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

Для осознанного восприятия необходимо сосредоточить внимание Для осознанного восприятия необходимо сосредоточить внимание

Нейробиологи исследовали процессы концентрации внимания

ТехИнсайдер
Исследование: мозг использует для сохранения памяти не только соединения нейронов, но и электрические поля Исследование: мозг использует для сохранения памяти не только соединения нейронов, но и электрические поля

Информация, сохраняемая в памяти, координируется электрическим полем

ТехИнсайдер
Музыкальный ритм помог детям сделать меньше грамматических ошибок Музыкальный ритм помог детям сделать меньше грамматических ошибок

Музыкальные ритмы помогли франкоговорящим детям повторить услышанные фразы

N+1
Слитые нюдсы и непрошенные дикпики: что нужно знать подростку о секстинге в интернете Слитые нюдсы и непрошенные дикпики: что нужно знать подростку о секстинге в интернете

Как принимать решения, связанные с сексом — в том числе обозначать свои границы?

Psychologies
На что похожа жизнь свободного человека и каким бывает детство в Репино На что похожа жизнь свободного человека и каким бывает детство в Репино

Сююмбике Давлет-Кильдеева — о радостях жизни на Финском заливе

РБК
Сколько лет, сколько ЗИМ Сколько лет, сколько ЗИМ

Автомобиль-конструктор с заводным механизмом из 50-х годов

Автопилот
Угадайте, какая страна стала самой прожорливой в мире. Спойлер: это не США! Угадайте, какая страна стала самой прожорливой в мире. Спойлер: это не США!

Сколько калорий потребляют разные страны

ТехИнсайдер
Самые плохие сериалы первой половины 2023 года Самые плохие сериалы первой половины 2023 года

Эти сериалы нас крайне разочаровали и заставили нервничать

Maxim
Радость моя, твоя, наша Радость моя, твоя, наша

Поговорка «Кому – арбуз, а кому – свиной хрящик» не лишена смысла

Лиза
Суперприложение Суперприложение

В Поднебесной вся коммуникация идет через систему WeChat

ТехИнсайдер
Спутники Starlink излучают радиоволны и создают помехи астрономам Спутники Starlink излучают радиоволны и создают помехи астрономам

Спутники Starlink от SpaceX создают помехи радиоастрономическим наблюдениям

ТехИнсайдер
Чем отличается пруд от озера: простое объяснение Чем отличается пруд от озера: простое объяснение

В чем отличие между прудом и озером, где лучше купаться?

ТехИнсайдер
Найдены древнейшие ледники на Земле: они покоятся под африканским золотом Найдены древнейшие ледники на Земле: они покоятся под африканским золотом

Ученые обнаружили следы древнейших ледников

ТехИнсайдер
Базилик Базилик

Чем полезен базилик? Исследуем суперфуд и пробуем пару рецептов

Здоровье
Закончилась память на телефоне? Есть способ освободить гигабайты места без удаления файлов! Закончилась память на телефоне? Есть способ освободить гигабайты места без удаления файлов!

Как же очистить место на смартфоне, не потеряв важные данные?

ТехИнсайдер
Какой маникюр делают в Турции: что больше всего разочаровало российскую туристку Какой маникюр делают в Турции: что больше всего разочаровало российскую туристку

На что стоит рассчитывать, если нужно сделать маникюр в другой стране?

VOICE
Близость, страсть, привязанность: какой ваш тип любви — определите чувства Близость, страсть, привязанность: какой ваш тип любви — определите чувства

В любых отношениях есть важные составляющие

Psychologies
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
В древнеримской Тамусиде нашли многочисленные останки диких животных В древнеримской Тамусиде нашли многочисленные останки диких животных

Палеозоологи исследовали останки животных, найденные в древнем городе Тамусида

N+1
Как текстильная промышленность влияла на культуру, экономику и политику Как текстильная промышленность влияла на культуру, экономику и политику

О тканях как об одном из главных товаров в истории человечества

СНОБ
Неочевидное, но вероятное: зачем ехать на выходные в Каргополь Неочевидное, но вероятное: зачем ехать на выходные в Каргополь

Хотите открыть для себя Русский Север — начинайте с Каргополя

Правила жизни
Законное оскорбление величия Законное оскорбление величия

История Древнего Рима в зеркале сериальной продукции

Weekend
Боуи, Уайнхаус и «битлы»: 10 потрясающий документальных фильмов о музыкантах Боуи, Уайнхаус и «битлы»: 10 потрясающий документальных фильмов о музыкантах

Лучшие примеры работ, в которых столкнулись миры кино и музыки

Правила жизни
Princess Y95. Первая в серии Princess Y95. Первая в серии

Princess Y95 — моторная яхта будущего

Y Magazine
В пустыне Негев нашли десятки скелетов женщин! Возможно, это ритуальные жрицы любви В пустыне Негев нашли десятки скелетов женщин! Возможно, это ритуальные жрицы любви

Израильские ученые нашил необычное захоронение возрастом не менее 2500 лет

ТехИнсайдер
Куда двигаться Куда двигаться

Какие именно танцы подойдут тебе?

VOICE
Спасти императора Иоанна Спасти императора Иоанна

XVIII век Российского государства — «заговорщицкое» столетие

Дилетант
“У тебя не мои глаза, не мои волосы”: горькая судьба Ари Булоня, всю жизнь доказывавшего, что он сын Алена Делона “У тебя не мои глаза, не мои волосы”: горькая судьба Ари Булоня, всю жизнь доказывавшего, что он сын Алена Делона

Одна из тяжелых страниц биографии Алена Делона: взаимоотношения с Ари Булонем

VOICE
Уроки русского: откуда взялось выражение Уроки русского: откуда взялось выражение

Почему не валялся именно конь?

ТехИнсайдер
Что я делаю не так? Что я делаю не так?

10 неочевидных ошибок, которые мешают готовить дома быстро и вкусно

Лиза
Открыть в приложении