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
Заметки отдыхающего: список дел, которые вы должны выполнить сразу же после заселения в отель Заметки отдыхающего: список дел, которые вы должны выполнить сразу же после заселения в отель

Сделайте эти 7 вещей, чтобы ваш отдых прошел максимально комфортно

ТехИнсайдер
Жертвоприношения, голод и изоляция: что пережили звезды, которые были членами секты Жертвоприношения, голод и изоляция: что пережили звезды, которые были членами секты

Ты удивишься, как много знаменитостей были связаны с сектами

VOICE
Средство от хаоса Средство от хаоса

Пора переосмыслить цели и само понятие технического прогресса

Деньги
Самая молодая последовательница Мэнсона выходит из тюрьмы: кто такая Лесли Ван Хутен Самая молодая последовательница Мэнсона выходит из тюрьмы: кто такая Лесли Ван Хутен

Рассказываем историю Ван Хутен, Мэнсона и коммуны «Семья»

Forbes
Из ресторана — в интернет Из ресторана — в интернет

В чем залог успешной работы электронной торговли b2b

Эксперт
Прародиной индоевропейских языков назвали Южный Кавказ Прародиной индоевропейских языков назвали Южный Кавказ

Лингвисты пересчитали время, когда существовал праиндоевропейский язык

N+1
7 секретов гармоничной жизни, которым могут научить бонобо 7 секретов гармоничной жизни, которым могут научить бонобо

Бонобо отличаются своим миролюбием. Все свои проблемы они решают с помощью секса

Psychologies
От чего зависит уровень гибкости каждого человека? От чего зависит уровень гибкости каждого человека?

Почему один человек может легко сесть на шпагат, а другому для этого нужны годы

ТехИнсайдер
Устал и ухожу: как владельцы и руководители компаний добровольно покидают свои посты Устал и ухожу: как владельцы и руководители компаний добровольно покидают свои посты

С годами отход от дел по болезни стал привычным для бизнеса

Forbes
Аборигенно модифицированное искусство Аборигенно модифицированное искусство

Дамир Муратов: идентичность и айдентика Сибири

Weekend
Аэрогель повысил огнестойкость дрона Аэрогель повысил огнестойкость дрона

Дрон выдерживает температуру в 200 градусов Цельсия с помощью аэрогеля

N+1
Менопауза, поиски себя и свобода: история о том, что происходит с женщиной в 50 лет Менопауза, поиски себя и свобода: история о том, что происходит с женщиной в 50 лет

«Перемена» — сериал о том, как 50-летняя женщина отправляется на поиски себя

Forbes
Псилоцибин оказался безопасен и потенциально эффективен при нервной анорексии Псилоцибин оказался безопасен и потенциально эффективен при нервной анорексии

Назначение псилоцибина улучшило состояние пациенток с нервной анорексией

N+1
Инженеры станут творцами Инженеры станут творцами

Нужны проектировщики и конструкторы, которые будут создавать новую технику

Эксперт
«Парадокс о мандарине»: как безнаказанность влияет на наше поведение «Парадокс о мандарине»: как безнаказанность влияет на наше поведение

Действует ли мораль в условиях безнаказанности?

Forbes
Борис Макаренков: «Потенциал отечественных авторов колоссален» Борис Макаренков: «Потенциал отечественных авторов колоссален»

О текстах, опубликованных в электронном самиздате, об их авторах и читателях

Эксперт
Как презрение разрушает отношения: 7 шагов, чтобы предотвратить развод Как презрение разрушает отношения: 7 шагов, чтобы предотвратить развод

Проявление неуважения  — самый серьезный предвестник развода

Psychologies
Читмил Читмил

Читмил: плюсы и минусы запланированных нарушений диеты

Здоровье
«Я не развелся»: Леша Свик рассказал об измене жене, которая ушла от него после рождения дочери «Я не развелся»: Леша Свик рассказал об измене жене, которая ушла от него после рождения дочери

Ксения Ткачева обвинила Лешу Свика в измене сразу после пополнения в семействе

VOICE
Сила притяжения Сила притяжения

Быть желанной хочет каждая женщина. Но что такое «соблазнительность»?

Лиза
Голос совести: как Шинейд О’Коннор хватило смелости оставаться самой собой Голос совести: как Шинейд О’Коннор хватило смелости оставаться самой собой

Шинейд О’Коннор — одна из самых противоречивых фигур музыкальной индустрии

Forbes
У аристократов тоже есть проблемы! Узнайте, как эта женщина скрывала свой недостаток У аристократов тоже есть проблемы! Узнайте, как эта женщина скрывала свой недостаток

Французская аристократка XVII страдала от проблем с зубами

ТехИнсайдер
Я — сноб: актриса Наташа Бардо Я — сноб: актриса Наташа Бардо

Актриса Наташа Бардо — о том, что удивляет ее в людях больше всего

СНОБ
Самые захватывающие детективы с азиатским колоритом Самые захватывающие детективы с азиатским колоритом

5 книг от авторов из Японии, Китая и Кореи, на которые стоит обратить внимание

Maxim
История о приемных детях и важной миссии для подростка История о приемных детях и важной миссии для подростка

Как примирить подростка с присутствием в семье приемного ребенка с особенностями

СНОБ
Когда ты — не стандарт: 5 простых способов почувствовать себя самой красивой Когда ты — не стандарт: 5 простых способов почувствовать себя самой красивой

Лови формулу, которая поможет тебе раскрыть свою красоту и повысить самооценку!

VOICE
Волшебная страна: как анализировать сон — методы психоанализа, аналитической психологии, психодрамы, гештальт- и арт-терапии Волшебная страна: как анализировать сон — методы психоанализа, аналитической психологии, психодрамы, гештальт- и арт-терапии

Символический язык снов не всегда понятен. Как его расшифровать?

Psychologies
Prostor выходит на просторы Prostor выходит на просторы

Лидеры молодой верфи Prostor — об идеях, планах и новой лодке

Y Magazine
Ранний завтрак может снизить риск развития диабета 2 типа Ранний завтрак может снизить риск развития диабета 2 типа

Ранний прием пищи может существенно снизить вероятность развития диабета 2 типа

ТехИнсайдер
Открыть в приложении