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

10 цитат Александра Лурии, которые помогут понять, что происходит в вашей голове 10 цитат Александра Лурии, которые помогут понять, что происходит в вашей голове

Как взаимосвязаны мозговые механизмы и психические процессы: цитаты психолога

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

Юлли Улетова — о свежих находках из Помпей

N+1
Закон благосостояния Закон благосостояния

Явление сверхтекучести капиталов в экономике. Как его преодолеть?

Эксперт
Жизнь дала им второй шанс: реальные истории людей, которые чудом выжили в невероятных обстоятельствах Жизнь дала им второй шанс: реальные истории людей, которые чудом выжили в невероятных обстоятельствах

Случаи этих людей — настоящее чудо

ТехИнсайдер
Инвестиции в искусственный интеллект: бум или скам Инвестиции в искусственный интеллект: бум или скам

Формируется ли пузырь ИИ?

Forbes
Рейдер, активист, лифтер Рейдер, активист, лифтер

Как инвестирует Карл Айкан

Деньги
«Тайное вторжение»: как новый сериал Marvel возвращает зрителя в мир холодной войны «Тайное вторжение»: как новый сериал Marvel возвращает зрителя в мир холодной войны

Чем примечателен сериал «Тайное вторжение» и почему он вторичен?

Forbes
Что делать при наводнении, а чего не делать ни в коем случае Что делать при наводнении, а чего не делать ни в коем случае

Как подготовиться к наводнению

Maxim
Что будет, если засунуть голову в ускоритель частиц? Анатолий Бугорский поделился своим горьким опытом Что будет, если засунуть голову в ускоритель частиц? Анатолий Бугорский поделился своим горьким опытом

13 июля 1978 года ускоритель У-70 разделил жизнь Анатолия на "до" и "после"

ТехИнсайдер
Фитнес уже не тот Фитнес уже не тот

Как современная наука разбивает укоренившиеся мифы, связанные с тренировками

Men Today
Отец «червя», профессор, бизнесмен: история Роберта Тэппэна Морриса — студента, который изменил интернет Отец «червя», профессор, бизнесмен: история Роберта Тэппэна Морриса — студента, который изменил интернет

Вспоминаем историю человека, который  случайно «взломал» интернет

Правила жизни
Никакого розового: семь серьезных фильмов о первой любви, снятых женщинами Никакого розового: семь серьезных фильмов о первой любви, снятых женщинами

Мелодрамы, демонстрирующие глубокий взгляд на романтические отношения

Forbes
Боль и предательство: почему ушла из кино звезда фильма Боль и предательство: почему ушла из кино звезда фильма

Наталья Вавилова внезапно бросила кино на пике славы. Что же случилось?

VOICE
Шерше ля фам Шерше ля фам

Женщины принимали очень активное участие во Французской революции

Дилетант
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
Прийти в сознание. Научные споры об устройстве мозга и свободе воли Прийти в сознание. Научные споры об устройстве мозга и свободе воли

Как работает наше сознание?

СНОБ
Он мог соперничать с Twitter, но был «убит»: как появился и почему провалился Google Reader Он мог соперничать с Twitter, но был «убит»: как появился и почему провалился Google Reader

Почему руководители Google закрыли один из своих «самых дальновидных» проектов?

VC.RU
Шахматист Ян Непомнящий: Выигрывать мне нравится больше, чем играть Шахматист Ян Непомнящий: Выигрывать мне нравится больше, чем играть

Сильнейший гроссмейстер планеты — о своем профессиональном пути

СНОБ
Уехать или остаться: как этот выбор губит целые народы Уехать или остаться: как этот выбор губит целые народы

«Югорские новеллы» — кино о необходимости сохранения традиций народов Севера

Psychologies
Коппола: как выходцы из семьи итальянских иммигрантов изменили Голливуд Коппола: как выходцы из семьи итальянских иммигрантов изменили Голливуд

Отрывок из книги «Коппола. Семья, изменившая кинематограф» Айана Натана

Forbes
Каким получился «Оппенгеймер» Кристофера Нолана — самый ожидаемый фильм года Каким получился «Оппенгеймер» Кристофера Нолана — самый ожидаемый фильм года

«Оппенгеймер» — кино о амбивалентной природе человечества

Правила жизни
Рабочей копии гена оказалось недостаточно для устранения врожденной цветовой слепоты Рабочей копии гена оказалось недостаточно для устранения врожденной цветовой слепоты

Рабочая копия гена CNGA3 не восстанавливает цветовое зрение

N+1
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
В фокусе В фокусе

Проекты ISRO – один из крупнейших экспортных контрактов Криогенмаша

Прогресс
Комедия случая: Эльдар Рязанов — режиссер, который не стал моряком Комедия случая: Эльдар Рязанов — режиссер, который не стал моряком

О гении советской комедии Эльдаре Рязанове

СНОБ
Как холдинг бывшего участника списка Forbes простил ему 26 млрд рублей долга Как холдинг бывшего участника списка Forbes простил ему 26 млрд рублей долга

Как выдавались займы и прощались долги в УСМК

Forbes
«Уход мужа заново открыл для меня мир свиданий и подарил ощущение легкости жизни»: история развода после 50 «Уход мужа заново открыл для меня мир свиданий и подарил ощущение легкости жизни»: история развода после 50

Развод, которого она боялась, многое в ее жизни неожиданно изменил к лучшему

Psychologies
Василий Ливанов: «Если бы отец увидел этого русского, он был бы счастлив», — сказала дочь Конан Дойля, посмотрев моего Шерлока Холмса Василий Ливанов: «Если бы отец увидел этого русского, он был бы счастлив», — сказала дочь Конан Дойля, посмотрев моего Шерлока Холмса

Камбербэтч и я — нормальные Холмсы. Но лучший Шерлок Холмс в истории — русский

Коллекция. Караван историй
Когнитивная простота: откуда берется склонность к манипуляциям — интервью психолога Когнитивная простота: откуда берется склонность к манипуляциям — интервью психолога

Кто такие манипуляторы и какие люди становятся их жертвами?

Psychologies
«Поля-двойники»: как Игорь Вулох вписывается в общий портрет русских нонконформистов «Поля-двойники»: как Игорь Вулох вписывается в общий портрет русских нонконформистов

Почему без Игоря Вулоха нельзя представить неофициальное искусство CCCР?

Forbes
Открыть в приложении