группы приматов независимо колонизировали Южную Америку около 30 миллионов лет назад Три группы приматов независимо колонизировали Южную Америку около 30 миллионов лет назад

Палеонтологи описали новый вид южноамериканских приматов

N+1
Оценка социального вклада Благотворительного фонда «Даунсайд Ап» | Social Impact Assessment by the Downside Up Charitable Foundation Оценка социального вклада Благотворительного фонда «Даунсайд Ап» | Social Impact Assessment by the Downside Up Charitable Foundation

Как фонд «Даунсайд Ап» повлиял на качество жизни людей с синдромом Дауна

Позитивные изменения
«Лунная бабочка»: проект гигантской космической электростанции, собранной из лунных ресурсов «Лунная бабочка»: проект гигантской космической электростанции, собранной из лунных ресурсов

Будущие лунные базы смогут питаться от гигантской «космической бабочки»

ТехИнсайдер
Особенности работы в Дубае: подходы и цифры Особенности работы в Дубае: подходы и цифры

Разбираемся в специфики деловой культуры в Дубае

Правила жизни
Огонь желания: как сохранить либидо в отношениях — интервью психоаналитиков Огонь желания: как сохранить либидо в отношениях — интервью психоаналитиков

Влечение непредсказуемо, загадочно, и мы не можем напрямую им управлять

Psychologies
Что такое массаж сухой щеткой и какой от него эффект Что такое массаж сухой щеткой и какой от него эффект

Есть ли польза от массажа сухой щеткой: все за и против

РБК
Сливки европейского edtech: как меняется европейский рынок образовательных технологий Сливки европейского edtech: как меняется европейский рынок образовательных технологий

Как меняется фокус образовательных технологий

Inc.
«Колония»: роман о жизни на маленьком ирландском острове «Колония»: роман о жизни на маленьком ирландском острове

Писательница рассказывает о жизни на маленьком ирландском острове

Forbes
Эстетика Эстетика

Чтобы окунуться в люкс, достаточно надеть продуманный теннисный образ

VOICE
Таргетная терапия уменьшила краниофарингиомы пациентов на 91 процент Таргетная терапия уменьшила краниофарингиомы пациентов на 91 процент

Исследователи сообщили об успехе II фазы испытаний таргетной терапии

N+1
Фокус на джунов: почему в компаниях растет спрос на молодых специалистов Фокус на джунов: почему в компаниях растет спрос на молодых специалистов

На фоне кадрового голода бизнес стал чаще нанимать вчерашних выпускников

Forbes
Почему людей на Земле связывают именно 6 рукопожатий? Математики МФТИ нашли ответ Почему людей на Земле связывают именно 6 рукопожатий? Математики МФТИ нашли ответ

Правило шести рукопожатий подтвердили с помощью математической модели

ТехИнсайдер
Почему собранные ретейлерами на переработку вещи оказываются на свалках Африки Почему собранные ретейлерами на переработку вещи оказываются на свалках Африки

Почему в мире перерабатывается менее 1% текстильных отходов?

Forbes
Узнайте на будущее! Чем можно перекусить, чтобы избавиться от чувства тошноты Узнайте на будущее! Чем можно перекусить, чтобы избавиться от чувства тошноты

От чувства пресыщенности можно избавиться с помощью самых простых продуктов

ТехИнсайдер
Как три предпринимательницы помогают женщинам создавать собственный бизнес Как три предпринимательницы помогают женщинам создавать собственный бизнес

Как Collabroom помогает женщинам преодолеть неуверенность в собственных силах

Forbes
Ученые пощекотали крыс и нашли регулятор игривости в стволе мозга Ученые пощекотали крыс и нашли регулятор игривости в стволе мозга

Чувством щекотки и игривостью управляют латеральные части серого вещества

N+1
Почему у людей не бывает от природы голубых или зеленых волос? Почему у людей не бывает от природы голубых или зеленых волос?

От чего зависит цвет нашего волоса?

ТехИнсайдер
Как справиться с сенсорной перегрузкой? Как справиться с сенсорной перегрузкой?

Почему даже экстравертам иногда так хочется отдохнуть от бешеного ритма жизни?

Здоровье
Раннемеловое млекопитающее поохотилось на динозавра втрое тяжелее себя Раннемеловое млекопитающее поохотилось на динозавра втрое тяжелее себя

Необычная окаменелость, которая сохранила сцену охоты Repenomamus robustus

N+1
60-тысячелетний зуб с острова Ява приписали сапиенсу 60-тысячелетний зуб с острова Ява приписали сапиенсу

Палеоантропологи исследовали два молочных зуба, найденные в индонезийской пещере

N+1
Опоздала на рейс, потеряла чемодан, дали плохой номер: как решить проблемы в отпуске Опоздала на рейс, потеряла чемодан, дали плохой номер: как решить проблемы в отпуске

Предвидим непредвиденные ситуации в отпуске

VOICE
«Аббатство Даунтон»: Миллионные вложения, армия поклонников и похвала Елизаветы II «Аббатство Даунтон»: Миллионные вложения, армия поклонников и похвала Елизаветы II

Почему именно «Даунтон» завоевал сердца зрителей? Здесь нет ничего случайного

Караван историй
Политика и бокс: семь фильмов о женской карьере в «мужских» профессиях Политика и бокс: семь фильмов о женской карьере в «мужских» профессиях

Фильмы о женщинах в политике, силовых видах спорта, армии, на шахте и в такси

Forbes
От театрофона до AirPods: как появились первые наушники От театрофона до AirPods: как появились первые наушники

Когда-то люди платили, чтобы успеть поймать отрывок из оперы...

ТехИнсайдер
Переезд с изъятием: как бизнес сможет поменять иностранную юрисдикцию на российскую Переезд с изъятием: как бизнес сможет поменять иностранную юрисдикцию на российскую

Законопроект, упрощающий переезд в Россию принадлежащих россиянам компаний

Forbes
Пикап JAC T6 будет выходить под маркой Sollers Пикап JAC T6 будет выходить под маркой Sollers

Рабочий пикап JAC T6 не собирается участвовать в конкурсах красоты

4x4 Club
Открыть в приложении