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

Как выражать недовольство, чтобы тебя слышали и понимали (а не выгоняли — из комнаты, магазина, с работы) Как выражать недовольство, чтобы тебя слышали и понимали (а не выгоняли — из комнаты, магазина, с работы)

Как дать однозначно понять, что тебя что-то не устраивает?

VOICE
Продуктивность в 2023 году: как быть эффективнее на работе и меньше отвлекаться Продуктивность в 2023 году: как быть эффективнее на работе и меньше отвлекаться

Как прокачать свою личную эффективность?

Maxim
Куда поехать на север: туры в самые труднодоступные места России Куда поехать на север: туры в самые труднодоступные места России

Интересные туры в северные регионы России

СНОБ
Как (не) надо выстраивать границы в отношениях: разбор истории Джоны Хилла и Сары Брэди Как (не) надо выстраивать границы в отношениях: разбор истории Джоны Хилла и Сары Брэди

Разбираемся вместе с психологами в тонкостях построения границ в отношениях

Psychologies
Как мозг строит модели будущего и действует согласно этим моделям Как мозг строит модели будущего и действует согласно этим моделям

Память не только сохраняет воспоминания, но и позволяет прогнозировать будущее

ТехИнсайдер
История игрушек: три культовые куклы на любой вкус, помимо Барби История игрушек: три культовые куклы на любой вкус, помимо Барби

Пони, трансформеры и фёрби: культовые куклы XX века

Правила жизни
Почему плакать полезно для здоровья: 5 веских причины пустить слезу прямо сейчас Почему плакать полезно для здоровья: 5 веских причины пустить слезу прямо сейчас

Плач может улучшить здоровье, причем как психическое, так и физическое

ТехИнсайдер
«Главное — никого не разочаровать»: 5 ловушек мышления, которые мешают стать счастливыми «Главное — никого не разочаровать»: 5 ловушек мышления, которые мешают стать счастливыми

Почему мы саботируем свой путь к счастью?

Psychologies
Директор Музеев Московского Кремля о новом здании, туристах и отношениях с властью Директор Музеев Московского Кремля о новом здании, туристах и отношениях с властью

Почему музейное оборудование невозможно импортозаместить

Forbes
Как стать уверенной в себе, если твое детство прошло в неблагополучной семье? Как стать уверенной в себе, если твое детство прошло в неблагополучной семье?

Как справиться с неуверенностью в себе?

VOICE
С миру по нитке: как топ-спортсменам приходится просить на Олимпиаду деньги у фанатов С миру по нитке: как топ-спортсменам приходится просить на Олимпиаду деньги у фанатов

Вспоминаем истории, когда на Олимпиаду спортсменам собирали всем миром

Forbes
Стрессовое ожирение Стрессовое ожирение

Почему возникает стрессовое ожирение и что делать

Лиза
Игра в детективов: сколько в России зарабатывают на интересе к убийствам и маньякам Игра в детективов: сколько в России зарабатывают на интересе к убийствам и маньякам

Как авторы подкастов о маньяках зарабатывают миллионы?

Forbes
От Вирджинии Вулф до Кэролайн Криадо-Перес: 13 главных книг о феминизме От Вирджинии Вулф до Кэролайн Криадо-Перес: 13 главных книг о феминизме

Что почитать, чтобы понять, чем занимаются феминистки

Forbes
Владимир Маяковский в десяти словах, сказанных им самим Владимир Маяковский в десяти словах, сказанных им самим

Портрет Владимира Маяковского в десяти словах из его стихов

Правила жизни
Новая экспедиция «Пангеи» Новая экспедиция «Пангеи»

Майк Хорн отправился в очередную кругосветку, чтобы оценить изменение климата

Y Magazine
7 любопытных фактов из жизни Роберта Оппенгеймера — «отца атомной бомбы» 7 любопытных фактов из жизни Роберта Оппенгеймера — «отца атомной бомбы»

Первым предположил существование черных дыр, ругался с Эйнштейном и кое-что еще

Maxim
Тест-драйв гибрида Chery Tiggo 8 Pro e+ Тест-драйв гибрида Chery Tiggo 8 Pro e+

Chery Tiggo 8 Pro e+ успешно освоил гибридную систему с тремя моторами

СНОБ
«От измены всегда страдают лишь женщины»: мнение читательницы комментирует психолог «От измены всегда страдают лишь женщины»: мнение читательницы комментирует психолог

Правда ли, что от измен всегда страдает только женщина?

Psychologies
Гора идолов Гора идолов

Одно из чудес России – столбы Маньпупунёр

Лиза
Роль цикличности в истории Роль цикличности в истории

Как обвинитель по делу Бейлиса стал обвиняемым

Weekend
В мозге есть группа нейронов, которая останавливает любое движение. Даже дыхание В мозге есть группа нейронов, которая останавливает любое движение. Даже дыхание

Ученые нашли группу клеток, активация которых полностью останавливает движение

ТехИнсайдер
Средство от хаоса Средство от хаоса

Пора переосмыслить цели и само понятие технического прогресса

Деньги
Роботы на далеких планетах и спутниках будут сами принимать решения Роботы на далеких планетах и спутниках будут сами принимать решения

Роботы смогут самостоятельно принимать решения о том, где и как забирать грунт

ТехИнсайдер
Самоуверенный алгоритм: какие риски внедрения ИИ пока недооцениваются Самоуверенный алгоритм: какие риски внедрения ИИ пока недооцениваются

ИИ обладают предсказательной способностью, но не могут заглянуть на шаг вперед

Forbes
«Не бойтесь демпинговать»: как я за год стала аналитиком данных «Не бойтесь демпинговать»: как я за год стала аналитиком данных

История Инны, которая в 36 лет решила уйти из преподавания в IT

VOICE
Лисьи глазки: как нарисовать и как получить долгосрочный эффект Лисьи глазки: как нарисовать и как получить долгосрочный эффект

Как добиться эффекта «лисьих глазок»? Отвечают косметический хирург и визажист

РБК
Чем интересен фильм Майка Ли «Обнаженные» Чем интересен фильм Майка Ли «Обнаженные»

Чем интересна экзистенциальная притча о взрослении и одиночестве

СНОБ
10 звезд-мужчин, у кого было больше всех половых партнерш 10 звезд-мужчин, у кого было больше всех половых партнерш

Верить рассказам этих секс-гигантов или нет — решайте сами!

Maxim
Пора валить Пора валить

Не все супергерои носят плащи

Дилетант
Открыть в приложении