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
Родом из СССР: 27 советских привычек, от которых мы до сих пор не можем избавиться Родом из СССР: 27 советских привычек, от которых мы до сих пор не можем избавиться

Пакет с пакетами или банка из-под кофе с шурупами — своего рода культурный код

Psychologies
6 глэмпингов в Подмосковье 6 глэмпингов в Подмосковье

Отдых на природе не обязательно предполагает сон в палатке и умывание в реке

СНОБ
Глобальное потепление радикально меняет средиземноморский туризм Глобальное потепление радикально меняет средиземноморский туризм

Может ли изменение климата в конечном итоге изменить туризм?

ТехИнсайдер
Дроны, которых еще не было Дроны, которых еще не было

Беспилотники будущего

Цифровой океан
Сценическая машинерия Сценическая машинерия

Легенды автопрома на театральных подмостках

Автопилот
Ксения с пиццей, шесть монет, пять жертв Ксения с пиццей, шесть монет, пять жертв

Юлли Улетова — о свежих находках из Помпей

N+1
Виктор Бычков: «Хороший мужчина обязательно подкаблучник» Виктор Бычков: «Хороший мужчина обязательно подкаблучник»

История-преданность от главного «Кузьмича» России

Maxim
Деньги не играют: все тренеры «ПСЖ», которых увольняли катарские владельцы Деньги не играют: все тренеры «ПСЖ», которых увольняли катарские владельцы

Тренеры, которым не удалось сохранить работу в самом щедром клубе мира «ПСЖ»

Forbes
Температура видеокарты: какой она должна быть, и как бороться с перегревом Температура видеокарты: какой она должна быть, и как бороться с перегревом

До какой предельной температуры может нагреваться видеокарта?

CHIP
Одна инъекция белка Клото улучшила память макак Одна инъекция белка Клото улучшила память макак

Ученые из США ввели макакам-резус белок Клото

N+1
Астрономы впервые увидели, как рождаются газовые гиганты, подобные Юпитеру Астрономы впервые увидели, как рождаются газовые гиганты, подобные Юпитеру

Ученые смогли лучше понять процесс формирование огромных газовых гигантов

ТехИнсайдер
Всё сложится Всё сложится

Модель Дарья Попова объясняет, как эталонно собирать чемодан

VOICE
Как бизнесмены и миллионеры открывают музеи на Урале Как бизнесмены и миллионеры открывают музеи на Урале

Почему уральские бизнесмены открывают музеи и что привлекает в них публику?

Forbes
Мария Кровавая: как дочь Екатерины Арагонской боролась за престол и правила Англией Мария Кровавая: как дочь Екатерины Арагонской боролась за престол и правила Англией

Марии Кровавой приходилось долгие годы бороться за трон и за свою жизнь

Forbes
Африке предрекли ведущую роль в загрязнении поверхностных вод к концу этого века Африке предрекли ведущую роль в загрязнении поверхностных вод к концу этого века

Главными загрязнителями поверхностных вод Африки станут страны южнее Сахары

N+1
«Лаврова не могла выбрать между Смоктуновским и Баталовым», — рассказывала подруга актрисы «Лаврова не могла выбрать между Смоктуновским и Баталовым», — рассказывала подруга актрисы

Роднило ее избранников только одно — все они были талантливы, неординарны

Коллекция. Караван историй
ИИ делает краткосрочный прогноз погоды быстрее, чем традиционные модели ИИ делает краткосрочный прогноз погоды быстрее, чем традиционные модели

Модели прогнозирования погоды на основе ИИ лучше, чем традиционные

ТехИнсайдер
Сергей Кемпо: «Я — счастливчик!» Сергей Кемпо: «Я — счастливчик!»

«Родители для меня желали какой угодно профессии, но только не актерской»

Караван историй
«У снобов имеется некий душевный надрыв». Отрывок из книги о Марселе Прусте и его главном романе «У снобов имеется некий душевный надрыв». Отрывок из книги о Марселе Прусте и его главном романе

Как Марсель Пруст критиковал светское общество

СНОБ
Даже лишенные почти всех генов бактерии могут эволюционировать: невероятное открытие Даже лишенные почти всех генов бактерии могут эволюционировать: невероятное открытие

Даже очень скромная клетка может мутировать и адаптироваться

ТехИнсайдер
Капля жизни Капля жизни

Красивая этикетка не гарантируют качества воды. А что гарантирует?

Лиза
Орден бегинок: как в Средневековой Европе появились независимые женские объединения Орден бегинок: как в Средневековой Европе появились независимые женские объединения

Что делать, если родилась в Европе Средних веков, но к замужеству душа не лежит?

Forbes
Дневник предпринимательницы: во сколько бизнесу обходится электронный документооборот Дневник предпринимательницы: во сколько бизнесу обходится электронный документооборот

Какие расходы влечет за собой электронный документооборот?

Forbes
Как жить и работать во время менопаузы и как поддержать сотрудниц старше 45 лет Как жить и работать во время менопаузы и как поддержать сотрудниц старше 45 лет

Менопауза и карьера: как климакс мешает женщинам жить и работать

Forbes
Необъяснимые загадки молний: почему нельзя звонить в грозу и как электричество срывает с людей одежду Необъяснимые загадки молний: почему нельзя звонить в грозу и как электричество срывает с людей одежду

Молния — физическое явление, способное вытворять очень странные штуки

Maxim
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
Морозная свежесть антоновки: подробный гид по российскому сидру Морозная свежесть антоновки: подробный гид по российскому сидру

Из каких яблок делают сидры в России, зачем их пить из винных бокалов?

СНОБ
Люди с протезами почувствовали температуру с помощью тонкопленочного охладителя Люди с протезами почувствовали температуру с помощью тонкопленочного охладителя

Охладитель, с помощью которого люди с протезами могут чувствовать температуру

N+1
9 признаков пограничного расстройства личности: разбор с психотерапевтом 9 признаков пограничного расстройства личности: разбор с психотерапевтом

Почему не стоит демонизировать пограничное расстройство личности?

Psychologies
Открыть в приложении